Plastik Nedir? Plastikler Hakkında Bilmeniz Gerekenler

Modern dünyamızı plastikler olmadan hayal etmek zor olurdu. Giydiğimiz giysilerde, yaşadığımız evlerde, seyahat ettiğimiz arabalarda plastik bir malzeme mutlaka bulabilirsiniz. Oynadığımız oyuncaklarda, izlediğimiz televizyonlarda, kullandığımız bilgisayarlar ve dinlediğimiz CD’ler bile plastik içerir. Günümüzde bilim adamları, tasarımcılar ve mühendisler, başka hiçbir malzemede bulunmayan özelliklerin kombinasyonlarını sundukları için, plastiklerin peşine düşmektedirler.

Plastikler, hafiflik, esneklik, korozyona karşı direnç, şeffaflık, işlenme kolaylığı vb. gibi avantajlar sunar. Polimerler, yapılarının çok uzun zincir benzeri moleküllerden oluşması bakımından metallerden farklıdır. İpek, gomalak, bitüm, kauçuk ve selüloz gibi namal malzemeler bu tip bir yapıya sahiptir.

Plastik Nedir?

“Plastik” terimi, Yunanca kalıplamaya uygun anlamına gelen “plastikos” ve kalıplanmış anlamına gelen “plastos” kelimelerinden türetilmiştir. Plastikler, yumuşak olduklarında şekillendirilebilen ve daha sonra verilen şekli korumak için sertleştirilebilen sentetik veya doğal olarak oluşan bir grup malzemedir.

Plastiklerin Tarihsel Gelişimi

Plastikten yapılan ürünler, protez kalça ve diz eklemleri gibi sofistike ürünlerden mutfak gereçlerine kadar daha birçok alanda çeşitlilik gösterir. Polimerik malzemeler çok eski zamanlardan beri kullanılmaktadır. 1400’lü yıllarda Kristof Kolomb, Haiti’nin yerlilerini bir ağaçtan elde edilen kauçuğumsu bir malzemeden yapılmış toplarla oynarken buldu. Bu malzeme bir çeşit kauçuktu. Charles Goodyear‘ın kükürt ekleyerek özelliklerini önemli ölçüde iyileştirdiği doğal kauçuğu keşfetmesinden sonra önemli bir ürün haline geldi.

Daha sonra Thomas Hancock çiğnenmiş plastik kauçuğun erimiş kükürt ile ısıtılarak elastik bir malzemeye dönüştürülebileceğini keşfetti. Kauçuk-kükürt reaksiyonu, Hancock’un bir arkadaşı olan William Brockendon tarafından vulkanizasyon olarak adlandırıldı. Hancock’un çalışması ile 1843’te İngiltere’de patent alırken, Goodyear ise patenti 1844’te aldı.

Bununla birlikte, polimerik malzemelerin kullanımı uzun yıllar doğal yollarla elde edilen malzemelerle sınırlıydı. İlk gerçek sentetik polimerler, 1900’lerin başında reçineler oluşturmak için fenol ve formaldehit kullanılarak hazırlandı. 1928’de Carothers, lineer polyesterleri ve ardından şimdi naylon olarak bilinen poliamidleri geliştirdi.

Plastiklerin Sınıflandırılması

Plastikler, termoplastikler ve termosetler olarak ayrılabilir. Bu iki malzeme grubu olmadan, otomobil, telefon ve televizyon gibi modern yaşamın bu tür gündelik ihtiyaçlarının nasıl geliştirilebileceğini tasavvur etmek zordur. Doğal kauçuğun kullanımı yirminci yüzyılın başlarında hayatımıza iyice yerleşmiş olsa da, plastik endüstrisinin en büyük büyüme dönemi 1930’dan sonra olmuştur.

Bir polimer, bir dizi düşük molekül ağırlıklı türün (etilen gibi) son derece uzun bir zincir (polietilen) halinde bir araya getirilmesiyle hazırlanır, tıpkı bir kolye yapmak için bir dizi boncuğun birbirine bağlandığı hâle benzer.

