Ergiyik (köpük) sıcaklığı

Ergiyik sıcaklığı, hem ergiyik viskozitesini hem de köpük ajanının termal olarak bozunması sonucu açığa çıkan gazın miktarını etkilediği için ekstrüzyon köpüklenme prosesinde en önemli değişkenlerden birisidir.

Ergiyik sıcaklığı çok düşük olduğunda, ergiyik viskozitesi artmakta ve polimer ile köpük ajanının tam olarak karışımı ve dağılımı zorlaşmaktadır. Aynı zamanda, düşük ergiyik sıcaklığında ergiyiğin yüksek rijitliği, başlangıçtaki hücre büyüme oranını yavaşlatmakta ve ergiyiğin çok hızlı kristallenmesi sonucu köpük prosesi süresince hücre büyümesini durdurmaktadır. Bu durum ise genleşme oranının yeteri kadar yüksek olmasını engellemektedir. Eğer, ergiyik sıcaklığı çok yüksek ise polimer kalıptan çıkmadan önce gaz yüklü ergiyigin kararlı hale gelmesi için sıcaklık azaltılmalıdır. Çözünmüş köpük ajanı içeren polimer ergiyik kalıba gönderilmeden önce soğutma cihazları kullanılarak düşük sıcaklıklar elde edilebilmekte ve ergiyik üniform bir şekilde soğutulabilmektedir. Soğutma işlemi hem sistem içerisine hem de sistem dışarısına yerleştirilen cihazlar vasıtasıyla kontrol altına alınabilmektedir. Sistem içerisindeki soğutma işlemi homojenleştirici statik mikserden oluşan ısı

değiştiricileri kullanılarak yapılabilirken sistem dışındaki soğutma işlemleri yüksek basınçlı gaz veya soğuk su kullanılarak gerçekleştirilebilmektedir [36].

Şekil 6.17'de köpüklenme sıcaklığına bağlı olarak kalıp çıkışındaki köpük morfolojisi verilmiştir. Yüksek sıcaklıklarda, köpüğün kesiti aniden genleşmekte ve daha yüksek başlangıç açısına (θ) sahip olmaktadır. Bu açı, proses sıcaklığının azalması ile azalmaktadır. Optimum proses sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda ise köpüklenme engellenmekte ve (θ) aşırı derecede azalmaktadır [261].

Şekil 6.17. Köpüklenme sıcaklığına bağlı olarak köpük morfolojisi [261]

Düşük yoğunluklu mikrohücresel köpüklerin üretiminde meydana gelen ve köpükte düşük genleşme oranı ile sonuçlanan hücre çökmesi (büzülmesi) engellenmelidir. Bu durum, polimer ergiyik yüksek sıcaklıkta iken köpük ajanının (CO2 gazı) atmosfere kaçması ile meydana gelmektedir. Yüksek ergiyik sıcaklığında, hücre büyümesi adımı süresince meydana gelen gaz kaçışı ve sonuçta köpüğün büzülmesi Şekil 6.18'de gösterilmektedir. Görüldüğü gibi ekstrude edilen köpük, çekirdeklenen

hücrelerin büyümesinin çok hızlı olması ile ilk önce genleşmekte daha sonra ise büzülmektedir. Maksimum genleşme, nozul çıkışının çok yakında meydana gelmektedir. Başlangıçta genleşen köpüğün hücre çapı final köpüğünkinden daha büyüktür. Başlangıçta meydana gelen hacimsel genleşme oranı çok yüksektir ve bu aşamada genleşen hücrelerin şekli ince hücre duvarları ile polyhedral (çok yüzlü)'dür.

Şekil 6.18. Gaz kaçışı ve köpüğün büzülme mekanizması [36]

Artan sıcaklıkta köpük ajanının difüzitesi yükselmekte ve dolayısıyla köpükten kolaylıkla kaçmaktadır. Köpük ajanının çoğunluğu çekirdeklenen hücrelere difüze olmak yerine atmosfere difüze olma eğilimindedir. Yüksek sıcaklıkta bir hücreden diğer hücreye gaz difüzyon oranı da çok yüksektir. Ancak, hücrelere difüze olan gaz da, sonunda atmosfere difüze olmaktadır. Bu sebeple polimer içerisinde çözünen köpük ajanının çoğunluğu kaybolmaktadır. Sonuçta meydana gelen hücre çökmesi, hücre yoğunluğu ve genleşmenin çok düşük olmasına sebep olmaktadır [36, 38, 257, 261]. Yüksek hacimsel genleşme oranı elde etmek için gaz kaçışı mutlaka engellenmelidir [36].

Ergiyik sıcaklığının azaltılması ile gaz difüzyon oranı azaltılabilmekte ve donmuş kabuk tabakası [101] gazın kaçışını engelleyebilmektedir. Böylelikle, kabarcık büyümesi yavaşlamakta ve genleşme, Şekil 6.19'da görüldüğü gibi nozul çıkışından uzakta elde edilebilmektedir. Bu sayede, köpükte genleşme sonrası büzülme görülmeyecektir [36].

