Aramid Lifleri ve Özellikleri
Aramid lifleri
1948 yılında DuPont firması, naylonu ticarileştirdikten sonra yeni yüksek mukavemetli ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı lifler için geniş çaplı bir araştırma başlatmıştır. 1950’lerden 1960’lara kadar süren çalışmalarda Paul Morgan ve arkadaşları düşük sıcaklık çözelti polimerizasyon teknikleri kullanılmadan bu polimerlerin işlenmesinin mümkün olmadığını fark etmiştir.
Beste ve Stephens ise bazı tuzların bu polimerlerden amaca uygun özellikte çözeltiler yapılabildiğini açıklamışlardır. Tüm bu çalışmalar sonucunda ilk yüksek sıcaklığa dayanıklı Nomex® ticari isimli meta-aramid lifi geliştirilmiştir. Çalışmalar 1960’lı yıllardan sonra da devam etmiş ve Nomex®’ten daha üstün özelliklere sahip bir lif için yapılan çalışmalar para-aramidleri hedef almıştır. Stephanie Kwolek ilk çalışmasını daha işlenebilir olan poli(1,4-benzamid) polimeri üzerinde yoğunlaştırarak 1960’ların ortasında modülü 400 gpd olan lifi ve daha sonraki çalışmalarla “Fiber B” adını verdikleri 900 gpd modüle sahip lifi geliştirmiştir. Bundan sonraki çalışma PPTA (poli-p-fenilen-tereftalamid) polimerine doğru yön değiştirmiştir. İlk PPTA lifleri 1970 yıllarında üretilmiş ve 1972 yılında bu PPTA lifi “Kevlar®” ticari ismiyle DuPont tarafından pazarda yerini almıştır.
ABD Federal Ticaret Komisyonu aromatik poliamidin kısaltılmışı olan aramidi, “Zincirindeki amid (–CO–NH–) bağlarının en az %85’inin doğrudan 2 aromatik halkaya bağlı olduğu lifler” olarak tanımlamıştır (Lewin, 2007; Chawla, 2005; Hearle, 2001).
Aramidlerin kimyasal yapıları rijit çubuk görünümündedir. Bu yapı nedeniyle camlaşma sıcaklıkları çok yüksek ve çözünürlükleri çok düşüktür. Bu nedenle polimerlerin işlenmesi için konvansiyonel yöntemler dışında likit kristalin polimer çözeltileri oluşturulması gerekmektedir (Şekil 1.9).
 |
| Şekil 1.9. |
Aromatik polimerler genel olarak homopolimer yapıdaki para-aramidler: poli(1,4-benzamid) (PBA), Poli-p-fenilen-tereftalamid (PPTA) ve poli p-fenilen benzimidazol terafitalamid (PBIA), meta-aramid yapıdaki aramidler: poli-m-fenilen izofitalamid (MPIA) ve kopolimer yapıdaki aramidler: ko-poli-p-fenilen/3,4’-oksifenilen tereftalamid (3,4’-POP-T) şeklinde sınıflandırılır (Şekil 1.10) (Bunsell and Schwartz, 2009).
Ticari olarak en çok bilinen PPTA yapıdaki aramidler; Kevlar® (DuPont, ABD), Twaron® (Teijin Aramid, Japonya), MPIA yapıdaki Nomex® (DuPont, ABD), Teijinconex® (Teijin Aramid, Japonya) ve 3,4’-POP-T kopolimer yapıdaki Technora® (Teijin Aramid, Japonya) lifleridir.
