Polipropilen ve uygulamaları

Özet

Polipropilen (PP), mükemmel kimyasal, fiziksel ve mekanik özelliklere sahip, dünyada en yaygın kullanılan ve temel polimerlerden biridir. Bu malzeme geri dönüştürülebilir ve tüketiciler tarafından doğru şekilde yönetildiğinde çevreye zarar vermez. Nispeten ısıya dayanıklıdır ve çevreye toksik maddeler salmaz. Ayrıca, propilen monomerinden üretilen polimer genellikle kimyasal çözücülere, bazlara ve asitlere karşı dirençlidir; bu da bu polimerin günlük yaşamda geniş uygulama alanına sahip olduğunu gösterir. Bu termoplastik polimer, film ve levha, şişirme kalıplama, enjeksiyon kalıplama, gıda ambalajı, tekstil, laboratuvar ve tıbbi ekipman, borular, endüstriyel ve inşaat uygulamaları ve özellikle otomotiv bileşenlerinin üretiminde çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır. Bu polimer, otomotiv parçalarının yaklaşık yüzde otuzunda kullanılmaktadır.

Anahtar kelimeler: polimer, polipropilen, termoplastik, özellikler, uygulama

giriiş

Polipropilen, propilen monomerlerinin ısı uygulanarak ve reaksiyon ortamına bir başlatıcı veya katalizör eklenerek polimerizasyonuyla oluşturulan bir petrokimyasal üründür. Polipropilen üretimi için çözelti, süspansiyon, kütle ve gaz fazı polimerizasyonu dahil olmak üzere dört farklı yöntem vardır. PP’nin özellikleri işlem koşulları, kopolimer bileşimi ve moleküler ağırlık dağılımı tarafından belirlenir. Şekil (1)’de gösterildiği gibi, PP, her karbon atomunun bir metil grubuna bağlı olduğu bir vinil polimerdir.

Polimer malzemelerin dört ana gruba ayrıldığını belirtmek gerekir: termoplastikler, termosetler, elastomerler ve polimer karışımları. Elastomerler ve termosetler sırasıyla yumuşak ve sert elastiktir ve reçineleri yeniden eritilemez veya geri dönüştürülemez. Termoplastikler ise amorf veya yarı kristal yapıdadır ve geri dönüştürülebilir. Polipropilen, termoplastik grubundadır ve farklı katkı maddeleriyle modifikasyonu ve takviyesi, yüksek mekanik özelliklere sahip polimerler oluşturur.

Polipropilen, kalıplamada iyi esnekliğe sahip olmasının yanı sıra, konsantre ve seyreltik asitler, alkoller, aldehitler, esterler, eterler ve oksitleyici maddeler karşısında mükemmel direnç gösteren bir termoplastik polimerdir. Kristal yapılı bu polimer, diğer ticari termoplastik polimerlere kıyasla yüksek bir erime noktasına sahiptir. Bu nedenle, özellikleri yorumlanacaktır.

Polipropilenin özellikleri

Farklı polipropilen türlerini anlamak için, termoplastik polimerlerin sınıflandırılmasını farklı bir bakış açısından incelemek gereklidir.

Termoplastik polimerler iki gruba ayrılır:

Yaygın termoplastik polimerler (Ticari): Bu grup, polietilen, polipropilen, polistiren ve polivinil klorür gibi başlıca polimerleri kapsar.

Mühendislik termoplastik polimerleri: Termoplastik polimerlerin ikinci grubu, elektrik ve mekanik mühendisliği uygulamalarında kullanılanlardır. Bunlar arasında polisülfon, naylon, polikarbonat, asetal ve ABS terpolimerleri bulunur.