Termoplastik Malzemeler

Bir termoplastik malzemede, çok uzun zincir benzeri moleküller, nispeten zayıf Van der Waals kuvvetleri tarafından bir arada tutulur. Malzeme ısıtıldığında moleküller arası kuvvetler zayıflar, böylece yumuşak ve esnek hale gelir ve sonunda yüksek sıcaklıklarda viskoz bir eriyik haline gelir. Malzeme soğumaya bırakıldığında tekrar katılaşır. Bu ısıyla yumuşama ve soğutmada katılaşma döngüsü aşağı yukarı süresiz olarak tekrarlanabilir. Kristal ve amorf plastiklerin tipik özellikleri aşağıda gösterilmiştir:

Termoplastik malzeme grubu içindeki önemli bir alt bölüm, bunların kristal (düzenli) veya amorf (rastgele) bir yapıya sahip olmaları ile ilgilidir. Pratikte elbette bir plastiğin, moleküler zincirlerinin karmaşık fiziksel doğası nedeniyle tamamen kristal bir yapıya sahip olması mümkün değildir. Polietilen ve naylon gibi bazı plastikler yüksek derecede kristallik elde edebilirler ancak yarı kristal olarak tanımlanırlar. Akrilik ve polistiren gibi diğer plastikler her zaman amorftur. Kristal ve amorf plastiklerin tipik örnekleri aşağıda gösterilmiştir:

Termoset Malzemeler

Termoset plastik, iki aşamalı bir kimyasal reaksiyonla üretilir. İlk aşama, daha fazla reaksiyona girebilen uzun zincir benzeri moleküllerin oluşumuyla sonuçlanır. Reaksiyonun ikinci aşaması genellikle ısı ve basınç uygulaması altında gerçekleşir.

İkinci aşamada, uzun moleküler zincirler, malzemenin ısı uygulamasıyla tekrar yumuşamaması için güçlü bağlarla birbirine bağlanmıştır. Bu malzemelere aşırı ısı uygulanırsa, bunlar kömürleşecek ve bozulacaktır. Bu tür bir davranış, bir yumurtayı kaynatmaya benzer. Yumurta soğuduktan ve sertleştikten sonra ısı uygulanarak tekrar yumuşatılamaz.

Moleküllerin çapraz bağlanması güçlü kimyasal bağlarla olduğundan, termoset malzemeler karakteristik olarak oldukça sert malzemelerdir ve mekanik özellikleri ısıya duyarlı değildir. Termoset örnekleri, fenol formaldehit, melamin formaldehit, üre formaldehit, epoksiler ve bazı polyesterlerdir.

Plastik Malzemeler ve Katkı Maddeleri

Sentetik büyük moleküller, monomerler olarak bilinen binlerce küçük moleküler birimin bir araya getirilmesiyle oluşur. Molekülleri birleştirme işlemine polimerizasyon denir ve uzun moleküldeki bu birimlerin sayısı polimerizasyon derecesi olarak bilinir. Birçok polimerin adı, poli- eki olan monomerin adından oluşur. Örneğin, polipropilen ve polistiren polimerleri. Aslında plastikten faydalanmak için plastiğin yapısı hakkında detaylı bilgiye sahip olmak gerekli değildir. Önerilen hizmet koşullarıyla ilgili olarak performans özelliklerine aşina olunması koşuluyla, tamamen kabul edilebilir tasarımlar elde edilir.

Polimer ve plastik kelimeleri genellikle eşanlamlı olarak kabul edilir, ancak bir ayrım vardır. Polimer, polimerizasyon işleminden kaynaklanan saf malzemedir ve genellikle uzun zincir benzeri moleküllere sahip malzemeler olarak bilinir. Saf polimerler nadiren tek başlarına kullanılırlar ve plastik terimi, katkı maddelerinin mevcut olduğu durumlarda kullanılır. Polimerler bir dizi katkı maddesi içerir:

Antistatik Ajanlar: Polimerlerin çoğu, zayıf akım iletkenleri oldukları için statik elektrik yükü oluştururlar. Antistatik maddeler havadaki nemi plastik yüzeye çekerek yüzey iletkenliğini iyileştirir ve kıvılcım veya deşarj olasılığını azaltır.