 |
| Şekil 1.10. Piyasada ve literatürde yer alan en önemli aromatik poliamidlerin yapısal formülleri |
Para-aramidler, Dupont firmasının geliştirdiği dry-jet wet spinning işlemine göre; meta-aramidler ise kuru veya yaş lif çekim yöntemine göre üretilirler (Şekil 1.11). PPTA liflerindeki amid grupları ve aromatik halkalar arasındaki çekim, rijitliği arttırdığı gibi bozunma sıcaklıklarını (550oC) da arttırır. LOI (limit oksijen indeksi) değerleri 28-32 arasındadır
 |
| Şekil 1.11. Para-aramid lifi (Twaron®) üretimi |
Aramid liflerinin yüksek sıcaklıklara dayanıklı olmalarının yanı sıra kimyasallara karşı dayanımları da oldukça iyidir. PPTA, sadece kuvvetli asitler içinde çözünebilir. Aramidlerdeki amid grubun hidrofil özelliği nedeniyle su emicilik özellikleri vardır. Örneğin Kevlar 29® % ~7, Kevlar 49® % ~4 ve Kevlar 149® % ~1 su emiciliğe sahiptir.
Aromatik karakterleri nedeniyle aramidler, UV ışığını (300-450 nm dalga boyu) soğururlar. Bu da oksidatif renk değişimine neden olur. Uzun süre UV ışığına maruz kaldıklarında önce portakal rengi daha sonra kahverengi olurlar. Bu renksel bozunma sadece oksijenli ortamda gerçekleşir. Bu durum meta-aramidlere göre para-aramidlerde daha büyük sorun teşkil etmektedir
Aramidlerin sıkıştırma mukavemetleri (mukavemetlerinin sekizde biri kadar) düşüktür. Çekme yükü altında güçlü kovalent bağları devredeyken, basınç altında zayıf hidrojen ve Van der Waals bağları devrededir (Chawla, 2005). Bu nedenle basınç kuvvetlerinin bulunduğu durumlarda aramidler tavsiye edilmez. Kayma modülleri ise anizotropik yapıları nedeniyle sıkıştırma mukavemetlerinden de düşüktür. Bunun yanı sıra yorulma dayanımları ve titreşim sönümleme özellikleri oldukça iyidir
Aramid lifleri içinde para-aramid gruba giren Technora® lifleri, kopolimerlerden oluşmakta ve PPTA (Poli-p-fenilen-taraftalamid)’dan farklı bir proses (güçlü asitlerin kullanılmadığı) izlenerek üretilmektedir. Kopolimer yapıdaki Technora® lifleri, Teijin firması tarafından geliştirilmiş önceleri HM 50 olarak bilinen (Bunsell and Schwartz, 2009) ve 1987 yılından itibaren ticari olarak pazarda yerini almış olan bir liftir. Yüksek mukavemetli ve yüksek modüle sahip, yüksek sıcaklıklara dayanıklı, özellikle baz ve asitlere karşı PPTA’dan daha dayanıklı olan bir liftir
Technora® lifleri; filament (kauçuk takviyesi, halat, kord, örme ve dokuma kumaşlar ve genel endüstriyel malzemelerde), kırpılmış (kauçuk, kompozit ve çimento takviyelerinde, asbestin yerine), kesikli (iplik eğirmede, dokusuz yüzeylerde) ve eğrilmiş (koruyucu giysiler, genel endüstriyel malzemeler ve kauçuk takviyelerinde) olmak üzere 4 formda tedarik edilebilir