İki farklı polipropilen türü vardır. Birincisi, yarı kristal katı formda sadece propilen monomeri içeren polipropilendir ve homopolimer (HPP) olarak adlandırılır. Polipropilen yapısında propilen dışında bir monomer kullanıldığında ise polipropilen kopolimeri elde edilir. Polipropilenin kendisi de iki kategoriye ayrılır: blok kopolimer ve rastgele kopolimer. Blok kopolimerde, etilen segmentleri polimer zinciri boyunca propilen segmentleri arasında yer alırken, rastgele kopolimerde etilen monomerleri polimer zinciri boyunca düzensiz ve ayrı ayrı yer alır. HPP, endüstride en yaygın kullanılan polipropilen türüdür. HPP, kristal ve kristal olmayan kısımları içeren iki fazlı bir sistemdir. Kristal olmayan bölgeler izotaktik PP (iPP) ve ataktik PP’dir (ataktik). İzotaktik PP, amorf bölgelerde kristalleşebilir ve zamanla yavaşça kristalleşir. Başka bir deyişle, HPP sadece bir izotaktik propilen biriminden oluşur ve bu da polimere kristal bir yapı kazandırır. Bu nedenle, HPP oda sıcaklığında yüksek mukavemete ve erime noktasına sahip olmasına rağmen düşük darbe dayanımı sergiler. Rastgele kopolimerler, propilen ve az miktarda etilenin (genellikle %7 veya daha az) bir reaktörde kopolimerleştirilmesiyle üretilen etilen/propilen kopolimerleridir. Etilen, polipropilenin düzenli yapısını bozar ve polimerdeki kristalliğin homojenliğinde azalmaya yol açar; yani etilen içeriği arttıkça kristalliğin kademeli olarak azaldığı ve erime noktasının düştüğü anlamına gelir. Kopolimerler genellikle biraz daha iyi darbe özelliklerine, daha düşük erime noktalarına ve daha yüksek esnekliğe sahiptir. Daha iyi anlaşılması için, polipropilenin özellikleri Tablo 1’de tartışılmıştır.

Tablo 1. Polipropilenin avantajları ve dezavantajları

Polipropilenin avantajları		Polipropilenin dezavantajları
Kopolimer	Homopolimer	Ultraviyole radyasyonla tahrip
Yüksek işlenebilirlik	İyi işlenebilirlik	Yanıcı
Yüksek darbe dayanımı	İyi darbe dayanımı	Aromatik ve klorlu çözücüler tarafından bozunma
Yüksek mukavemet	Yeterli güç	Düşük sıcaklıklarda zayıf darbe dayanımı
Gıda ile temas için uygun değildir.	Gıda ile temas için uygundur.	Bağlantı oluşturmada sorun

İzotaktik yarı kristal yapılar, monoklinik (𝛼), trigonal (𝛼) ve ortorombik (𝛼) yapılar dahil olmak üzere üç kristal yapıya sahiptir. Kristalliğin azaltılması, ürünün şeffaflığını artırır. İzotaktik polimerler, bulanıklık üzerindeki geri dönüşümün etkisini gözlemlemek için birkaç kez ekstrüde edilir, geri dönüştürülür ve ekstrüzyon işleminden sonra soğutulur. Sonuçlar, bulanıklığın geri dönüşüm adımları ve soğutma hızı arttıkça azaldığını göstermektedir. Bununla birlikte, 𝛼 fazının miktarının artması ve monoklinik yapıların ortalama boyutunun artması bulanıklığı artırır. İzotaktik polipropilen (β-iPP), benzersiz özelliklere sahip başka bir ticari örnektir. Örneğin, β-iPP’nin tokluğu ve darbe dayanımı, 𝛼-iPP’den önemli ölçüde daha yüksektir. β fazının gelişimi, sıcaklık gradyanında kristalleşme ile tamamlanır. Bununla birlikte, her kristalleşme türünün kendine özgü özellikleri olduğundan, β modifikasyonu 𝛼 modifikasyonunun yerini alamaz. Sonuçlar, iPP türlerinin mükemmel mekanik özelliklere ve iyi optik özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. Polimerlerin geri dönüşümünün mekanik ve optik özelliklerini azalttığına dikkat çekmekte fayda var. Optik özellikler, gıda ambalaj uygulamaları için çok önemlidir. PP’nin bahsedilen özelliklerinin yanı sıra, geri dönüşümden sonra istenen özelliklerin korunması da bu polimerin benzersiz bir özelliği olarak kabul edilmektedir.

