Porozite Nedir? Nasıl Hesaplanır?

Bir malzemenin özellikleri, iç yapısındaki veya yüzeyindeki gözenekliliğin yani porozitenin varlığından güçlü bir şekilde etkilenebilir ve sonuçta malzemenin uygulama sahasındaki performansını olumlu yada olumsuz şekilde etkileyecektir. Gözenekliliğin belirleyici rol oynadığı meslek alanları malzeme bilimi ve inşaattır.

Hayatımızın her alanı gibi inşaat sektöründe de seçilecek malzemenin ve malzeme özelliklerinin bilinmesinin ve geliştirilmesi oldukça önemlidir. Yapı malzemelerinin gözenekliliği yani porozite miktarı olumsuz koşulların oluşması durumunda yapının dayanıklılık direncini belirleyecektir. Bugün sizlere hazırladığım bu yazımda kısaca poroziteden ve nasıl hesaplanacağından bahsedeceğim.

Bir Malzemenin Porozitesi Nedir?

Gözeneklilik , malzemedeki gözeneklerin hacimsel oranıdır. Daha ayrıntılı ifade etmek gerekirse malzememizin poroz yani boşluk hacminin malzemenin toplam hacmine oranına porozite denir. Bu porozite miktarı yüzde (%) olarak ifade edilir. Dolayısıyla boşluklu malzemelerin porozite oranı yüksek olacaktır. Buna en iyi örnek olarak gazbetonu verilebilir.

Gözenekler malzemenin yüzeyinde veya iç yapısında yer alabilir. Gözeneklilik, malzemenin yoğunluğu ve elementlerin bileşik hallerinin genel doğası gereği ve bu bileşiklerin aralarındaki boşlukların varlığı ile ilişkilidir.

Porozite Türleri

Gözenekler, aralarında farklı özelliklere sahiptir. En önemlileri şekil ve boyutu, konumsal durumu ve kimyasal özellikleridir.

Boyut: Gözeneği tanımlayan temel özellik boyutudur. Bu nedenle gözenek boyutu genellikle gözenekli bir malzemeyi karakterize etmek için en temel özelliktir. Gözenek boyutunun, gözenekli bir malzemenin özellikleri ve sonuç olarak nihai uygulanabilirliği üzerinde büyük bir etkisi vardır. Gözenek boyutu ne kadar büyük olursa, daha büyük parçacıklar içinden geçerek malzemenin reaktivitesini artırabilir. Bir malzemenin gözenek boyutu genellikle IUPAC’a (Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği) göre aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:

Mikro gözenekler: Boyutları 2 nanometreden küçüktür.

Mezogözenekler: 2 ila 50 nanometre arasında bir gözenek boyutuna sahiptirler.

Makro gözenekler: 50 nanometreden daha büyük bir boyuta sahiptirler.

Konum: Malzemenin yüzeyinde veya iç yapısında gözenekler bulunabilir. İç yapıdaki poroziteler çoğunlukla malzemenin mekanik özelliklerini etkileyecektir.

Kimyasal özellikler: Malzemenin farklı çevre koşullarında sunabileceği reaktiviteyi ifade eder. Gözenek dağılımı birbirine bağlıysa, malzeme olumsuz koşullar altında güçlü bir bozulma gösterebilir.

Malzemeye Porozitenin Etkisi

Bir malzemenin gözenekliliği, dayanıklılığını ve olumsuz koşullara karşı direncini değerlendirirken belirleyicidir.

Gözenekliliğin bir malzemeyi nasıl etkileyebileceğini anlamak için, gözenekliliğin malzememize avantaj ve dezavantaj sağlayabileceğini göreceğimiz iki özel durumu inceleyeceğiz.

• Gözenekliliğin bir malzemenin uygulanabilirliğine olumlu faktörler kattığı en temsili durumlardan biri, kontrollü ilaç salım sistemleri durumudur. Bu durumda kontrollü ilaç salım sistemleri geliştirmenin amacı, bir ilacın salınımını zaman içinde kontrol edebilmektir. Porozite bize bu avantajı sağlar. Böylece ilacın zaman içinde daha uzun süreli salınımına izin verir.

• Gözenekliliğin bir malzeme kusuru olarak ortaya çıktığı durum, malzemenin metal ve alaşım durumundadır. Bir metal yüzeyinde gözeneklere sahip olduğunda ve aşındırıcı koşullarda olduğunda, metalde yüzeysel ve iç korozyon olabilir ve bu da çukurlaşmaya veya metalden iyonların salınmasına neden olabilir.

