I. Özel Mühendislik Plastiklerinin Tanımı
Plastik endüstrisinin önemli bir dalı olan özel mühendislik plastikleri, yüksek genel performansa ve 150°C veya daha yüksek uzun süreli servis sıcaklığına sahip bir mühendislik plastikleri sınıfıdır. Örnekler arasında polifenilen sülfür (PPS), poliimid (PI), polietereterketon (PEEK), sıvı kristal polimerler (LCP) ve polisülfon (PSU) yer alır. Bu plastikler, yüksek sıcaklıktaki ortamlarda mükemmel stabilite sergileyen sert bir omurgaya, yüksek erime noktalarına ve düzenli moleküler zincir düzenlemelerine sahiptir. Özel mühendislik plastikleri, yüksek sıcaklık direnci, korozyon direnci ve aşınma direnci gibi özel performans gereksinimlerini karşılayabilir ve elektronik bileşenlerin, yalıtım malzemelerinin, kimyasal işleme ekipmanlarının ve otomotiv motor parçalarının imalatında kullanılır. Yeni alt uygulamalar keşfedilmeye devam ettikçe, özel mühendislik plastikleri çeşitli endüstrilerde ilgi odağı haline geliyor.
II.Özel Mühendislik Plastiklerinin Sınıflandırılması
Özel mühendislik plastikleri endüstrisi için ana sınıflandırma kriterleri arasında malzeme türü, performans özellikleri ve uygulama alanları yer alır:
1. Polifenilen sülfür (PPS): Mükemmel ısı direnci, kimyasal direnç ve elektriksel yalıtım özelliklerine sahiptir ve otomotiv bileşenlerinde, elektronik cihazlarda, elektrikli cihazlarda ve kimyasal işleme ekipmanlarında yaygın olarak kullanılır.
2. Poliimid (PI): Olağanüstü yüksek sıcaklık stabilitesi, kimyasal direnç ve mekanik mukavemet ile havacılık, elektronik ve otomotiv endüstrileri için yüksek sıcaklık bileşenlerinde yaygın olarak kullanılır.
3. Polietereterketon (PEEK): Mükemmel yüksek sıcaklık stabilitesi, kimyasal direnci ve mekanik özellikleriyle havacılık, tıbbi cihaz ve petrokimya sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
4. Sıvı Kristal Polimer (LCP): Mükemmel boyutsal stabilite, düşük sürtünme ve yüksek frekans özellikleriyle elektronik ambalaj malzemeleri ve mikro bileşenlerin üretiminde yaygın olarak kullanılır.
5. Polisülfon (PSU): Mükemmel sıcaklık direnci, korozyon direnci ve elektriksel yalıtım özellikleriyle kimyasal ekipmanlarda, elektronik bileşenlerde ve tıbbi cihazlarda yaygın olarak kullanılır.