Technora® lifleri ve diğer aramid liflerinin fiziksel özellikleri Çizelge 1.2’de gösterilmektedir. Technora® liflerinin daha az lineer olan moleküler yapısı nedeniyle modülleri PPTA liflerine göre daha düşük olsa da mukavemetleri geliştirilmiş olan moleküler oryantasyon ve kristalinite özellikleri sayesinde daha yüksektir. Technora® daha az rijit moleküler zincirlerden oluştuğu için PPTA liflerine göre yorulma dayanımı daha iyidir (Houck, 2009). Ayrıca yaş lif çekim yöntemine göre, likit kristal bir yapı oluşturmadan ve izotropik bir çözeltiden üretilen (Hearle and Morton, 2008; Scott, 2005) Technora® liflerinin PPTA’ dan farklı olarak moleküler yapısında bulunan ve eter bağları içeren üçüncü bileşen diamin sayesinde PPTA liflerinden daha esnektirler
Çizelge 1.2. Bazı aramid liflerinin fiziksel özellikleri
Ticari İsmi
|
Nomex
|
Teijinconex
|
Kevlar
|
Twaron
|
Technora
| |||
Polimer
|
MPDI
|
MPDI
|
PPTA
|
PPTA
|
ODA/PPTA
| |||
Lif türü
|
430
|
Std
|
HT
|
K-29
|
K-49
|
Std
|
HM
|
std
|
Yoğunluk (g/cm3)
|
1.38
|
1.38
|
1.38
|
1.44
|
1.44
|
1.44
|
1.45
|
1.39
|
Mukavemet (Gpa)
|
0.59
|
0.61-0.68
|
0.73-0.86
|
2.9
|
3
|
2.9
|
2.9
|
3.4
|
Uzama (%)
|
31
|
35-45
|
20-30
|
3.6
|
2.4
|
3.6
|
2.5
|
4.6
|
Modül (Gpa)
|
11.5
|
7.9-9.8
|
11.6-12.1
|
71
|
112
|
70
|
110
|
72
|
Para-aramid liflerinin kullanım alanları
Para-aramid iplikler kesme direncinin, ısıl direncin veya aşınma dayanımının kritik olduğu durumlarda koruyucu giysilerde kulanılırlar. Otomotiv, cam, çelik ve metal işçilerinin kullandığı eldivenler, zincir testere kullananların giydikleri pantalonlar ve ceketler bunlara örnek verilebilir. Para-aramid iplikten yapılmış eldivenlerin kullanıldığı durumlarda el ve parmak yaralanmaları riski ciddi oranda azalır. Eldivenler genellikle kesikli para-aramid liflerinden üretilir; ancak havlanmanın minimum olmasının istenildiği durumlarda tekstüre filament formundaki para-aramid lifleri tercih edilir. Tek bir filamentin inceliği 0,85 – 4,2 denye arasındadır; ancak yaygın olarak kullanılan 2,25 denye inceliğindeki filamentlerdir. Genellikle incelik arttıkça kesme direnci de artış gösterir. Bu tür eldivenler; %100 para-aramid ipliklerden yapılabildiği gibi maliyeti düşürmek ve konforu arttırmak amacıyla naylon ve polyester gibi liflerin karışımıyla da üretilebilir. Para-aramid iplik; naylon, polyester veya polietilenden yapılan ürünlere göre yanmayı desteklemeyen ve erimeyen bir iplik çeşididir. Eldivenler çoğunlukla örme kumaşlardan üretilir; ancak bazı durumlarda dokuma kumaşlardan kesilip dikilerek de üretildiği bilinir. Para-aramid ipliklerden üretilen eldivenlerin avantajları; sıcak hava ve suda çekme yapmamaları ve defalarca yıkanıp tekrar kullanılabilmeleridir.
Para-aramid iplikler sahip oldukları yüksek mukavemet ve yüksek modül, boyutsal stabilite, yüksek sıcaklıklara dayanım ve kütlesine oranla yüksek mukavemet gibi özellikleriyle radyal lastikler ve bazı mekanik kauçuk malzemeler için kullanıma çok elverişlidir. Güç transmisyon kayışları, V kayışları ve konveyör bantlarında kullanılırlar. Çelikten yapılmış aynı ürünlere kıyasla 1/5’i ağırlığa sahip olmaları, bu tür uygulamalarda tercih edilmelerini sağlamaktadır.