Poroziteyi Analiz Etme Teknikleri

Gördüğümüz gibi, bir malzemenin gözenekliliğini karakterize eden parametreler, onun yapısal özellikleri ile ilgilidir. Bu nedenle, bir malzemenin gözenekliliğini değerlendirmemize izin veren analiz teknikleri, yüzeyini, iç yapısının katman dağılımını veya farklı elementlere karşı geçirgenliğini incelememize izin veren tekniklerdir. Bu analiz teknikleri ise:

• Mikroskopi teknikleri: Nanometre mertebesinde yüzey detaylarını ayırt edebilen, yüksek çözünürlüklü malzemelerin yüzeyi hakkında bize bilgi sunarlar. 
• En çok kullanılanlar:
  • SEM ve TEM: Her iki teknik de bir elektron ışınının etkileşimi yoluyla bir numunenin yüzeyini gözlemlememizi sağlar. Ayrıca, yüzeylerin bileşiminin analizini yapmamızı sağlarlar.
  • FIB-SEM: Bu teknik çok kullanışlıdır. Çünkü iyon ışını numunenin yüzeyinde kesin bir açıklık oluşturur ve SEM kullanarak içindeki katmanların dağılımını gözlemlememizi sağlar.
  • Konfokal mikroskopi, profilometre ve AFM: Bu teknikler, malzeme yüzeyinin nanometrik alanlarının profillerini elde etmemize izin vererek topografya ve yüzey pürüzlülüğü hakkında bilgi edinmeye izin verdikleri için gözeneklilik analizi için en faydalı yöntemlerden biri olarak kabul edilir.

• Bir gazın fiziksel adsorpsiyon teknikleri: Numuneye (genellikle nitrojen veya karbon dioksit) sabit bir sıcaklıkta, gravimetrik veya hacimsel yöntemlerle gaz miktarını belirleyebilen bir gaz enjekte edilir. Adsorbe edici malzeme ile malzeme analiz edilerek, yüzey alanı, gözenek hacmi ve boyut dağılımı belirlenebilir. Kullanılan gaza bağlı olarak farklı boyutlarda gözenekler hakkında bilgi alınabilir. Azot kullanıldığında 3,5 ila 400 nanometre arasındaki gözenekler belirlenebilirken, karbondioksit kullanımı bize ancak mikro gözeneklilik hakkında bilgi verir.

• Cıva porozimetresi: Bu teknik, izostatik basınç uygulaması yoluyla bir malzemenin gözenekli yapısına cıvanın girmesine dayanır. Teknik Washburn denklemine dayanmaktadır. Bu denklem, cıvanın girdiği gözenek çapına uygulanan basıncı ile ilişkilendirir. Cıva porozimetresi, çapı 900 mikrondan 4 nanometreye kadar olan gözenekler hakkında bilgi sağlar.

• Helyum piknometrisi: Helyum piknometrisi, hacim yer değiştirmesi yoluyla bir malzemenin özgül ağırlığını veya kütle yoğunluğunu belirlemek için kullanılan bir tekniktir. Bu teknikte, analiz edilecek numuneye helyum gazı verilir. Malzemenin görünür yoğunluğu belirlenir. Bu ölçü ile malzemenin gözenekliliğini belirleyebiliriz.

Porozite Analiz Parametreleri

Genel olarak, gözenekliliğin karakterizasyonu genellikle yapısal karakterine uygun olarak aşağıdaki parametrelerle ilişkili olarak gerçekleşir:

• Gözenek boyutunun istatistiksel dağılımı: Genellikle ortalama değerde verilir ve efektif gözenek olarak adlandırılır.
• Gözeneklerin yüzey yoğunluğu: Yani birim alandaki gözenek sayısıdır.
• Yüzey gözeneklerinin morfolojisi ve pürüzlülük profili.

Poroziteli Malzeme Örnekleri

Yazımızın son bölümünde yüksek derecede poroziteye sahip bazı malzemeleri göstereceğiz;

• Mineraller, kayalar ve diğer gözenekli jeolojik malzemeler: Bu malzemeler, zamanla doğal yollar sonucu olumsuz koşulların mevcudiyetinde malzemede gözenekli bir yapının oluşması durumudur.

• Biyolojik malzemeler: En bilinen örneklerden biri, iç gözenekliliğin çok yüksek olduğu kemiklerdir. Kemikler hafif malzemelerdir.

• Gözenekli polimerler: Yeni gözenekli polimerler şu anda geliştirilmektedir. Çünkü gözenekler, boşluk tipine bağlı olarak farklı tipte molekülleri depolama imkanı sunar. Böyle bir uygulama, kimyasal kataliz veya molekül değişimi alanlarında gelecekte potansiyele sahip olabilir.

Yazmış olduğum içerikte porozitenin ne olduğu, türleri ve kullanım alanlarından bahsettim. Bu yazımın sizler için verimli olmasını umuyorum.