III.Özel Mühendislik Plastiklerinin Araştırma ve Geliştirmesinin Arka Planı
Özel mühendislik plastiklerinin gelişimi öncelikle, o zamanki uluslararası silahlanma yarışının teşvik ettiği yüksek performanslı malzemelere olan talepten, özellikle de yüksek teknoloji alanlarındaki uygulamalara duyulan ihtiyaçtan kaynaklandı. O zamanlar Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki büyük şirketler, bu malzemeleri geliştirme yarışına önemli miktarda mali ve insan kaynağı yatırdılar. 1960'ların başından 1980'lere kadar bu materyaller büyük ölçüde standartlaştırıldı. Aşağıdakiler çeşitli özel mühendislik plastikleridir:
01
Polimid (PI)
Poliimid (PI) ilk olarak DuPont tarafından Amerika Birleşik Devletleri'nde Kapton markası altında geliştirildi ve ticarileştirildi. Camsı geçiş sıcaklığı (Tg) 400°C'nin üzerinde olan amorf bir polimerdir. PI, ana zincirinde imid halkaları (-CO-NH-CO-) içeren aromatik bir heterosiklik polimerdir. Elektrik yalıtımı, mekanik mukavemet, kimyasal stabilite, yaşlanmaya karşı direnç, radyasyon direnci ve düşük dielektrik kaybı gibi mükemmel özelliklere sahiptir; dahası, bu özellikler -269 ila 400°C sıcaklık aralığında büyük ölçüde değişmeden kalır. Şu anda endüstriyel üretimde ısıya en dayanıklı polimer malzemedir ve bu nedenle "21. yüzyılın en umut verici mühendislik plastiklerinden biri" olarak listelenmektedir. PI tekrarlayan birimin yapısal formülü şöyledir:
02
Poliamidimid (PAI)
İlk olarak Japonya'daki Toray Industries, Inc. tarafından Torlon markası altında geliştirilen poliamidimid (PAI), 285°C cam geçiş sıcaklığına (Tg) sahip amorf, termoplastik olmayan bir polimerdir. PAI, imid halkalarının ve amid bağlarının düzenli bir alternatif düzende düzenlendiği bir polimer sınıfıdır. Gücü bugün dünyadaki hiçbir takviyesiz endüstriyel plastikle karşılaştırılamaz; 269°C ısı saptırma sıcaklığı ile 250°C'de üstün mekanik özellikler sergiler. PAI'nin aşınma direnci, kimyasal direnci ve yüksek enerjili radyasyona karşı direnci, performansını daha da olağanüstü hale getirerek onu zorlu çalışma ortamlarında kullanıma son derece uygun hale getiriyor. PAI tekrarlayan biriminin yapısal formülü şöyledir:
03
Polieterimit (PEI)
Polieterimid (PEI) ilk olarak 1970'lerde Amerika Birleşik Devletleri'nde GE tarafından araştırıldı ve geliştirildi. 10 yıl süren pilot üretim ve testlerden sonra 1980'li yıllarda ULTEM markası altında ticarileştirildi. Tg değeri 217°C olan amorf bir polimerdir. İlk iki malzemeden farklı olarak ekstrüzyon kalıplama ve enjeksiyon kalıplama gibi termoplastik teknikler kullanılarak işlenebilen termoplastik bir poliimiddir. PEI tipik olarak amber renginde şeffaftır. Mükemmel yüksek sıcaklık stabilitesi, mekanik özellikler, kimyasal stabilite ve elektriksel özellikler sergiler. Temel özellikleri arasında yüksek mukavemet-ağırlık oranı, 200°C'ye (390°F) kadar mukavemeti koruma, termal oksidasyona karşı uzun vadeli direnç, iyi elektriksel özellikler ve doğal kimyasal direnç ve alev geciktirme yer alır. PEI, buhar ve sıcak suya uzun süre maruz kaldıktan sonra bile özelliklerini korur; bu, güçlü temizlik veya sterilizasyon gerektiren gıda işleme ekipmanları ve tıbbi uygulamalar için büyük bir avantajdır. PEI'de tekrarlanan birimin yapısal formülü şöyledir:
04
Polisülfon (PSU)
