Fiziksel köpük ajanları

Fiziksel köpük ajanları, sıkıştırılmış-inert gazlar ve uçucu gaza dönüşebilen düşük kaynama noktalı sıvılar olmak üzere iki ana gruba ayrılır [12, 168]. Uçucu gaza dönüşebilen sıvılar, köpük yapıcı gazı üretmek için polimerin proses şartlarında buharlaştırılan sıvılardır [146]. Uçucu gaza dönüşebilen sıvılar hem doğal olarak meydana gelebilir hem de insan yapımı olabilir. Köpük yapımında, doğal olarak meydana gelen uçucu gaza dönüşebilen sıvılar arasında en yaygını kullanılanı su’dur. İnsan yapımı olanlarda ise sınıflandırmanın birkaç yolu vardır. En yaygın olanı hidrokarbon’ların var olmasıdır. Alifatik veya lineer zincirli hidrokarbonlar, klor-karbonlar ve klor-flor-hidroklor-karbonlar olmak üzere üç genel sınıflandırma yapılabilir [171]. Alifatik hidrokarbonlar, bütan ve pentan gibi malzemelerdir fakat hekzan ve heptan gibi daha yüksek kaynama noktalı hidrokarbonları da içerir. Bu malzemeler oda sıcaklığında sıvı haldedirler. Bu yüzden kolaylıkla taşınabilir. Çok fazla çevreye etkileri mevcut değildir, pahalı değildirler ve kolaylıkla elde edilebilirler [103]. Diğer uçucu gaza dönüşebilen sıvı türü metil klorür ve metilen klorür gibi klorlu hidrokarbonlardır. Mevcut klorlu hidrokarbon çeşitlerinin birçoğu zararlı, sinir sistemini etkilediği ve zehirli oldukları için köpüklendirme işleminde fazla tercih edilmezler.

Diğer bir uçucu gaza dönüşebilen sıvı türü ise, CFCs olarak bilinen Triklorflormetan ve diklorflormetan gibi klor-flor-karbonlar’dır. CFC’ler ilk olarak 1928 yılında Thomas Midgley tarafından, zehirli soğutkanların yerine kullanmıştır. 1950’lerden sonra, CFC-11, poliüretan köpüklerin üretiminde geniş bir şekilde uygulanmıştır [138]. Klorflorkarbonlar, kimyasal olarak kararlıdır ve düşük yanmazlık, düşük zehirlilik, düşük difüzyon katsayısı ve kokusuz olmaları gibi özelliklere sahiptir [237]. CFC’lerin düşük difüzitesi, yüksek genleşme oranı elde etmek için hücre büyümesinin kontrol edilebilmesinde olağanüstü avantajlar sağlar ve gaz kaçışını engellemek daha kolaydır.

CFC’lerin bu avantajlarının yanında çevresel olarak zararlı malzemelerdir. Tamamıyla-halojenleştirilmiş CFC’ler atmosferde kararlıdırlar (stratosfere göç ederek parçalayabilirler) ve ozon tabakasını tüketen klor radikallerini serbest bırakırlar. CFC’lerin atmosfer ortamına serbest kalması, küresel ısınmayı artırdığı ve ozon tabakasına zarar verdiği bulunmuştur [12, 237, 238]. Bu yüzden, CFC’lerin kullanımı, 1987 yılında “Montreal Protokolü” ve 1992 yılında “Kopenhag Değişiklikleri” gereği yasaklanmıştır [12, 238].

Nitrojen, hava ve karbon dioksit, en fazla kullanılan inert gazlardır. Bu gazlar, polimer içerisinde, basınç altında çözünürler ve basıncın serbest kalması ile köpük malzeme üretilir. Enjeksiyon kalıplama ile köpük üretiminde nitrojen kullanımı daha yaygındır. Nitrojen yüksek basınç altında sisteme enjekte edilir. Basınç azaldığı zaman, gaz, polimer içerisinde daha az çözünmeye başlar ve hücreler şekillenir [138, 232]. Diğer mevcut inert gazlar ise hava, oksijen, argon, helyum, amonyak ve hidrojendir. Amonyak (NH3) yüksek korozyon ve zehirlilik özellikleri nedeniyle tercih edilmez. Hidrojen yüksek yanıcılığa sahiptir ve kullanımı için özel güvenlik tedbirleri gerekir [238]. Ayrıca, hidrojen çok tehlikelidir ve patlayabilir. Havada bulunan oksijen birçok polimerin ergime sıcaklığında zararlıdır ve proses ekipmanlarında oksidasyona sebep olur [146, 238].

Klor ve flor esaslı fiziksel köpük ajanları günümüzde belirli çevresel düzenlemelere bağlıdır ve birçoğunun kullanımı ya kısıtlanmıştır ya da yasaklanmıştır. İnert gazlar ise oldukça ucuz, zehirsiz, yanmaz ve sıfır ozon boşaltma potansiyeline sahiptirler.

