Elastan Liflerin Üretimi

Uzun yıllar elastomerik lif yapımında doğal kauçuk ve yapay kauçuklar kullanılmıştır. Ancak bu liflerin elastikiyeti yüksek olmakla birlikte kopma dayanımları düşük kalmıştır. Yapay elastomerik lifler kauçuksal elastikiyetin nedenleri anlaşıldıktan sonra üretilebilmiştir. Poliüretanlar, elastomerik lif üretimine uygun yapısal özellikler taşırlar. İlk kez 1968 yılında üretimi yapılan Spandex ve daha sonra üretilen benzeri lifler en az %85 oranında poiüretan uzun polimer zincirlerini ihtiva ederler (Saçak 2002, Erdem 1999).

İdeal bir elastomerik lifin üretiminde kullanılacak polimerin; esnek, tersinir uzama gösterebilen zincir parçaları yanında bunları birbirine bağlayan sert kısımlar içermesi gerekir. Esnek kısımlar life kauçuk özelliği kazandırır. Amorf yapıdaki bu zincir parçaları küçük kuvvetlerle yüksek uzama gösterirler(Saçak 2002).

Zincirin sert kısmı genellikle kristalin ve polar karakterdedir, lifin %15-20’lik bir kısmını oluşturmaktadır. Kristalin bölgeler birbirlerine H-köprüleriyle veya Van der Waals kuvvetleri ile bağlandıklarından, life mukavemet ve kararlılık özellikleri kazandırmaktadır. Gerilim altında deforme olmazlar ve elastikiyeti sağlarlar. Bu bölgeler uzama anında polimer zincirlerinin kaymasını önleyerek tekrar eski haline gelmesini sağlamaktadır. Sert bölgeler, küçük moleküllü diisosiyanat ve diollerin (örneğin Hegzan diisosiyanat ve 1,4 Butandiol) poliaddisyonu sonucu üretilmektedir.

Yani sert kısımlar, sert poliüretan (örneğin Dorlon tipi) yapısındadır ve makromolekülleri arasında köprü bağları bulunmaktadır (Erdem 1999, Öktem ve ark.

2002, Seventekin 2003).

Lifin %80’ini oluşturan yumuşak bölgelerde (mol ağırlıkları 2000 civarındadır) moleküller düzensiz yapıda olup, çekilince uzayabilmektedirler. Bunlar, uçlarında OH-grupları içeren polieter veya poliester bileşiklerdir. Erime noktası düşük olup, life uzama ve eski şeklini geri alma olanağını sağlamaktadır. Lif ağırlığının genellikle %65-90’ını oluşturan yumuşak bölgeler ise amorf yapıda olup liflere yüksek elastikiyet kazandırmaktadır. Yumuşak bölgeler düşük erime sıcaklığına, sert bölgeler ise yüksek erime sıcaklığına sahiptir (Öktem ve ark. 2002, Seventekin 2003).

Uzama anında amorf bölgelerdeki bir kısım makromolekül kristalin hale geçmekteyse de, gerilme ortadan kalktıktan sonra eski haline geri dönebilmektedir.

Şekil 2.1’de Bonart ve Rinke’ye göre çizilen segmente poliüretan modelinde kristal ve amorf bölgeler gösterilmiştir. Lif serbest konumdayken esnek zincir karmakarışıktır.

Dışarıdan bir kuvvet uygulandığında makromoleküller kaymaksızın düz hale gelmektedir. Bu tür lifler “Snap-Back” lifler olarak da tanımlanmaktadır. (Şekil 2.2.) Kuvvet ortadan kalkınca her zamanki doğal karmaşık durumlarına geri dönmek istediklerinden lif büzülmektedir. Bu iki yapı arasındaki ilişki kütle-yay ilişkisiyle benzerlik göstermektedir (Moncrieff, 1975, Öktem ve ark. 2002, Hockenberger 2006).

Şekil 2.1. Bonart ve Rinke’ye göre segmente poliüretan modeli KAYNAK: www.dorlastan.com

Şekil 2.2. “Snap-Back” liflerin gerilim altındaki davranışları KAYNAK: Moncrieff, Man made fibres, 1975, s.489.

Elastomer segmentlerinin oluşturulması, çok basamaklı reaksiyonlarla gerçekleştirilmektedir. İlk adımda basit lineer poliüretan, glikol ve diizosiyanat bileşiklerinin poliadisyon (katılma) prosesi ile elde edilir. Sonraki adımlarda ise, bölümlenmiş blok poliüretan yapısının oluşumu ve zincir uzaması gerçekleşmektedir.

Gevşek-sert segmentler oluşması ve üretanların birbirlerine bağlanmaları genellikle organik bir çözücü içerisinde gerçekleşmektedir (Hockenberger, 2006).

Gevşek segmentleri oluşturan poliollerin kimyasal yapılarının poliester yada polieter oluşu ve mol büyüklükleri, üretiminde kullanıldıkları poliüretanların soğuk yada sıcağa dayanıklılık, çözücülere karşı dayanıklılık gibi pek çok özelliğini etkilemektedir. Bu yüzden gevşek segmentlerin poliester yada polieterden oluşmasına bağlı olarak lifleri iki gruba ayırmak mümkündür: Polieter tipi lifler, tekstilde uygulanan alkali ağartma, boyama gibi muamelelere karşı daha dayanıklı iken poliester tipi olanlar daha hassastırlar(Hockenberger, 2006).

Poliüretan-elastomer polimerlerinden lif çekimi değişik şekillerde yapılabilmektedir. Elastan liflerin üretiminde kullanılan kimyasallar kadar, üretimde kullanılan çekim prosesinin türü de, oluşan ürünün kimyasal ve fiziksel özelliklerinin belirlenmesinde önemli rol oynamaktadır(Hockenberger, 2006).

2.1.1.1. Kuru Lif Çekimi Yöntemi

Elastomer liflerin % 80'i kuru lif çekim yöntemine göre üretilmektedir. Şu anda pazara Lycra (DuPont) ve Dorlastan (Bayer) markalarıyla kuru çekim elastomer lifler hakimdir. Ancak kuru lif çekiminde araştırma ve çalışma masraflarına bağlı olarak fiyatlar artmaktadır. Şekil 2.3’de kuru çekim yöntemine göre poliüretan-elastomer liflerinin üretimi gösterilmiştir. Elastomer makromoleküllerinin dimetilformamid veya dimetilasetamid içerisinde % 20-25'lik yüksek viskoziteli çözeltisi hazırlanmaktadır.

Çözelti düzeden fışkırtıldıktan sonra lif çekim kanalında sıcak hava ile katılaşması sağlanmaktadır. Lif çekim hızı 200 m/dakika olup, 4-20 dtex'lik filamentler elde edilmektedir. Filamentlerin bir araya getirilmesi ile 20-2500 dtex'lik iplikler elde edilebilmektedir (Öktem ve ark. 2002, Seventekin 2003).

Kuru çekimde maksimum verim için uygun polimer konsantrasyonu, düzgün çözelti dağılımı, uygun düze boyutu, delik tipi ve hücreye uygulanan ısı miktarı önem taşımaktadır. Özellikle lif çekim hızı ve lif çekim sıcaklığı elde edilen filamentlerin mekanik özellikleri üzerinde çok etkili olmaktadır (Öktem ve ark. 2002).

1) Dozaj pompası 2) Filtre

3) Lif çekim çözeltisi 4) Sıcak gaz

5) Düze

6) Isıtılmış duvarlar 7) Büküm noktası

8) 4-8m'lik ünite uzunluğu 9) Gaz çıkışı

l0) Taze hava 11) Yalancı büküm 12) Çekim silindiri 13) Preparasyon 14) Sağ-sol hareketi 15) Sarma

Şekil 2.3. Poliüretan-Elastomer çözeltisinden kuru lif çekimi

KAYNAK: Öktem ve ark., Poliüretan Elastomer Lifler , Tekstil ve Konfeksiyon, Mart 2002, 114-122.

