10 Kasım 2014 Pazartesi

Renkli PLA elyaflar

PLA'dan yapılan elyafların üretimi ve boyanması


Daha önceki yazılarımızdan birinde bioplastics MAGAZINE dergisinin 06/13 nolu sayısında yayınlanmış olan ve IRT (kızılötesi geçirgen) biyobozunur plastik malç filmlerinin özelliklerinden bahsetmiştik.

Bu yazımıza aşağıdaki linkten ulaşabilirsiniz:


Sonuçları tekrar özetlemek gerekirse; güçlü günışığı ve ya radyasyona maruz bırakıldığı zaman, koyu ve siyah plastikler radyasyon ypğunluğunun fonksiyonuna bağlı olarak ısınırlar. Bu etki yüzeyde bulunan ve 750 nanometre (nm) üzerindeki radyasyonu emen karbon karası (carbon black) sebebiyle oluşmaktadır. Aynı zamanda 200-400nm arasındaki ultraviyole ve 400-750nm arasındaki görünür ışınlar de benzer şekilde emilmektedir. Serin Siyah (Cool Black) terimi de koyu/siyah yüzeylerin azaltılmış ısı emilimi sebebiyle ısınmasından ziyade dokunmaya daha serin hissettirmesi etkisini açıklar.

Isı emilimini azaltan ve fizik prensipleri açısından farklılık gösteren üç yöntem bulunmaktadır.

Kullanılan elyaf eğirme makinası ve teknik titre parametreleri

a) Yansıma


Radyasyonu yansıtma amacıyla dolgu kullanımını içerir. Kullanılabilecek dolgular arasında titanyum dioksit (beyazlaştırır), çinko, sülfit, talk, tebeşir ve baryum sülfat vb. bulunmaktadır. Aluminyum ve gümüş de (kaplama gibi) kullanılabilir.

Bu yöntem, düşük malzeme maliyeti ve fizibilitesi sayesinde en popülerdir.

b) Girişim


Bu yöntemde mika bazlı malzemeler kullanılmaktadır. Mika levha şeklinde silikattır ve genellikle dört ayrı katman ve ya levhadan oluşur. Gelen radyasyon kırılır ve her bir ayrı katmana ve ya levhaya girdiğinde saçılır. Bu da azaltılmış ısı emilimini ve düşük sıcaklıklaro sağlar.

c) Isıl geçirgenlik 


Kızılötesi geçirgen renklendirme, ultraviyole ve görünür ışık dalgalarından gelen enerjiyi tamamen emilimini sağlarken yakın kızıl ötesi (NIR) ışınlarının enerjilerini olabildiğince geçirgenliğini sağlayabilen pigment karışımları sayesinde gerçekleştirilir.  Bu sayede malzeme ısıyı emmez sadece geçmesini izin verir. Her iki etki (geçirgenlik ve yansıtma) koyu/siyah renkli yüzeylerde düşük sıcaklıkları sağlar. Her iki durmda da, UV ve VIS aralığı bütün radyasyonu (ışık ve ısı) engellemek zorundadır. Hem organik hem de inorganik pigmentler kullanılabilir fakat karbon karasına artık izin verilmemektedir. Geçirgenlik için gerekli formüller yansıtma için olanlardan farklıdır. Hangi karışımın seçileceği aynı zamanda taşıyıcı polimerin kristallik özelliğine (amorf, yarı-kristal, kristal) göre de değişmektedir.

Polimer granüllerinden iplik oluşumuna şablon

Bu etkilerin PLA-bazlı elyaflar üzerinde uygulanması ise sürdürülen testler arasındadır.

Aşağıda laboratuvarda elyafların üretimi için gerekli olan teknik ekipman anlatılmaktadır. Bu ekipmanlar PLA malzemelerin elyafa eğrilme ve renklendirilmesi sırasında nasıl darandıklarının test edilmeside ve PA6 üzerinde IRT formulasyonlarının ilk defa olarak denenmesinde kullanılmıştır.

Eğirme sonuçları kullanılan PLA malzemesinin kimyasal, reolojik ve fiziksel parametrelerine bağlı olarak değişmektedir. Teknik sebeplerden dolayı (parametrelerin uyarlanması), tesis sürekli olarak PE ile başlatıldı. Elyaf üretiminde Natureworks Biyopolimer PLA 2051D, PLA Ingeo 3052 ve PLA Revode 190 denendi. Bütün varyasonlar için aynı iplik türü kullanıldı: BDF/CF, titre: 1300 dtex / 16 dpf, 2x40 delikler için plakalar. Sarıcının hızı 1000 metre/dakika olarak belirlendi. Kullanılan ısı değerleri ise Zone 1 için 160C Zone 5 için 200C oldu.