İnert gaz köpük ajanları, uzun-zincirli (hidrokarbonlar) köpük ajanlarından daha düşük çözünürlüğe, daha yüksek uçuculuğa ve difüziteye sahiptirler. Ancak, gazın sisteme eklenmesi için özel yüksek-basınç aparatları kullanmak ve proses makinesini modifiye etmek gerekir. Karbon dioksit (CO2) ve Nitrojen (N2) gibi alternatif inert gaz fiziksel köpük ajanları, ozon tabakasını tüketmedikleri için çevre dostudur ve ekstürüzyon-enjeksiyon gibi köpük kalıplama proseslerinde kullanılmaktadır [231, 235].

− Nitrojen (N2):

Polimer köpük üretiminde geniş bir şekilde kullanılan nitrojen, ucuz, çok kolay elde edilebilir, zehirsiz, yanmaz, polimerden katı artık bırakmadan ayrılır, sıcaklık sınırlaması yoktur ve çevre dostudur. Nitrojen, non-polardır ve polimer ergiyigi içerisinde kolaylıkla etkisiz hale getirilir. Ayrıca düşük moleküler ağırlığı ile düşük moleküllüdür. Ancak, nitrojen, düşük kritik sıcaklığa ve basınca sahip olmasına rağmen birçok polimerde, çözünen karbon dioksitin yaklaşık %25 i kadar çözülebilir [146, 238].

− Karbon dioksit (CO2):

Karbon dioksit (CO2), zehirsiz, çevresel olarak tehlikesiz, yanmaz, kimyasal olarak kararlı ve ekonomik açıdan düşük maliyetlidir [37, 132]. Sistemde, çekirdekleyici ajan kullanılmadan, çok sayıda kabarcığın oluşmasına yardımcı olur [166]. CO2, diğer inert gazlar ile karşılaştırıldığında polimer ergiyik içerisinde oldukça düşük çözünürlük, yüksek difüzite ve yüksek çekirdeklenme kabiliyeti gösterir [37, 141, 146, 238].

Karbon dioksit ve nitrojen gazları karşılaştırıldığında, karbon dioksit, nitrojene göre, birçok polimer içerisinde daha yüksek çözünürlüğe sahiptir. Bu durum, polimer köpüklerin üretiminde CO2’ye büyük avantaj sağlar. CO2’nin difüzitesi, CO2

moleküllerinin daha küçük moleküler boyutta olması sebebiyle, N2’den daha düşüktür [81]. Ancak, diğer fiziksel köpük ajanlarına (CFC, HCFC, izopentan ve bütan gibi uzun-zincirli köpük ajanları) göre daha yüksek-hızlı olan difüzite,

genleşme süresince hücre duvarlarının kalınlığını azaltarak köpük malzemeden gazın hızlı bir şekilde kaçmasına sebep olur [32] ve elde edilebilecek maksimum genleşme oranı azalır [22]. Tablo 5.5’de karbon dioksit ve nitrojen gazlarının özellikleri verilmiştir [81, 89].

Tablo 5.5. Karbon dioksit ve nitrojen gazlarının özellikleri [81, 89]

Gösterim Formül ^{Moleküler Ağırlık} (g/mol) Kaynama Noktası, oC Sıvı Özgül Ağırlık (20oC’de su: 1.0) Nitrojen N2 28.01 195.81 0.807 Karbondioksit CO2 44.01 -78.4 1.52

CO2 gazının taşınması önemli bir sorundur çünkü CO2 düşük kritik noktaya sahiptir. 31.0^oC ve 7.38MPa’ın yukarısında sıvı gibi yoğun ve gaz gibi difüzite özellikleri ile kolaylıkla süper kritik duruma ulaşır [171, 239]. 1990’dan beri, skCO2 olarak gösterilen süper kritik CO2 gazı ile polimer malzeme arasındaki etkileşim, polimer içinde çözünen gazın çözünürlüğüne ve difüzitesine bağlıdır. Gazın çözünürlüğü, hücrelerin çekirdeklenmesinde ve köpüğün final hücre karakterizasyonunda etkilidir. Gazın difüzyonu ise polimer malzemede meydana gelen hücre büyümesini kontrol eder [240]. skCO2, diğer inert gazlar ile karşılaştırıldığında polimer ergiyik içerisinde oldukça yüksek çözünürlüğe sahiptir. Bu durum yüksek çekirdeklenme kabiliyetine sebep olur. Ayrıca, birçok amorf polimer içerisinde plastize olduğu ve genleştiği bilinmektedir. Polimer matrisin yüzey gerilimini ve camsı geçiş sıcaklığını azaltır. Gaz bozunma adımını tamamlamak için gerekli zaman daha kısa olacaktır. Tüm bu avantajlar, skCO2’nin polimer köpük üretiminde fiziksel köpük ajanı olarak kullanılmasını sağlamaktadır [29, 85]. Bu avantajları ile skCO2, PMMA, PP, PS, PC, YYPE, PET ve PEI gibi polimerlerin köpüklendirilmesinde kullanılmıştır [80, 107, 118, 132].