Polimerler genel olarak yarı kristal ve amorf olmak üzere iki ana gruba ayrılabilir (tam kristal olan polimerler yok gibi kabul edilebilir). Yarı kristal polimerler hepimizin bildiği Polipropilen, Polietilen, Poliamid, Poliesterler (PET, PBT vb...); amorf plastikleri ise ABS, PVC, PC gibi polimerlerdir. Polimerlerin özelliklerini anlatırken bu iki grubu farklı değerlendirmekte fayda var.

İlk olarak yarı kristal polimerler ile başlayalım, örnek olarak da Polipropilen (PP) üzerinden gidelim.

Molekül Ağırlığı-Akışkanlık(MFR)

Polimerlerin de diğer tüm maddelerin olduğu gibi bir kütlesi vardır, ancak diğerlerinden farklı olarak polimerlerde ortalama mol kütlesinden (molekül ağırlığı) bahsedilir. Çünkü polimerler farklı molekül ağırlıklarına sahip ya da başka deyişle farklı zincir uzunluklarındaki yapıtaşlarından oluşur, dolayısı ile de mol kütlesi hesaplanırken, her bir zincirin molekül ağırlığının toplamının zincir sayısına bölümü, yani ortalama molekül ağırlığı dikkate alınır.

Molekül ağırlığının en kolay anlaşılabilir etkisi belki de MFR (melt flow rate) yani plastik hammaddenin makinede ne kadar kolay aktığıdır. Molekül ağırlığı arttıkça yapıdaki karmaşa arttığından akış düşmekte ve malzeme daha zor bir şekilde proses edilebilmektedir, yani daha düşük MFR değerleri elde edilir. Bununla beraber elde edilen nihai plastik ürünün darbe mukavemeti, dayanıklılığı da artar. Kullandığınız plastik hammaddenin bilgi sayfasındaki MFR değerine bakarak, üreteceğiniz plastik parçanın dayanıklılığını ve darbe mukavemetini tahmin edebilirisiniz. Molekül ağırlığı düştükçe ya da MFR arttıkça; yüksek MFR’lı polimer daha küçük zincirlerden oluştuğu için daha çabuk erimekte ve daha akışkan olmaktadır. Bununla beraber malzeme darbe mukavemeti daha zayıftır. Ancak küçük zincirlerin baskın olduğu ortam daha az kompleks ve kristallenme miktarı (zincirlerin paketlenebilme özelliği) daha fazla olduğundan malzemelerin sertliği genel olarak daha fazladır (flexural modulus veya rigidity). Malzeme çok akışkan olduğundan düşük sıcaklıkta işlenebilmekte ve aynı kalıp sıcaklığında daha çabuk soğumakta ve dolayısı ile akışkan haldeki polimerin kalıpta tekrar kristallenmesine çok olanak vermediğinden çekme de daha az olmaktadır (tüm polimerler eridiğinde düzensiz bir hal alır, yani amorf olur ve soğuduğunda orjinal yapısına dönmek ister. Yani polimer kristal ise kristallenerek daha kompakt bir hacim almak ister, ve böylece hacmi azalır; böylece plastik kalıp içinde hacim kaybeder, başka deyişle çeker). Erimiş plastik kalıpta ne kadar çabuk soğutulursa polimerin kristallenmesine yani paketlenmesine fırsat vermeden düzensiz yani amorf hali ile katılaşması sağlanır. Daha az kompak haldeki plastik daha az hacimden kaybeder yani daha az çeker.