Para-aramidler yaygın olarak kompozitlerde tek başlarına takviye lif olarak kullanılmakla birlikte cam veya karbon elyafla hibrit bir yapıda da kullanılırlar. Kompozit yapılar havacılık ve uzay sanayi komponentleri, otomobil parçaları, botlar, spor malzemeleri, basınçlı kaplar gibi bir dizi uygulamayı içerir. Kompozitlerde aranılan özellik; uygulamadan uygulamaya değişmekle birlikte, azaltılmış ağırlıklarda düşük maliyet ve yüksek performanstır. Cam lifi, aramid ve karbona göre daha düşük mukavemet ve düşük modüle sahip olmasına rağmen düşük maliyeti nedeniyle kompozitlerde takviye lif olarak daha çok tercih edilir. Karbon lifleri yüksek mukavemet ve modüle fakat düşük uzamaya sahiptir. Aramid lifleri ise yüksek mukavemet ve modül kombinasyonu ile (karbona göre daha düşük) çok iyi darbe dayanımına sahiptirler. Para-aramidlerle üretilen kanolar hafif olmakla beraber cam elyaf kompozitlere göre daha yüksek mukavemet, aşınma ve delinme dayanımı gösterirler. Ayrıca para-aramid kompozitlerle üretilen hokey ve golf sopaları, olta kamışları, kayak takımları ve tenis raketleri mevcuttur.
Statik uygulamalarda veya çok yüksek modüle ihtiyaç duyulduğunda özellikle Kevlar® veya Twaron® lifleri; dinamik uygulamalara ve yorulmaya karşı direnç gerektiren uygulamalarda ise Technora® bazlı halatlar tercih edilir. Halatlarda, kablolarda ve statik uygulamalarda kullanılan para-aramid ipliklerine özel bazı bitim işlemleri uygulanarak kayganlıkları arttırılabilir, ıslak uygulamalardaki yorulmaları iyileştirilebilir ve daha iyi UV dayanımı sağlar hale getirilebilirler (Şekil 1.12).
 |
| Şekil 1.12. |
Meta-aramid liflerinin kullanım alanları
Meta-aramid lifleri en çok güç tutuşurluk özellikleri ile tanınırlar. Bu lifler güç tutuşur olmalarının yanı sıra ısıl özellikleriyle de kombine olarak uygulama alanlarında yer alırlar. Renkli olarak üretilebilmeleri bazı uygulamalarda avantaj sağlar. Genel olarak bu liflerin boyanması oldukça zordur ve şu anda sadece DuPont firması tarafından renkli Nomex® ipliği üretilmektedir. Boyalı olan lifler daha iyi UV dayanımı göstermektedir. Meta-aramid lifleri, özellikle güç tutuşurluğun istenildiği durumlarda %100 olarak kullanılır; bunun dışında diğer liflerle karışım olarak da kullanımları mümkündür.Meta-aramid lifleriyle üretilen kumaşlar güç tutuşur olmakla beraber, erime ve polyesterin yanması sırasında oluşan damlama özelliklerini göstermezler. Tutuşabilirliğin bir ölçütü olan LOI değerlerine bakıldığında para-aramid ve meta-aramidlerin birbirine yakın değerlere sahip olduğu görülür (~28–29). LOI>21 özellikteki materyaller tutuşmaz olarak kabul edilirler (Şekil 1.13).
 |
| Şekil 1.13. Yüksek performanslı liflerin ısıya karşı direnci ve yanmazlık özelliği |
Giysilerde meta-aramidler, para-aramidlere göre daha çok tercih edilirler. Bunun sebebi meta-aramid kumaşların daha konforlu, yumuşak tuşeli olması ve elastikiyet değerlerinin de daha iyi olmasıdır. Meta-aramidler daha yüksek camlaşma sıcaklığı (275oC) ve kristalin faza geçiş erime noktası (425oC) gösterseler de %100 meta-aramid giysiler aleve maruz kaldığında çekerler ve kopma-açılma deformasyonuna uğrayarak koruyucu bariyerlik işlevini yitirebilirler. Bu nedenle aleve maruz kaldıklarındaki çekme ve açılma gibi problemleri gidermek için çoğu zaman para-aramidlerle karışım yapılarak kullanılırlar. Çok yüksek sıcaklıklarda aleve maruz kaldığında ise meta-aramid kömürleşir ve oluşan sert kömür yapı ayrıca ilave bir koruyuculuk sağlar.