Eğirme makinasının diyagramı

Ingeo malzemesiyle, eğirme işlemi oldukça iyi gitti. Eğirme yağı ile de oldukça iyi çalıştı. Bobine sarma işlemi de sorunsuz bir şekilde gerçekleşti.

Revode malzemesi enjektör memesinden oldukça iyi bir şekilde aktı. Godelerin etrafına çok iyi bir şekilde sarılabilirdi. Fakat eğirme yağı kullanılır kullanılmaz sarma konusunda problemler oluştu. Eğer eğirme yağı kullanılmasaydı, filamentler gode üzerinde ayrılacaktır. Genel olarak esneme düşüktü ve ideal değildi. Bobine ipliği sarmak mümkün olmadı.

Natureworks 3251D malzemesi PLA iplikleri renklendirmek amaçlı taşıyıcı polimer olarak kulanıldı. Sarı ve kahverengi renkleri test edildi. Testler sonucunda elde edilen gözlemler: eğirme yağı olmadan gode üzerinde tutunma çok iyiydi fakat multifilamentler hala biraz sıkıştı. İplik bobinlerinde çok fazla tiftik vardı bu sebeple sarma ve geri sarma daha zordu. Malesef statik yükleri engellemek için eğirme yağı gerekliydi ve bu sebeple öneriliyordu. Görev IRT elyafların üretimi için eğrilebilir bir formulasyon geliştirmekti. Elyaflar için kullanılan 3 sentetik polimerden PA6 referans polimer olarak seçildi. Titre ayarı 1067 dtex /13dpf olarak belirlendi. Daha sonraki testler, temel formulasyonu kullanacak fakat PLA taşıyıcı malzeme olacak. Isıl simulasyon testleri için çoraplar ve benzeri ürünler örüldü. Karbon karası ile boyanmış PA6.6 çorapların değerleri karşılaştırma için kullanıldı.

Çoraplar daha sonra 5 dakika süreyle 4 x 1000-wattlık kızıl ötesi lambalarla radyasyona maruz bırakıldı. Bu işlem sonrası çorapların yüzey sıcaklığı ölçüldü. Sonuçlar aşağıdaki resimde sunulmaktadır.

Yukarıdan aşağıya doğru ilk üç eğri karbon karası ile boyanmış PA6 ipliğinin ısıl emilim davranışını göstermektedir. Değişken emilim davranışı karbon karası derişimine göre farklılık göstermiştir. Karbon karası ile boyanmış iplikler IRT renkli olanlara göre aynı zaman içerisinde daha hızlı ısınmaktadır. Yaklaşık 100 saniyenin sonunda yaklaşık 40-55C seviyesinde bir son sıcaklığa ulaşılmıştır.

PA6 PA66'ya göre daha hızlı ısınmaktadır


Isıl geçirgenlik derecesi (aşağıdaki eğriler) yeterli miktarda boyayan madde olup olmamasına ve ya UV ve VIS aralıklarının tamamen ve ya kısmı olarak emilmesine bağlıdır. Aynı zaman süresinde, ısınma hızı çok daha yavaştır ve dört dakika sonunda 40C'lik son sıcaklığa (karbon karasında 100 saniyede ulaşıldı) ulaşılmıştır. Sonuçlar IRT iplikler ve karbon karası ile boyanmış iplikler arasında 10-15 K'lik bir sıcaklık farkı olduğunu göstermektedir. Tabi bu değerlendirmeyi yapabilmek için karbon karası ve IRT aktif renklendiricilerin derişimleri de göz önünde bulundurulmalıdır.

Zamana karşı sıcaklık değişimi

Konuyla ilgili olarak ek çalışmaların yapılması gerekmektedir. Bu çalışmalarda kampaud ve masterbatch formüller, kullanım koşullarında ısıl emilimin belirlenmesi için ölçme yöntemlerinin optimizasyonu ve son olarak PLA uygulamalar için formüllerin incelenmesi gerekmektedir.

Genel olarak konuşulduğunda, soğuma etkisi oldukça iyidir. Fakat yeni yöntem, formulasyon, elyaf eğirme ve ölçüm yöntemleri konusunda özel teknik ihtiyaçları beraberinde getirmektedir.



Hiç yorum yok :

Yorum Gönder