29 Haziran 2015 Pazartesi

Biyoplastiklerin Enjeksiyon Kalıplama ile İşlenmesi

Enjeksiyon kalıplama operasyonlarında biyoplastikler için bilgi açığını kapamak

Biyoplastikler sürdürülebilirlik söz konusu olduğunda hep yukarıdalar fakat işlenebilme özellikleri açısından hep yerdeler. Birçok firma pertol bazlı plastiklerin yerine biyoplastikleri kullanmaya karar verdiklerinde malesef bu gerçekle ve ya benzer bir sonuçla karşılaşıyorlar.

Fakat bu durum düzeltilebilir çünkü hiçbir şekilde biyoplastikler petrokimya türevlerine göre daha aşağı konumda değiller ve hatta yeni ve enteresan özellikler sağlayabilirler. Yine de bazı çözülemeyen hammaddenin işlenmesi ile ilgili problemler ve hammaddeye ödenen daha yüksek fiyatlar biyoplastiklerin endüstriyel olarak yaygın kullanımını engelledi. Fiyat konusu çözülmesi daha zor çünkü hali hazırda biyoplastikler çok daha küçük hacimlerde üretiliyorlar. Öte yandan işlenme problemleri, hammadde işleme teknolojisinin adaptasyonu ile çözülebilir. Bu problemler genellikle malzemelerin veri belgelerinin yeterli olmamalarından ve/ve ya yüksek kaliteye sahip parçaların üretimindeki işleme koşullarının nasıl uygun hale getirileceğine dair teknik servisin eksikliğinden kaynaklanıyor.

Bu yazımızda Alman Federal Beslenme ve Tarım Bakanlığı ve Yenilenebilir Kaynaklar Ajansı'nın (FNR) ortak bir şekilde desteklediği büyük bir araştırma ortaklığının arkaplanını anlatacağız. Proje başlığı:  FNR Biyopolimer ağı altında bir kompetans ağı kurulması ve biyobazlı plastiklerin işlenmesi şeklinde. Bu işbirliği gerektiren projede şu anda kullanılmakta olan bütün işleme teknolojileri ele alınıyor ve pazarlanabilir olan biyoplastikleri işlenebilme koşullarına dair veriler göz önünde bulundurularak inceleniyor, ki birçoğunda malzeme tedarikçileri bu verileri dahi sunamıyor. Ek olarak küçük ve orta ölçekli şirketlere biyoplastiklerin işlenmesi konusunda destek teklif ediliyor.

Biyoplastiklerin Enjeksiyon Kalıplama performansları


Proje kapsamında Biyoplastik ve Biyokompozit Enstitüsü (IfBB) biyoplastiklerin enjeksiyon kalıplama performanslarının değerlendirmesi kısmını ele aldı. İncelemeler için seçilen malzemeler arasında iki farklı PLA (polilaktik asit), PLLA (poli-L-laktik asit), biyobazlı PA (Polyamid) ve PBS (polibütilen suksinat) bulunuyordu. Optimum işleme koşullarının bulunması için, çok kapsamlı ön testler yapılarak malzemelerin işlenmesiyle ilişkin olan; erime viskositesi, termostabilite, ısıl yalıtkanlık, erime noktası, camalşa ısısı ve yoğunluk gibi teknik özellikleri belirlendi. 

Plastikleşme performansı


Malzemenin plastikleştirilmesi üretim döngülerinin daima başında bulunmaktadır. Burada önemli faktör malzemenin beslenmesi ve erimesi için gereken zamanın en aza indirilerek döngü zamanının azaltılması ve bu sayede de operasyon maliyetinin azaltılmasıdır. Denemelerde, test örneğinin kavitesi (Campus tip A1 (DIN EN ISO 20753)) kalıplanmış parçaların üretilmesi için kullanıldı.

Genel olarak 200cm3/min değeri plastikleşme performansı açısından iyi olarak değerlendirildi yani enjeksiyon kalıplama işleminin kararlı bir şekilde gerçekleştiğini gösteriyordu. 1 nolu grafikte farklı erime sıcaklıklarına sahip farklı biyoplastiklerin tipik kapsamı görülebilmektedir. Bu biyoplastikler üzerinde gerçekleştirilen testler, uygun sıcaklık aralığında, bütün seçilen biyoplastiklerin yeterli plastikleşme performansı gösterdiğini teyit etti. Tipik olarak, semi-kristal yapıdaki malzemelerde, yükseltilmiş erime sıcaklığı daha düşük akışkanlığa sebep olmaktadır. Bunun sonucunda da daha yüksek kaçak akım gerçekleşir ve bu da düşük plastikleşme performansına sebep olmaktadır. Bu durum PLA 3251D ve PA Vestamid Terra HS 16'da görülmüştür.

Farklı PLA çeşitleri, PBS ve PA'ya ait plastikleşme performansları

Enjeksiyon Davranışı


Gerçek işleme ortamında malzemelerin akışkanlıkları kalıba özgün enjeksiyon basıncı ile karakterize edilebilir. Bu da enjeksiyon fazı sırasında belirlenen basınç eğrisindeki maksimum değişikliklerdeki sapmalardan tespit edilebilir. 2 Nolu grafikte gösterildiği gibi, Hisun PLLA yüksek akışkanlığa sahip ve bu değer polikarbonat seviyelerinde. PLA Ingeo 6202D'nin ölçülen akışkanlığı göreceli olarak daha düşük fakat halen yüksek seviyede. Bundan dlayı 200C'nin üstündeki sıcaklıklarda bu malzemelerin işlenmesi oldukça kolaydır. Fakat akışkanlıkları çok daha düşük olan PLA 3251D, Bio-PA Vestamid Terra HS16 ve PBS Bionelle 1020MD gibi polimer çeşitlerinde enjeksiyon basıncının da az olması gerekir. Beklenildiği gibi, bütün bu malzemelerin akışkanlığı erime sıcaklığı yükseldikçe azalmıştır. Geniş çevrelerce bazı biyoplastiklerin düşük termo-mekanik kararlılık aralığına sahip olduğu varsayılmıştır. Fakat bütün biyobazlı malzemeler bütün sıcaklık aralıklarında normal bir enjeksiyon davranışı göstermiştir. Bu sebepten hepsinin işleme güvenilirliği açısından petrol bazlı malzemelerle benzer olduğu söylenebilir.

Malzemelere ait erime sıcaklığı ve enjeksiyon basıncı eğrileri

Kalıptan ayrılma ve Çekme Payları


Enjeksiyonla kalıplanan parçalar kalıpta soğuduktan sonra, kaviteden ejektör bir sistem ile ayrılması gerekir. Bu da hesaplanabilir özel bir kuvvet gerektirmektedir. Bunun hesaplanmasında normal kuvvet (malzemenin kalıp yüzeyine, malzemenin soğuması sırasında çekmesinden dolayı tutunması) çarpı statik ve kayma sürtünmesi (malzemenin kalıba yapışmasını engellemek için gereken kuvvet ve kalıp yüzeyinden serbest bir şekilde kaymasını sağlayacak olan kuvvet) şeklinde hesaplanabilir. Sürtünme katsayısı eğer 1'den fazla ise, yüksek bir kuvvet gerekecektir ve bu da işleme sırasında deformasyonlar ve ya kırılmalar gibi bazı hasarlara sebep olacaktır. Figür 3'te gösterildiği gibi, PLA türleri olan Ingeo 3251D ve 6202D ve Hisun PLLA için bu değerler yüksektir fakat kritik seviyede değildir. Fakat diğer polimerler için çok daha yüksek ejeksiyon kuvvetleri gerekmektedir bu da bu işlemi kolaylaştıracak bazı ajanların kullanılmasının  önerilmesine sebep olmaktadır. Aynı zamanda çekme paylarında da oldukça büyük farklar bulunmaktadır. PLA türleri sadece 0.3% çekme payına sahipken, PBS 0.7%, Bio-PA ise 1.6%'lik çekme payına sahiptir. Bu değerlerin doğal olarak değerlendirilmesi gerekir çünkü petrol bazlı plastikler de benzer değerlere sahiptir. Fakat eğer biyobazlı malzeme için petrolbazlı malzemede kullanılan kalıbın tamamen aynısı kullanılıyorsa bir problem teşkil edebilir. Kalıpların malzemelerin çekme paylarına uygun olarak tasarlandığı göz önünde bulundurulursa, çekme payları biyoplastiklerin petrolbazlı malzemenin yerine geçip geçemeyeceğinin belirlenmesi konusunda önceden belirlenmesi gereken bir faktör olduğunu bilmek gerekir.

Malzemelere ait kalıptan ayrılma basınçları ve çekme katsayıları

Sonuçlar


Temel olarak çoğu biyoplastik proses karalılığı göstermektedir. Biyoplastiklerin işlenebilme kabiliyetleri son yıllarda önemli ölçüde artmıştır. Eğer gerekli teknik veriler elde bulunuyorsa, petrol bazlı termoplastiklerin yerine biyoplastiklerin kullanılması için bir engel kalmamaktadir. Hali hazırda, teknik verilerin az olmasından dolayı, eldeki makinelerde biyoplastiklerin işlenmesi zor olmaktadır.

Türkiye'de üreticiler PLA ve PLA bazlı enjeksiyon kalıplamaya uygun hammadde çeşitlerini aşağıdaki adresten tedarik edebilirler.

Polilaktik asit hammaddesi tedariği: http://www.biyoplastik.com.tr/polilaktik-asit-pla.html
PLA bazlı kampaund ürünlerin tedariği: http://www.biyoplastik.com.tr/fkur-bioflex.html

Teşekkür


Yazarlar Federal Beslenme ve Tarım Bakanlığı (BMEL) kurumuna projeyi finansal açıdan desteklediği için teşekkür ederler.

Kaynak: http://ilbb.wp.hs-hannover.de/verarbeitungsprojekt/
Yazarlar:
Marco Neudecker
Hans-Josef Endres
Institute for Bioplastics and Biocomposites (IbFF)

University of Applied Sciences and Arts, Hannover Germany

Hiç yorum yok :

Yorum Gönder