Kaplin Ajanları: Plastiğin cam elyafı gibi inorganik dolgu malzemelerine bağlanmasını iyileştirmek için birleştirme ajanları eklenir.

Dolgu maddeleri: Kısa lifler veya inorganik malzemelerin pulları gibi bazı dolgu maddeleri, bir plastiğin mekanik özelliklerini iyileştirir.

Alev geciktiriciler: Çoğu polimer, organik maddeler oldukları için yanıcıdır. Klor, brom, fosfor veya metalik tuzlar içeren katkı maddeleri, yanmanın meydana gelme veya yayılma olasılığını azaltır.

Yağlayıcılar: Balmumu veya kalsiyum stearat gibi yağlayıcılar, erimiş plastiğin viskozitesini azaltır ve şekillendirme özelliklerini iyileştirir.

Pigmentler: Pigmentler, plastiklerde renk üretmek için kullanılır.

Plastikleştiriciler: Plastikleştiriciler, plastiğin özelliklerini ve oluşturma özelliklerini değiştiren düşük moleküler ağırlıklı malzemelerdir. Önemli örneklerinden biri plastikleştiricilerin kullanımıyla esnek derecelerde polivinil klorür üretimidir.

Güçlendirme: Polimerlerin mukavemeti ve sertliği, cam, karbon vb. lifler eklenerek iyileştirilir.

Stabilizatörler: Çevresel faktörler nedeniyle polimerin bozulmasını önler. ABS, polietilen ve polistirene antioksidanlar eklenir. Polivinil klorürün işlenmesinde ısı stabilizatörleri gereklidir. Stabilizatörler ayrıca ultraviyole radyasyon nedeniyle bozulmayı da önler.

Plastiklerin Özellikleri

Malzeme seçimi göründüğü kadar zor değildir, ancak plastiğin genel davranışının farkında olmayı ve ayrıca tek tek plastiklerin özel özelliklerine aşina olmayı gerektirir. Aşağıdakiler, genellikle çoğu mühendislik bileşeni için dikkate alınması gereken en önemli özellikler olarak kabul edilir.

Mukavemet ve Sertlik

Termoplastik malzemeler viskoelastiktir, yani mekanik özellikleri hem viskoz sıvıların hem de elastik katıların özelliklerini yansıtır. Bu nedenle, bir termoplastik gerildiğinde, viskoz akış (enerjiyi dağıtan) ve elastik yer değiştirme (enerjiyi depolayan) sergileyerek tepki verir. Viskoelastik malzemelerin özellikleri zamana, sıcaklığa ve gerinim hızına bağlıdır. Bununla birlikte, plastiklerin (kısa vadeli) mekanik özelliklerini tanımlamak için geleneksel stres-gerinim testi sıklıkla kullanılır.

Tokluk

Tokluk ile kırılmaya karşı olan direnci kastediyoruz. Bazı plastikler doğal olarak çok sertken diğerleri doğal olarak kırılgandır. Plastik; sert olan işleme koşulları, kimyasal saldırı, uzun süreli strese maruz kalma vb. nedeniyle gevrekleşebilir. Tokluğun gerekli olduğu yerlerde, bu nedenle dikkatli bir şekilde kontrol etmek gerekir.

Fiziksel veya Kimyasal Saldırı

Bir tasarımcıyı plastik kullanmayı düşünmeye sevk edebilecek en önemli özelliklerden biri korozyon direnci olsa da, yine de plastikler kimyasal saldırıya ve bozulmaya karşı hassastır. Bir plastiğin bozulması, kimyasal yapısının bozulması nedeniyle meydana gelir. Su (hidroliz) veya oksijen (oksidasyon) nedeniyle oluşabilir. Plastiklerin bozulmasına ayrıca ısı, stres ve radyasyon neden olabilir.