Molekül Ağırlık Dağılımı

Daha önce de bahsedildiği gibi, polimerlerde tek bir molekül ağırlık değil ortalama bir molekül ağırlık vardır. Bu molekül ağırlığının dağılımı da önemlidir. Yani zincir uzunluklarının birbirine oranı gibi düşünülebilir. En düşük değer “1” dir (yani tüm zincirler aynı boyda). Molekül ağırlık dağılımı, MWD (molecular weight distribution) “1” den ne kadar büyük olursa, ortamda küçük ve uzun zincirler o kadar fazladır (ortalama değerden sapma o kadar fazladır); teknik olarak MWD= Mw/Mn (weight average molecular weight/number average molecular weight) ifade edilir. Düşük zincirler proses esnasında lubrikant (iç kaydırıcı) gibi davranıp akışı kolaylaştırırken uzun zincirler de mukavemeti belirlerler. Küçük zincirlerin nispeten fazla olması, kolay kristallenebilen zincirlerin fazla olmasını dolayısı ile malzemenin nispeten daha sert olmasına yol açar. Zincir uzunluklarının birbirinden çok farklı olması farklı büyüklükte ve yapıda kristal yapıların oluşmasına yol açarken küçük zincirler zayıf nokta gibi davranıp darbe mukavemetinin düşmesine yol açar; yani üzerlerine yük bindiğinde yeteri kadar mukavim olamazlar. Özet olarak aşağıdaki figür dikkate alınabilir. Narrow (dar) molekül ağırlık dağılım “1”’e yakın, broad (geniş) molekül ağırlık dağılımı ise “1” den çok daha büyük dağılımlar için kullanılır.

Hammadde bilgi sayfalarında MFR@21,6kg / MFR@5kg oranı da bize çok kabaca molekül ağırlık dağılımı açısından değer vermese de karşılaştırma açısından fikir verir. Yani bu oranı büyük olan polimer diğerine oranla daha geniş bir molekül ağırlık dağılımına sahiptir.

Yoğunluk

Yoğunluk bildiğimiz gibi kütle/hacimdir. Polimerler için ise d= Mn/v'dir ki bu denklemde Mn;number average molecular weight, v ise spesifik hacimdir. Spesifik hacim de mikro düzeyde düşünülecek olursa; bir zincirin ne kadar hacim kapladığı olarak düşünülebilir. Yani bir zincir ne kadar düz ve basit yapılı ise (dallanma olmaması) ve ne kadar kolay kristallenebilirse (ne kadar kolay paketlenebilirse) o kadar az hacim kaplayacaktır. Yani teknik olarak molekül ağırlığı, dallanma oranı, taktisitesi, zincirler arası etkileşim kuvveti (Van der waals kuvveti mi etkin, H bağı mı, dipole-dipole bağı mı?) vs gibi etmenler spesifik hacime etki ettiğinden aynı zamanda yoğunluk için de önemlidir. Yani Polietilen için düşünecek olursak, yüksek yoğunluklu polietilen aslında her bir zincir ortalama (diğer polietilenlere göreceli olarak) birim molekül ağırlığı başına daha az yer kaplamaktadır. Çünkü daha kristal bir yapıya sahiptir ve dolayısı ile daha serttir. Daha kompakt yapılarından ötürü çizilmeye karşı dayanımları nispeten daha yüksek olup daha iyi bir bariyer özelliğine sahiptir. Ancak kırılgan olduklarından çevre şartlarına dayanımları ve çentikli darbe mukavemetleri de daha düşüktür.

Proses Şartları;

Özellikle enjeksiyon için;

Tabi tüm bunlara ilaveten kullanılan plastik hammadenin formülasyonu, katkı malzemeleri(nucleating agent , kauçuk içeriği, comonomer tipi, yüzdesi vs) ve diğer proses parametreleri(enjeksiyon basıncı, ütüleme basıncı ve süresi, geri basınç vs.) gibi bir çok farklı unsur etkileşim halinde olduğundan kullanılan hammadde ve tabiki makine üreticisine danışmakta fayda vardır. Yukarıda yazılı bilgiler sadece genel bir bilgi vermekte olup yukarıda yazılı olan içerikle ilgili olarak sorumluluk kabul edilmemektedir.

Kaynakça:

1- Polypropylene Handbook, Basell Publications, 2nd Edition by Nello Pasquini

2- Injection Moulding Handbook, 2nd Edition by Donald V.Rosato and Dominic V. Rosato