Meta-aramid lifleri hem kesikli hem de filament olarak koruyucu giysilerde kullanılır. Filament incelikleri 0,85 – 2 denye arasında olup kesikli liflerdeki lif boyu ise 1,5 – 2 inç arasındadır. Liflerin kimyasal yapısı, gramaj olarak daha ağır olan güç tutuşur özellikteki pamuklu kumaşlardan daha mukavemetli olmasını sağlar. Yüksek yırtılma ve aşınma özellikleri, giysilerin kullanım sürelerinin de uzun olmasını sağlar. Kumaş seçiminde ise korunma derecesi, tutuşabilirlik, sağlamlık, konfor, maliyet, stil vb. gibi son kullanım performans gereksinimleri belirleyici olur. Meta-aramid lifleri yaygın olarak endüstride, orduda, yangın söndürme ve otomobil yarışı uygulamalarında kullanılır. Yangın veya elektrik arklarının olduğu yerlerde kimya, petrokimya ve elektrik işçileri güç tutuşur koruyucu giysiler kullanır. Orduda ise uçuş giysilerinde, muharebe araçlarındaki ve gemilerdeki teknik personeller tarafından kullanılır. Meta-aramid ve para-aramidlerle yapılan karışımlar, yangınla mücadelede yanmaz itfaiyeci kıyafetleri, başlıklar, eldivenler, çizme ve botlarda kullanılır
Meta-aramidleri koruyucu giysiler için uygun kılan lif özellikleri, ulaşımda (hava, tren, otomotiv), otel, hastane ve ofislerde kullanılan aleve dayanıklı bariyer kumaşlarda da kullanıma uygun olmalarını sağlar. Bu alanlarda kullanılan döşemeler, zemin kaplamaları, bölmeler, duvar kaplamaları ve örtüler bu tür kumaşlara örnek verilebilir.
Meta-aramidlerin para-aramidlere göre daha üstün olduğu bazı elastomer takviye uygulamaları mevcuttur. Filament haldeki meta-aramidler, gevşek örgü yapılarında otomotiv kalorifer hortumlarında takviye olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamada mukavemet yerine iplik-iplik sürtünmesi dayanımı, hortumun maruz kaldığı ısı, darbe ve titreşimsel kuvvetlere karşı performans kriteri olmuştur. Meta-aramid liflerinin yüksek ısıl stabilite özelliğinin tercih edildiği bir diğer kullanım alanı ise arabalardaki turbo şarjlarda kullanılan silikon elastomer hortumlardır.
Meta-aramid liflerinin keçelerinden yapılmış filtre torbaları; filtrasyon performansı, kimyasal direnç, mukavemet, sağlamlık ve ısıl direnç gibi faktörler nedeniyle sıcak karışım asfalt endüstrisinde kullanım için en uygun seçimdir. Filtre torbaları teflon, cam elyaf, polyester ve polifenilin sülfit gibi materyallerden üretilebilir. Nomex® lifleriyle üretilmiş filtre torbaları 204oC’lerde uzun süreli kullanımlarda %1’den daha fazla uzama ya da kısalma göstermezler. Bunun yanı sıra ütü preslerinde ve ısıya dayanıklı örtülerde kullanıldıkları gibi kağıt formundaki meta-aramid lifleri, jeneratörlerde, motorlarda ve diğer elektronik cihazlarda yalıtım malzemesi olarak da kullanılırlar (Şekil 1.14).
 |
| Şekil 1.14. Meta-aramid liflerinin (a) Kullanım alanları, (b) Pazardaki oranları |
Hiç yorum yok