Çevresel Stres Kırılması (ESC)

Bazı plastiklerde, malzeme stres altındayken belirli maddelerle temas ettiğinde gevrek çatlama meydana gelir. Bununla birlikte, işleme sırasında ortaya çıkan artık gerilimler, ESC’nin daha yaygın nedenidir. ESC mekanizmasının, yüzey enerjisini değiştiren ve kırılmayı teşvik eden yüzey kusurlarında teşvik edici maddenin penetrasyonu ile ilgili olduğu düşünülmektedir.

Termal iletkenlik ve Termal genleşme katsayısı

Plastiklerin özelliklerinin belirgin şekilde sıcaklığa bağlı olduğu daha önce de belirtilmiştir. Bu onların moleküler yapısının bir sonucudur. Moleküler zincirlerin rastgele bir konfigürasyona sahip olduğu amorf bir plastik düşünün. Malzemenin içinde onları görmek mümkün olmasa da moleküllerin sürekli hareket halinde olduğunu biliyoruz. Malzeme ısıtıldıkça moleküller daha fazla enerji alır ve göreli olarak hareketlerinde bir artış olur. Bu, malzemeyi daha esnek hale getirir. Tersine, malzeme soğutulursa moleküler hareketlilik azalır ve malzeme daha sert hale gelir. Polimerlerin diğer birçok özelliğinde olduğu gibi, onu elde etmek için kullanılan test koşullarına bağlı olacaktır.

Ayrıca çoğu malzeme ile karşılaştırıldığında, plastikler, özellikle çok düşük termal iletkenlik değerleri sunar. Düşük iletkenliklerinin aksine, plastikler metallerle karşılaştırıldığında yüksek genleşme katsayılarına sahiptir.

Elektriksel Özellikler

Geleneksel olarak plastikler, elektrik yalıtımı gerektiren uygulamalarda kendilerini kanıtlamıştır. PTFE ve polietilen, mevcut en iyi yalıtım malzemeleri arasındadır.

Optik özellikler

Bir plastiğin önemli olan optik özellikleri kırılma, şeffaflık, parlaklık ve ışık transferidir. Bazı plastikler optik olarak şeffaf olabilir (örneğin akrilik, selülozikler ve iyonomerler), diğerleri ise şeffaf yapılabilir. Bunlara epoksi, polikarbonat, polietilen, polipropilen, polistiren, polisülfon ve PVC örnek verilebilir.

Yanıcılık

Plastiklerle ilişkili yangın tehlikesini değerlendirmek her zaman zor olmuştur. Plastiklerin kendi kendine sönen, yavaş yanan, vb. özellikleri, bu tür standart test koşulları altındaki davranışlarını tanımlamak için kullanılmıştır, ancak hiçbir zaman malzemenin gerçek yangın durumlarındaki performansını yansıtmaz.

Geçirgenlik

Plastiğin düşük yoğunluğu birçok durumda bir avantajdır ancak moleküllerin nispeten gevşek paketlenmesi, gazların ve sıvıların plastiğin içinden geçebileceği anlamına gelir. Bu, yakıt depoları gibi birçok uygulamada önemli olabilir. Plastiklerin performansları hakkında birbirlerine göre veya belirli bir plastiğin farklı sıvı ve gazlarla temas halindeki performansı hakkında genelleme yapmak mümkün değildir.

Plastiklerin Maliyeti

Plastiklerin ucuz malzemeler olduğu yaygın bir yanılgıdır. Ağırlık bazında, çoğu plastik çelikten daha pahalıdır ve alüminyumdan sadece biraz daha ucuzdur. Plastik fiyatları polipropilen için ton başına ortalama 600 €. Karbon fiber takviyeli PEEK için ton başına 25.000 €’ya kadar değişebilir.

Özellikle seri üretim endüstrilerinde, hammadde maliyeti nispeten daha az önemlidir. Bununla birlikte, genel olarak bu üretim ve performans avantajları tüm plastikler için ortaktır ve bu nedenle belirli bir uygulama için hangi plastiğin en iyi olacağına ilişkin bir karar verilmelidir. Temel hammadde maliyetlerini karşılaştırmak yerine, belirli bir performans elde etmek için performans bazında bir maliyet endeksi kullanmak daha iyidir.