20 Temmuz 2016 Çarşamba

Tek Kullanımlık PLA Çatal Bıçak Takımlarının Enjeksiyon Kalıplanması

Aşağıdaki yazı Bioplastics Magazine dergisi 03/2016 sayısından alınıp çevrilmiştir.

Arkaplan


Tek kullanımlık plastik ürünler genel olrak iki tür plastikten yapılıyorlar: polipropilen (PP) ve polistiren (PS). Plastik ürünler özellikle ucuz maliyetleri ve kullanım rahatlıkları nedeniyle tercih ediliyorlar. Fakat bu tür ürünler gıda ile bulaştığı zaman, geri dönüşüm zorlu bir hal alıyor. Öte yandan gıda servis ekipmanları ve ambalajlar, Corbion Purapol gibi polilaktik asit ürünlerinden üretildiği zaman kolay bir şekilde kompostlanabiliyor ve bu sayede konvansiyonel plastik bazlı malzemelerin geri dönüşümlerine bir alternatif yaratabiliyorlar. Bu sayede yüksek kalitedeki geri dönüşümün gerçekleşmesi için yapılması gereken temizliğe de gerek kalmıyor. Bütün kompostlanabilir plastik ürünler, gıda atığı ile birlikte tek bir çöpte toplanarak, gıda atıklarının çöp sahalarından kompost tesislerine yönlendirilmesi konusunda da fayda sağlıyorlar. Fakat, üreticiler için PLA kendine özgü bazı zorlukları olan termoplastik bir malzeme olarak göze çarpıyor. Aşağıdaki makalede de, üreticilerin görüşünden, PLA bazlı kampaundların, PS ve PP ile karşılaştırıldığında nasıl enjeksiyon kalıplanabildiği ve özellikle Natur-Tec firmasının modifiye Purapol ürünü ile üretilen çatal bıçak setlerinin PS ve ya PP muadilleriyle performans açısından karşılaştırılmalarını incelenmektedir.

Isıl özelliklerin karşılaştırılması


Kalıplanma davranışlarının ve performansı anlaşılması için öncelikle malzemenin ısıl özelliklerinin anlaşılması önem arz etmektedir. Tablo 1'de PLA, PS ve PP'nin ısıl özellikleri özetlenmektedir.

Tablo 1: PLA, PS ve PP'nin ısıl özellikleri


Ticari ürün olan ataktik PS amorf bir malzemedir ve %0 kristaliniteye sahiptir ve erime noktası bulunmamaktadır. Bu PS için ısıyla camlaşma sıcaklığı (Tg) ise 100C'dir (moleküler ağırlığa göre 89-102C arasında değişir). Isıyla camlaşma sıcaklığı bütün polimerlerin ısıl özelliği açısından önemlidir ve bu sıcaklık polimerin amorf bölgesinin sert ve cam şeklinde bir malzemeden yumuşak kauçuk tarzı bir malzemeye dönüştüğü sıcaklık bölgesini ifade eder. PS gibi sert plastiklergenel olarak Tg sıcaklıklarının çok altında ve ya camsı özellikte olduğu sıcaklıkta kullanılırlar. PS'nin Tg sıcaklığı oda sıcaklığının çok üstündedir ve bu tür PS malzemesi de 90C'ye kadar sıcak yemeklerle herhangi bir yumuşamaya mahal vermeden kullanılabilir.

Öte yandan, PP'nin Tg'si 0C'dir ve oda sıcaklığında PS'ye göre daha esnek bir polimerdir. Bu da pazardaki PP çatal bıçakları PS'den ayırmanın en yaygın yöntemidir. PP çatal bıçaklar bükülebilir özellikteyken, PS'ler daha sert ve rijittir. PP ve PLA polimerlerinin her ikisi de semi-kristalin özellikte olup erime sıcaklıkları 160C civarındadır. Benzer erime sıcaklıklarına sahip olmalarına rağmen, PLA ve PP birbirinden farklıdır. PLA'nın PP ile benzer yüksek erime noktası varken, Tg'si ise PS ile benzerlik göstermektedir. Bu durum PLA'yı oda sıcaklığında camsı ve rijit yaparken, Tg'si olan 55C aşıldığında ise PLA çatal bıçaklar yumuşamaya başlar ve bu sebepten de sıcak uygulamalarda kullanılması zor hale gelir. PLA'nın PP'ye göre kristalizasyon hızı oldukça yavaştır. Bu sebeple soğuk kalıp kullanılarak üretilen PLA parçalar genellikle amorf özellikte olmaktadır. PP gıda servis ekipmanları sıcak yemek uygulamalarında düşük Tg'ye sahip olmalarına rağmen kristalleşebilmesi ve daha hızlı kristallenme özelliği sayesinde kullanılabilmektedir. PP polimeri 5-10 saniyelik bir sürede %30-70 arasında kristalleşebilmektedir (1). PP parça Tg sıcaklığının üstündeyken, amorf olan bölgeler yumuşar fakat morfolojik yapıya katkıda bulunan kristaller parçanın erime sıcaklığına ulaşana kadar formunu korumasını sağlar. Aynı prensip PLA için de uygulanabilmektedir.