Polisülfon (PSU), 1960'ların sonlarında United Carbides Corporation (UCC) tarafından UDEL markası altında başarıyla geliştirildi ve ticarileştirildi. Camsı geçiş sıcaklığı (Tg) 192°C olan amorf bir polimerdir. 1986 yılında UCC, polisülfonun üretim ve satış haklarını Amoco'ya devretti. PSU'nun ana zinciri benzen halkaları içerir ve -SO₂- grubundaki kükürt atomu en yüksek oksidasyon durumundadır; sonuç olarak iyi oksidasyon direnci, mekanik özellikler ve termal stabilite sergilerken eter bağlarının varlığı belirli bir derecede dayanıklılık sağlar. PSU mükemmel elektrik yalıtım özelliklerine sahiptir ve elektrik endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Tıbbi alanda PSU, iyi biyouyumluluğu ve sterilizasyona direnci nedeniyle hemodiyalizörler gibi tıbbi cihazların üretiminde yaygın olarak kullanılır. Gıda işleme sektöründe PSU, yüksek sıcaklığa dayanıklı bazı ekipmanların üretiminde kullanılabilir. Ek olarak PSU'nun havacılık ve elektronik endüstrilerinde bazı uygulamaları vardır. Şu anda ticari olarak temin edilebilen ve nispeten olgun üç tip polisülfon reçinesi bulunmaktadır: bisfenol A tipi polisülfon (PSU), polifenilsülfon (PPSU) ve polietersülfon (PES). PSU'nun tekrarlanan biriminin yapısal formülü şöyledir:
05
Polietersülfon (PES)
Polietersülfon (PES), 1970'lerde İngiliz şirketi ICI tarafından başarıyla geliştirildi ve ticarileştirildi. PES ticari adı altında satılan, cam geçiş sıcaklığı (Tg) 225°C olan amorf bir polimerdir. PES'in moleküler yapısı, ne termal stabilitesi zayıf olan alifatik hidrokarbon birimlerini ne de sert bifenil birimlerini içerir; esas olarak sülfon gruplarından, eter gruplarından ve fenil gruplarından oluşur. Sülfon grupları ısı direnci sağlarken, eter grupları polimer zincirlerine erimiş durumda iyi bir akışkanlık vererek kalıplamayı ve işlemeyi kolaylaştırır. PES mükemmel ısı direncine, fiziksel ve mekanik özelliklere ve elektriksel yalıtım özelliklerine sahiptir. Yüksek sıcaklıklarda sürekli olarak kullanılabilir ve hızlı sıcaklık değişimlerine maruz kalan ortamlarda istikrarlı performansını korur. Çoğu kimyasal ortamın korozyonuna karşı dayanıklıdır; polietersülfon suda hidrolize uğramaz, ancak eser miktarda nem emilimi hafif plastikleşmeye neden olabilir ve bu da mekanik özelliklerde küçük değişikliklere neden olabilir. Ayrıca polietersülfon kendi kendine sönebilir ve herhangi bir alev geciktirici ilave edilmeden mükemmel alev direnci sergiler. PES elektronik, elektrik, mekanik, otomotiv, tıbbi cihaz ve sıcak su sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüksek ısı saptırma sıcaklığı, yüksek darbe dayanımı ve mükemmel işlenebilirliği birleştiren bir mühendislik plastiği olarak kabul edilmektedir. PES'in tekrarlanan biriminin yapısal formülü şöyledir:
06
Poliarilat (PAR)
Poliarilat (PAR), aromatik polyester ürün ailesi için genel bir terimdir. Başarılı bir şekilde geliştirilen ve ticarileştirilen bu tür ilk ürün, 1970'lerin başında Japon UNITIKA şirketi tarafından U-polimer ticari adı altında yaratıldı. Amorf bir polimerdir; özellikle U-100'ün Tg'si 193°C'dir. PAR, ana zincirinde benzen halkaları ve ester grupları bulunan özel bir mühendislik plastiğidir. Ana zincirdeki yüksek yoğunluktaki aromatik halkalar, 175°C'lik ısı saptırma sıcaklığıyla ısı direncini artırır. Ana zincirde para- ve meta-benzen halka birimlerinin varlığı, polimer kristalleşmesini inhibe ederek amorf, şeffaf bir polimerle sonuçlanır. Şeffaflığı, neredeyse %90'lık ışık geçirgenliğiyle PC ve PMMA ile aynı seviyededir; geniş bir sıcaklık aralığında iyi bir bükülme direnci ve mükemmel sürünme direnci sergiler; hava koşullarına karşı olağanüstü bir dirence sahiptir, 350 nm'nin altındaki UV ışınımını engeller ve uzun süreli dış mekan koşullarında temelde değişmeyen mekanik özelliklerini korur; kendi kendine söner, yanarken minimum düzeyde duman üretir ve toksik değildir. PAR, mükemmel ısı direncine sahip polimerik bir malzemedir; yapısal formülü ve sentez yöntemleri uygulama gereksinimlerine bağlı olarak değişir. Yüksek sıcaklığa dayanıklı elektronik cihazlarda, havacılık ve otomotiv endüstrisine yönelik bileşen ve parçalarda kullanılabileceği gibi tıbbi cihazlarda da yaygın olarak kullanılır. Birçok endüstriyel sektördeki uygulamaları, özel bir mühendislik plastiği olarak önemli değerini ortaya koymaktadır. PAR'ın tekrarlanan biriminin yapısal formülü şöyledir:
07
Polifenilen Sülfür (PPS)
Polifenilen sülfür (PPS) ilk olarak 1970'lerde Philips tarafından Amerika Birleşik Devletleri'nde Ryton markası altında geliştirildi ve ticarileştirildi. Camsı geçiş sıcaklığı (Tg) 88°C ve erime noktası (Tm) 277°C olan kristalli bir polimerdir. PPS, benzen halkaları ve kükürt atomlarının alternatif düzenlemesinden oluşur ve ona düzenli bir yapı ve 285°C'ye kadar erime noktasıyla birlikte %75'e varan yüksek kristallilik kazandırır. Benzen halkaları PPS'ye iyi bir sertlik ve ısı direnci sağlarken, sülfit bağları belirli bir derecede esneklik kazandırır. PPS mükemmel ısı direnci, alev geciktirici, elektrik yalıtımı ve korozyon direnci sergiler. Termal kararlılık, mekanik dayanıklılık ve elektriksel performans gibi kapsamlı özellikleri, 220°C'ye kadar yüksek sıcaklıklara uzun süre dayanabilmesini sağlar. Sonuç olarak PPS, polikarbonat (PC), polyester (PET), polioksimetilen (POM), naylon (PA) ve polifenilen oksitten (PPO) sonra "dünyanın altıncı en büyük mühendislik plastiği" olarak selamlanıyor. PPS'de tekrarlanan birimin yapısal formülü şöyledir:
08
Polietereterketon (PEEK)
Polietereterketon (PEEK) ilk kez 1970'lerde İngiliz şirketi ICI tarafından başarıyla geliştirildi ve ticarileştirildi. ICI, PEEK'i başarıyla sentezledi ve 1978'de pazarlamaya başladı; o zamandan beri Victrex markası altında satılmaktadır. Ticari adı PEEK'tir. Camsı geçiş sıcaklığı (Tg) 143°C ve Tm = 334°C olan kristalli bir polimerdir. PEEK, ana zincir yapısında bir keton bağı ve iki eter bağı içeren tekrarlanan birimlerden oluşan, kristalimsi, ultra yüksek sıcaklıkta termoplastik bir polimerdir. Polietereterketonun moleküler yapısı, ona mükemmel yüksek sıcaklık performansı, mekanik özellikler, elektriksel yalıtım, alev geciktirme, radyasyon direnci ve kimyasal direnç sağlayan sert benzen halkaları içerir. PEEK'in erime noktası (Tm) 340°C kadar yüksektir; bu yüksek erime noktası PEEK'e olağanüstü yüksek sıcaklık direnci sağlar. Fiber takviyeli PEEK'in ısıl sapma sıcaklığı 315°C'ye kadar çıkabiliyor, uzun süreli sürekli servis sıcaklığı (UL946B) 260°C'ye ulaşabiliyor ve kısa süreli ısı direnci ise 300°C'ye kadar çıkabiliyor. 260°C'de 5.000 saatlik kullanımdan sonra bile mukavemeti başlangıçtaki durumuna göre neredeyse hiç değişmeden kalır ve mükemmel termal stabilite sergiler. Sonuç olarak PEEK zorlu ortamlarda uzun bir hizmet ömrüne sahiptir. PEEK'te tekrarlanan birimin yapısal formülü şöyledir:
