Plastiklerde erime sıcaklığı ile kalıplama süreci arasındaki ilişkiye bakıldığında, kalıplama koşulları plastiğin türüne (amorf veya yarı kristalin), termal özelliklerine ve viskozitesine bağlı olarak değişir. Erime sıcaklığı, plastiğin eriyik hale geçtiği kritik sıcaklıktır ve kalıplama işlemi sırasında bu sıcaklık, plastiğin işlenebilirliğini, akışkanlığını ve nihai ürün kalitesini doğrudan etkiler. Plastiğin erime noktası veya erime sıcaklığı, polimerin kimyasal yapısı ve morfolojik özelliklerine göre belirlenen, katıdan sıvı fazına geçiş yaptığı sıcaklık aralığını ifade eder. Bu özellik, amorf ve yarı-kristalin yapıdaki polimerlerde farklılık gösterir. Bu özellik, plastiğin işleme sürecinde nasıl davranacağını belirleyen önemli bir özelliktir. Plastiklerin erime noktası (Tm) genellikle ısıtıldığında belirli bir sıcaklık aralığında yumuşamaya veya akmaya başladığı sıcaklıktır. Yani kısaca plastiğin katı fazdan erimiş faza geçtiği sıcaklıktır. Bu sıcaklıkta, plastik polimer zincirlerini bir arada tutan moleküller arası kuvvetler zayıflar ve daha serbestçe hareket ederler. Plastiklerin erime noktası, özellikle enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon ve termoform gibi kalıplama yöntemleri başta olmak üzere kritik öneme sahiptir.
Plastiklerde erime sıcaklığı ile kalıplama süreci arasındaki ilişkiye bakıldığında, kalıplama koşulları plastiğin türüne, termal özelliklerine ve viskozitesine bağlı olarak değişir
Amorf ve Yarı-Kristalin Polimerlerde Erime Sıcaklığı
Amorf polimerler (örneğin, polistiren ve polimetil metakrilat), düzensiz moleküler yapıları nedeniyle belirgin bir erime sıcaklığına sahip değildir. Bu tür polimerler, belirli bir sıcaklık aralığında yumuşar. Amorf polimerlerin termal geçiş davranışları, cam geçiş sıcaklığı (Tg) ile tanımlanır.
Polimerlerde cam geçiş sıcaklığı, moleküler hareketlerin ısı ile arttığı veya segmentlerin hareket kabiliyeti kazandığı sıcaklık olarak tanımlanabilir. Bu sıcaklık aralığının altında plastik sert gevrek kırılgandır. Yani polimer zincir hareketliliği oldukça kısıtlı olup polimer Tg’nin altında, sert ve kırılgandır; Tg nin üzerinde ise moleküller daha fazla hareket özgürlüğü kazanır, polimer daha esnek ve kauçuksu bir hal alır. Yarı-kristalin polimerler de ise kristal bölgeler söz konusu olup yapıyı oluşturan zincirler oldukça düzenli bir yapıya sahiptir. Bu plastiklerde belirgin bir erime sıcaklığı (Tm) gözlgörülür. Kısaca Tm sıcaklığı kristalin yapının eriyerek sıvı hale geçtiği sıcaklık olarak tanımlanır. Yarı-kristalin polimerlerde kristalin bölgeler, malzemenin mekanik dayanımını ve kimyasal direncini artırır. Tm sıcaklığında kristal yapı çözülür ve polimer tamamen eriyik faza geçer.
Plastiklerde Geçiş Sıcaklıkları ile İşleme Sıcaklığı İlişkisi
Plastiklerde geçiş sıcaklıkları, polimerlerin termal, mekanik ve fiziksel özelliklerini doğrudan etkileyerek, bu malzemelerin çeşitli uygulamalarda performansını belirler. Geçiş sıcaklıkları, plastiklerin camsı (sert ve kırılgan) veya kauçuksu (esnek ve dayanıklı) özellikler sergilediği sıcaklık aralıklarını gösterir. Bu geçiş sıcaklıkları, polimerin camsı geçiş sıcaklığı (Tg) ve erime sıcaklığı (Tm) olarak iki ana başlıkta incelenir.
“Plastik sektörü, çok hızlı bir şekilde gelişmektedir. Ülkemizde en çok gelişen sektörlerin başındadır. 2023 verilerine göre Türkiye’de plastik hammadde kullanımı 10 milyon tonu aşmıştır."
Geçiş Sıcaklıklarının Sertlik ve Mekanik Mukavemete Etkisi
Polimerler, cam geçiş sıcaklığı (Tg) altında kaldıklarında sert ve kırılgan bir yapıya sahiptir. Bu, mekanik dayanım ve sertlik gerektiren uygulamalarda Tg’nin dikkatle belirlenmesi gerekir.
Örneğin otomotiv parça uygulamalarında yüksek sıcaklıklarda deformasyona dirençli, düşük sıcaklıklarda ise darbe mukavemeti yüksek veya kırılgan olmayan polimerler tercih edilir. ABS ve PC gibi düşük Tg’ye sahip polimerler, otomotiv endüstrisinde mekanik dayanım gerektiren uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Darbe dayanımı gerektiren uygulamalarda ise yüksek Tg’ye sahip polimerler düşük sıcaklıklarda kırılgan hale gelerek darbelere karşı dayanıklılığını kaybeder.
Sıcaklık Dayanımı ve Termal Stabilite
Polimerler, Tg’nin üzerinde kauçuksu ve esnek bir yapı kazanır. Esneklik gerektiren uygulamalarda Tg değeri kritik bir rol oynar. Bu nedenle Ambalaj Malzemeleri üretiminde düşük Tg’li polimerler, özellikle polietilen (PE) gibi, ambalaj ve paketleme endüstrisinde yaygın olarak kullanılır. Çünkü bu polimerlerin düşük sıcaklıklarda esnekliklerinin korunması gerekir. Lastik ve conta malzemelerinin kullanımı söz konusu ise bunlarda Tg’nin altında çalışacakları için kırılgan hale gelebilecek polimerler yerine Tg değeri kullanım sıcaklıklarının altında olan kauçuksu polimerler (örneğin silikon) tercih edilir.
Sıcaklık Dayanımı ve Termal Stabilite
Geçiş sıcaklıkları, polimerin kullanım sıcaklığı aralığını belirler. Polimerin Tg veya Tm değerlerinin üzerinde çalışması, fiziksel özelliklerini olumsuz etkileyebilir. Bu nedenle elektrik ve elektronik uygulamalarında yüksek sıcaklıklara maruz kalabilecek elektronik cihazlarda, yüksek Tg veya Tm değerine sahip polimerler (örneğin, poliamid) tercih edilir. Bu, parçaların uzun süre yüksek sıcaklıklarda bozulmadan çalışmasını sağlanmış olur. Ayrıca polimerler düşük sıcaklıklarda sert ve kırılgan hale gelmeleri söz konusu olduğu için örneğin dış mekanda kullanılacak polimerlerin, çevresel sıcaklıklara göre seçilmesi önemlidir. Örneğin, düşük Tg’li polietilen (PE) ve polipropilen (PP) gibi polimerler, dış mekanda esnekliklerini koruyarak darbelere karşı dayanıklıdır.
Yüzey ve Kaplama Özelliklerine Etkisi
Polimerin Tg değeri, yüzeyin sertliğini ve çizilme direncini etkiler. Bu nedenle Koruyucu Kaplama uygulamalarında yüksek Tg’ye sahip polimerler, çizilme ve aşınmaya karşı dayanıklı yüzeyler oluşturur. Bu, mobilya veya elektronik cihazlar gibi çizilme direncinin önemli olduğu alanlarda kullanılmalarına olanak sağlar. Yine düşük Tg’li polimerler, esnek kaplamalar olarak kullanılabilir. Bu kaplamalar, özellikle kıvrılabilen yüzeylerde kullanıldığında kırılganlık göstermeden esnek kalır.
Erime Sıcaklığına Dayalı Yaklaşım
Yarı-kristalin polimerlerde, kalıplama sıcaklığı genellikle erime sıcaklığının (Tm) hemen üzerinde seçilir. Bu sıcaklık aralığı, polimerin akışkanlık kazanması ve kolayca kalıba dolması için gereklidir. Genel olarak kalıplamada kristalin yapılı polimerlerde Tm’e bağlı kalıplama sıcaklığı, yarı-kristalin polimerlerde kalıplama sıcaklığı Tkalıplama = Tm + ( 20 – 50) °C ile tespit edilebilir. Bu durum plastik yapısındaki katkı ve dolgu maddelerine bağlı olarak değişkenlik gösterilir. Bu formül, kalıplama sıcaklığının erime sıcaklığının üzerinde belirlenmesi gerektiğini gösterir. Kısaca Tm değerine, polimerin özelliklerine bağlı olarak ortalama 20-50 °C eklenir. Bu ek sıcaklık, polimerin yeterince akışkan hale gelmesini sağlar.
Amorf yapılı polimerlerde Tg ye bağlı kalıplama sıcaklığı, Amorf yapılı polimerlerde kalıplama sıcaklığı, Tkalıplama = Tg + ( 100 – 150) °C ile tespit edilebilir. Amorf polimerlerde ise belirgin bir erime sıcaklığı olmadığı için cam geçiş sıcaklığı (Tg) referans alınır. Kalıplama sıcaklığı, Tg’nin oldukça üstünde seçilir.
Bu formül, amorf polimerlerin yeterince akışkan hale gelebilmesi için cam geçiş sıcaklığının yaklaşık 100 – 150 °C üstünde işlenmesi gerektiğini belirtir. Bu sıcaklık artışı, polimerin kalıba daha iyi dolmasını sağlar ve iyi bir yüzey kalitesi elde edilmesine yardımcı olur.
Bu formüller ile başlangıç olarak kalıplama sıcaklıklarını tahmin etmek için kullanılabilir. Nihai sıcaklık ayarları üzerinde kalıplama koşulları, polimer türü vs., etkilidir. Kesin değerler operatörün deneyimine göre deneysel olarak ayarlanır.
Polimerlerde geçiş sıcaklıkları diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) ile belirlenir.
Cam Geçiş Sıcaklığının Uygulamalardaki Önemi
Camsı geçiş sıcaklığı, polimerlerin kullanım sıcaklık aralığını belirler. Örneğin, Tg’nin altında kalan polimerler sert ve kırılgandır, bu nedenle düşük sıcaklıklarda yüksek mukavemet gerektiren uygulamalarda tercih edilir. Tg’nin üstünde esneklik kazanan polimerler ise daha çok kauçuksu özelliklerin gerektiği uygulamalarda kullanılır. Tg değeri aynı zamanda enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon gibi işlemler için gerekli sıcaklık koşullarının ayarlanmasında da rehberlik eder. Vidanın dışarıdan aldıǧı tahrik ile hareketi sayesinde, hammadde hatve kanallarında taşınır, ısıtıcıların da etkisi ile eritilir, karıştırılır ve kalıba doǧru iletilir.