Resim 1'de üç farklı malzemeye ait sıcaklığa bağlı olarak depolama modulusu (sertlik) ölçümünde oluşan farklar açıkça görülebilmektedir. Turuncu eğriyle gösterilen PS sertliğini 100C'ye kadar korumaktadır, bu sıcaklığın üstünde ise deforme olmaktadır. Amorf Ingeo 2003D PLA (yeşil eğri) ise aynı trendi 55C olan Tg'sine kadar göstermektedir. Daha önce de bahsedildiği üzere, PP yarı-kristalin özellikte olan bir malzemedir ve erime sıcaklığı olan 140C'ye kadar yavaş bir şekilde sertliğinin azaldığı görülmektedir. Kristalleşebilen PLA (Purapol L105 - mavi eğri) ise oda sıcaklığında rijit özelliktedir ve PS ile benzeşir. 60C'ye ulaşıldığında ise sertliği düşmeye başlar. Fakat PLA'nın kristal haline gelmiş kısımları yapıyı birlikte tutar ve ürünün 155C olan polimer erime noktasına kadar deforme olmasını engeller. Bu davranış PP ile benzerlik göstermektedir ve mavi ve kahverengi eğrilerden de anlaşılmaktadır. Bu bilgilere dayanarak, PLA'da kristallenmeyi sağlamanın ısı direncini arttırmaya yardımcı olduğu görülmektedir. Muhakkak ki, uzun ömürlü ve amacı kompostlanabilirlik olmayan PLA uygulamaları için ısı direncini arttırmanın farklı yolları da bulunmaktadır.

Resim 1


PLA'nın kalıplanması ve kristalleşmesi


Yukarıda bahsi geçen tartışmalardan da anlaşıldığı gibi, kristalleşme kompostlanabilir gıda servis ekipmanı ürünlerinin yüksek ısı performansını geliştirmek için verimli bir yol olarak gözükmektedir. Kompostlanabilir parçaların kristalinite özelliğini geliştirmek için aşağıda özetlenen iki yöntem bulunmaktadır:

a) Tek-adım prosesi ve ya kalıp-içi tavlama


Geleneksel plastiklerde kalıp sıcaklığını değiştirerek kristallenmeyi sağlamak ve bu sayede de kalıplanmış parçanın performansını arttırmak daha önce çalışılmış ve uygulanmış bir yöntemdir (3). Aynı yöntem PLA için de uygulanabilir. Kristallenme kalıp sıcaklığını genellikle 100-130C arasında olan kristalleşme sıcaklığına kalıbın içinde çıkılarak sağlanabilir. Kristalleşme hızı PLA içindeki D-izomeri miktarına göre değişmektedir. D-izomer miktarı azaldıkça, kristallenme hızı artmaktadır (4). Bu durum kalıplama işlemi için oldukça önemlidir çünkü direk olarak kalıbın döngü zamanına etki etmektedir. Purapol L105 PLA bazlı çatal bıçaklar için döngü zamanı  kalıp tasarımına, yolluk sistemine ve ısı kanallarına göre 30-45 saniyelerde gerçekleşmektedir. Bu sebepten dolayı, bu metod PLA'yı kristallendirmek için pahalı bir yöntemdir çünkü 5-10 saniyelik kristalleşme süresine sahip PP ve PS ile karşılaştırıldığında zamanlar oldukça yüksektir. Kalıp içi tavlama prosesinin avantajı kalıp ekipmanının tam kapasiteyle kullanılabilmesi ve yöntemin basit şekilde uygulanabilirliğidir. Bunun dışında parçanın çarpılma ve ya büzülmesi de post-tavlama prosesine göre asgari seviyede kalmaktadır.

b) İki-adımlı proses ve ya post-tavlama 


Bu yöntem PLA'nın, özellikle de plastik çatal bıçak setlerinde, kristallenmesi için günümüzde kullanılan en popüler yöntem olarak göze çarpıyor. Çatal bıçak seti ilk olarak soğuk kalıpta kalıplanıyor, bunu takip eden adımda ise PLA kristallenme derecesinde bir konveksiyon fırınında tavlanıyor (5). Bu metodun avantajı soğuk kalıptan gelen çok daha kısa döngü zamanı olurken, neredeyse tamamen amorf parçalar üretiliyor ve kalıplama maliyeti çok daha düşük seviyede kalıyor. Post-tavlama metodununun dezavantajları ise; kalıplama kapasitesinin ancak uygun fırın ve otomasyon yatırımları ile tam olarak kullanılabilmesi, otomasyon sağlanmazsa iş yükünün artması, parçaların geometrisine bağlı olarak malzeme Tg sıcaklığının üzerine tekrar ısıtıldığında gevşediğinden dolayı bazı eğrilme ve büzülmelerin gerçekleşmesi şeklindedir.

Corbion Purac firmasının ürettiği PLA hammadde çeşitleri hakkında daha fazla bilgi edinmek ve Türkiye'de tedarik etmek için aşağıdaki adresi ziyaret edebilirsiniz.

Kaynaklar
1) Processing and properties optimization of dynamic injection-molded PP, Wu Hongwu Zhong Lei Qu Jinping National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing South China University of Technology, ANTEC 2005, pp 884-888
2) High heat performance Ingeo for Foodservice Ware, Nicole Whiteman, Natureworks Llc, Innovation takes root conference 2014
3) The importance of Melt& Mold Temperature, Michael Sepe from Michael P. Sepe LLC, Plastics Technology, December 2011
4) Impact of Crystallization on performance properties and biodegradability of Poly(Lactic Acid) Shawn Shi, Ramani Narayan, Michigan State University, East Lansin, MI, ANTEC 2013, Ohio

5) Effect of Annealing Time and Temperature on the Crystallinity and Dynamic Mechanical Behavior of Injection Molded Polylactic Acid (PLA), Yottha Srithep, Paul Nealey and Lih-Sheng Turng, Polymer Engineering and Science, Volume 53, issue 3, pages 580-588, March 2013

Hiç yorum yok :

Yorum Gönder