Şekil 6.19. Düşük sıcaklıkta köpüğün genleşme mekanizması [38, 101]

Ekstrüzyon köpük prosesinde hücre büyümesi süresince, hücreler çok yüksek oranda genleştikleri zaman, bitişik hücrelerin birleşme eğilimi vardır (Bkz. Şekil 6.18). Genleşme meydana geldiğinde, hücre duvarları bitişik hücreleri bölerek hücreleri ince hale getirmekte ve bu hücreler kırılarak birbirine bağlanmaktadır. Hücre birleşmesi nedeniyle hücrelerin yüzey alanı azalacağından toplam serbest enerji azalacaktır. Hücrelerin şekillenmesi süresince oluşan kayma alanı çekirdeklenen kabarcıkları uzatma eğilimindedir ve bu durum hücre birleşmesini daha da hızlandırmaktadır [127]. Hücre birleşmesini önlemek için yazarlar tarafından çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Behravesh ve Park [262] ergiyik sıcaklığının azaltılması ile polimerin ergiyik dayanımı artırılarak hücre birleşmesinin önlenebileceğini belirtmişlerdir. Ergiyik dayanımını artırmak için plastik/gaz çözeltisi homojen olarak soğutularak hücre birleşmesi engellenmiştir. Gaz kaçışı ise köpüğün yüzeyi soğutularak oluşturulan katı kabuk tabakası ile kontrol edilmiştir. Bu metot ile üretilen PS köpük ürünlerde 40 kat genleşme ve 5x10⁹ hücre/cm³ hücre yoğunluğu elde edilmiştir [257].

Tüm hacim boyunca hücre birleşmesini engellemek ve yüksek hücre yoğunluğu elde etmek için polimer ergiyiğin üniform soğutulması gerekmektedir [101]. Şekil 6.20'de soğutma suyu sıcaklığına bağlı olarak PP köpüklerde köpüklenme derecesinin değişimi gösterilmektedir. Soğutma suyu sıcaklığının artmasıyla köpüklenme verimi azalmıştır. Extrude edilmiş köpüğün yüzeyinde etkili olan soğuma nedeniyle gaz kabarcıkların köpük yüzeyinden dışarı çıkması engellenerek, köpüklenme derecesinin artmasında soğuma suyunun düşük sıcaklığı önemli rol oynamıştır [253].

Şekil 6.20. Soğutma suyu sıcaklığına bağlı olarak ekstrude PP'nin köpüklenme verimi (Vida hızı: 50rpm, Ergiyik sıcaklığı: 200oC) [253]

Ekstrüzyon köpük yönteminde, kalıp çıkışında hücre birleşmelerini önlemek için ergiyik sıcaklığının yanında kalıp sıcaklığının da dikkate alınması gerekliliği geniş bir şekilde araştırılmıştır [37]. Köpüklenme prosesinde özellikle kalıp sıcaklığının kontrol edilmesi oldukça önemlidir. Bunun sebebi, köpük ajanı kaybının kalıp sıcaklığı ile ilişkili olmasından kaynaklanmaktadır. Kalıp sıcaklığının yüksek olması genleşme süresince köpük ajanının sıcak kabuk tabakasından kaçışını etkilemektedir [38]. Köpükten gaz kaçışını engellemek için, kalıp sıcaklığının azaltılması ve köpük kabuğunun soğutulması gerekmektedir [36, 38]. Ancak, kalıp sıcaklığı aşırı derece düşük olmamalıdır. Ergiyik dayanımı çok yüksek olursa, kabarcıkların büyüme oranı engellenebilir. Aynı zamanda, çok düşük kalıp sıcaklığı köpüklenme prosesine zarar verebilmekte ve akıcılık zayıflayarak ergiyik kırılmaları meydana gelebilmektedir [160]. Park ve arkadaşları [38], CO2 köpük ajanı ile yüksek darbe dayanımlı polistirenin köpük morfolojisi üzerine hem ergiyik sıcaklığı hem de kalıp sıcaklığının etkilerini incelemişlerdir. Köpüklenme sıcaklığı yüksek olduğunda (170^oC), kalıp sıcaklığı ne olursa olsun hücre birleşmesi artmış ve hücre boyutu üniform olmayan hale gelmiştir. Orta köpüklenme sıcaklığı (150^oC) kullanıldığında, yüksek kalıp sıcaklığında (175^oC) hücre morfolojisi kısmen açık yapıda iken; orta kalıp sıcaklığında (135^oC) oldukça yüksek oranda açık hücre yapısı ve düşük kalıp sıcaklığında (110^oC) üniform kapalı hücre yapısı elde edilmiştir. Benzer sonuçlar YYPE/CO2 sisteminde de elde edilmiştir. Hücre birleşmesinin, hem köpüklenme

sıcaklığına hem de kalıp sıcaklığına bağlı olduğu bildirilmiştir. Hücre birleşmesini azaltmak için köpüklenme sıcaklığının yeteri kadar düşürülmesi gerektiği belirtilmiştir. Yazarlar, hücre birleşmesini azaltmak ve yüksek hücre yoğunluğunu korumak için köpüklenme sıcaklığının azaltılarak ergime dayanımının gelişeceğini tartışmışlardır.

Naguib [261] ise farklı proses şartlarında ekstrude edilmiş köpüğün genleşme olayını incelemiştir. Çalışmada, PP köpüklerin hacimsel genleşmesindeki temel mekanizmaları tanımlanmıştır. Fiziksel köpük ajanı ile ekstrude edilen köpüğün hacimsel genleşmesinin, Şekil 6.21'de gösterildiği gibi ya gaz kaybından ya da polimerin kristalizasyonundan etkilendiği belirtilmiştir. Proses sıcaklığının çok yüksek olması durumunda, polimerin katılaşma zamanının çok uzun olacağını ve diğer yazarların da belirttiği gibi çekirdeklenen hücrelere difüze olan gazın köpükten kaçabileceğini belirtmiştir. Naguib [261], yarı kristalin polimerlerde, genleşme oranını etkileyen kristallenme davranışını da detaylı olarak açıklamıştır. Yarı-kristal polimerler için, soğuma süresince polimer ergiyiğin kristalizasyon momentinde katılaştığını belirtmiştir. Bu yüzden, PP’nin köpüklenme prosesinde, köpük yapısının kristalizasyon sıcaklığında donacağını bildirmiştir. Polimer matriste çözünen köpük ajanı, çekirdeklenen hücrelere tamamıyla difüze olmadan önce kristalizasyon (veya katılaşma) meydana gelirse köpüğün tamamen genleşemeyeceğini belirtmiştir. Bu yüzden, PP köpüklerde maksimum hacimsel genleşme oranı elde etmek için kristalizasyon, çözünen gazın tamamı çekirdeklenen hücrelerden dışarıya difüze olmadan önce meydana gelmemelidir. Proses sıcaklığı kristallenme sıcaklığına yakın olduğunda ise ergiyik haldeki polimerin, köpüğün tamamıyla genleşmeden çok hızlı bir şekilde soğuyacağını ve sonuçta hacimsel genleşmenin azalacağını belirtmiştir [87, 261].

Şekil 6.21. Gaz kaybı ve kristalizasyona bağlı olarak hacimsel genleşme oranındaki değişim [261]

Şekil 6.21’in orta kısmı, maksimum genleşme elde etmek için optimum proses sıcaklığını göstermektedir. Proses parametrelerinin kristallenme üzerine etkisine ek olarak, katkılar ve malzeme parametreleri de kristalizasyon sıcaklığının değişmesine neden olmaktadır. Şekil 6.22’de hacimsel genleşme oranı üzerine bu parametrelerin etkileri verilmektedir [261].

Şekil 6.22. Hacimsel genleşme oranı üzerine farklı parametrelerin etkileri (Tc: kristallenme sıcaklığı, D: Difüzite) [261]

Ergiyik sıcaklığına bağlı olarak ergiyik dayanımındaki değişim de hücre birleşmesini ve hücre çökmesini etkilemektedir. Ergiyik dayanımı, köpükte hacimsel genleşme meydana geldiğinde, hücre duvarlarının akışa karşı gösterdiği direnç olarak

tanımlanmaktadır [38]. Bir hücreden diğer hücreye difüzyon yoluyla köpükten gaz kaçışı meydana geldiğinde, hücreleri bölen hücre duvarının sıcaklığı ve kalınlığı, gaz kaçış oranının belirlenmesinde önemlidir. Hücreler büyüdüğünde, hücre duvar kalınlığı azalmaktadır. Aynı zamanda, gazın genleşmesi ve kalıp çıkışında konveksiyon yoluyla soğuma nedeniyle hücre duvarının sıcaklığı da azalmaktadır. Eğer hücre büyümesi çok hızlı ise ince hücre duvarları meydana gelmekte ve hücre duvarlarının sıcaklığı hala yüksekken, gaz, sıcak ince hücre duvarları sayesinde çok hızlı bir şekilde kaçmaktadır [38]. Bunun sonucunda, hücrelerin büyümesi için mevcut gazın miktarı azalmaktadır. Eğer hücreler dondurulmazsa, hücreler çökme eğilimine girmekte ve köpük büzülmesi meydana gelmektedir [32]. Gazın kaçışını engellemek için gerekli olan hücre duvarının sağlamlığı (kalınlığı), ergiyik dayanımının artırılması ile artırılabilmektedir [36, 38, 87].