2.1.1.2. Yaş Lif Çekimi Yöntemi

Polimer çözeltisinin konsantrasyonu kuru çekime göre düşüktür. Düzeden fışkırtılan elastomer çözeltisi, çöktürme banyosu (organik diamin çözeltisi) içerisinde koagüle olmaktadır. İpliğin hareket yönünün tersine banyo akıntısı ve kademeli olarak çözelti değişimi ayarlanmaktadır. Yaş çekim boyunca çözücü ekstrakte edilirken, filamentler koagüle edilmekte ve istenilen incelik için yalancı bükümle, gruplar halinde banyodan geçirilmektedirler. Tek filament için yaklaşık 0.6-1.7 tex (5-15denye) tercih edilmektedir, ipliğin hızı yaklaşık 100-150 m/dak.'dır. Kurutma, yoğunlaşma ve relaksasyon için ısı adımında lifler bir fırın içinde sevk edilmekte veya geniş, ısıtılmış silindirlerin üzerinden geçmektedir. Bu işlem sadece suyun uzaklaştırılması için değildir, belirgin olarak lif özelliklerini de iyileştirmektedir (Öktem ve ark. 2002).

Yaş çekim prosesi ile elde edilen elastan liflerinin, kuru çekim sistemi ile elde edilenlere nazaran zayıf özellikler göstermeleri ve çekim banyosunda kalan çözücü artıklarının geri kazanımının, düşük konsantrasyon nedeniyle çok pahalı olmasından dolayı bu yöntem günümüzde çok az uygulanmaktadır(Hockenberger, 2006). Şekil 2.4’de yaş yada reaktif lif çekim yöntemi gösterilmiştir.

1) Lif çekim çözeltisi 2) Pompa

3) Filtre 4) Düze

5) Çöktürme Banyosu 6) Yıkama ve Ard Relaksasyon Banyosu 7) Preparasyon 8) Sarma

Şekil 2.4. Yaş ya da Reakif Lif Çekim Yöntemi

KAYNAK: Öktem ve ark., Poliüretan Elastomer Lifler , Tekstil ve Konfeksiyon, Mart 2002, 114-122.

2.1.1.3. Reaktif Lif Çekim Yöntemi (Kimyasal Lif Çekim Yöntemi)

Poliüretan-elastomer makromolekülleri arasında kovalent bağlar oluşturularak, ağ yapısında poliüretan-elastomer lifleri elde edilmektedir. Üretim maliyeti açısından kuru çekimden sonra, ikinci en önemli elastomer lif çekimi prosesidir. Bu yöntem polimerizasyon ve çözücünün geri kazanılmasında ekonomik avantajlar sunmaktadır, fakat banyodan çıkarılan filamentler yumuşak ve kusurlu bir form alabilmektedir. Bu nedenle ancak 10 tex’in altındaki hafif lifler yeterli ve üniform olarak üretilebilmektedir(Öktem ve ark. 2002, Seventekin 2003).

2.1.1.4. Eriyikten Lif Çekimi

Eriyikten lif çekilmesi yöntemi, elastan filamentin hiçbir çözücü kullanılmadan, direk polimerden çekilmesi esasına dayanmaktadır. Günümüzde eriyikten çekilmiş elastomer, kuru çekim elastomerlerin kalitesine ulaşmıştır. Eriyikten lif çekilmesi yöntemi, lif çekimi prosesinde, toksik çözeltiler kullanılmasına ihtiyaç olmadığı için ekolojiktir. Proses müşteri ihtiyaçlarına göre lif ve ipliklerin fiziksel ve tekstil özellikleri çok hızlı ayarlanabileceği maksimum esnekliğe sahiptir. Ayrıca lifler daha yüksek mukavemetlerine bağlı olarak güçlü gerilim-uzama eğrisine sahiptirler.

Şekil 2.5’de eriyikten lif çekim yöntemi gösterilmiştir (Öktem ve ark. 2002, Hockenberger 2006).

1,2) Ön Ürün Ve Dozaj Pompası 3) Karıştırma Kazanı

4) Ön Polimcr Reaktörü 5) Delikli Disk 6) Karıştırıcı

7) Zincir Sınırlandırma

8) Çift Salyangozlu Reaktör 9)Pompa 10) Granulator ve Kurutma

11) Granul Besleme

12) Çift Salyangozlu Ekstruder 13-15)Aditif Hazırlama ve Katma 16 Karıştırıcı 17)Eriyik Dağıtıcı 18) Lif çekim düzesi

19) Gerdirme 20) Bobin Şekil 2.5. Eriyikten Lif Çekim Yöntemi

KAYNAK: Öktem ve ark., Poliüretan Elastomer Lifler , Tekstil ve Konfeksiyon, Mart 2002, 114-122.