Bu polimerin ticari ürünleri çeşitli moleküler ağırlıklarda, monomerlerde ve katkı maddelerinde mevcuttur. Geliştirilmiş fiziksel özellikleri, polipropilenin film, elyaf, bant, levha, şişirme kalıplama ürünleri ve enjeksiyon kalıplama ürünleri gibi çoğu uygulamada ana malzeme olmasını sağlar. Ticari polipropilenin erime noktası, kristalleşme sıcaklığı ve bozunma sıcaklığı gibi bazı termal özellikleri, diğer polimerlerle karşılaştırılarak Tablo 2’de gösterilmiştir.

‌

Tablo 2. Yarı kristal reçineler için faz geçiş sıcaklıkları

Reçine	Tg	Tm	Td
HDPE	-95	130-146	360-390
PA 6	40	220	327
PEEK	120	340	–––
PP	-18	160-208	336-366
PTFE	-20	327	424-513

Bu nedenle, 0,9 yoğunluğa sahip bu hafif polimer, bahsedilen diğer özellikleriyle birlikte, endüstride birçok uygulama alanı bulacaktır.

Polipropilenin Uygulamaları

1) Elyaf ve kumaşlar

Farklı PP ekstrüzyon işlemleri kullanılarak lifler üretilir. Düşük yoğunluk, mukavemet, kimyasal direnç ve leke direnci gibi özelliklere sahip PP, suni çim, dikiş ipliği, çeşitli kumaşlar ve peçeteler gibi çeşitli lif uygulamaları sunmaktadır (Şekil 2).

2) Film

PP filmler ekstrüzyon işlemiyle üretilir. Film kalınlığı 10 mm’den azdır. Bu filmler gıda ürünlerinde, yapışkan bantlarda ve giyimde kullanılmaktadır.

‌

3) Araba

Yeni otomobillerde kullanılan polimerlerin çoğu PP’dir; çünkü otomobil şirketleri, müşterilerin benzin gibi bazı maliyetlerden tasarruf etmelerini sağlamak için araçlarının toplam ağırlığını azaltmak istemektedir. PP, otomobillerin kapılarının, gövdesinin, direklerinin vb. yapımında kullanılır ve en önemli avantajı hafifliğidir. Ağırlık azaltma önemli bir faktör olduğundan, PP dış otomobil parçaları için önemli bir malzeme haline gelmiştir (Şekil 3).

4) Termoformlama işlemi kullanılarak levha üretimi

Termoformlama işlemi, termoplastik bir levhanın yumuşama noktasına kadar ısıtılmasını ve ardından yumuşamış levhanın istenen şekle getirilmesini içerir. Ekstrüzyon işlemi, 10 mm’den daha kalın bir levha üretir. Levha genişliği tipik olarak 2-7 fit arasındadır. Bu levhalar, ambalaj uygulamaları için termoform kapların üretiminde kullanılır.

5) Enjeksiyon kalıplama ürünleri

Bu işlemde, polimer granülleri ısı uygulandıktan sonra eritilir ve erimiş malzeme daha sonra kapalı bir kalıba enjekte edilir. Kalıp genellikle, erimiş malzemenin kuvvetini aşmak için birbirine bastırılan iki yarıdan oluşur. Enjekte edilen malzeme daha sonra soğur ve katılaşır. Enjeksiyon kalıplama, bazı ev aletleri ve el aletlerinin yanı sıra tek kullanımlık şırıngalar gibi çeşitli tıbbi uygulamalarda da kullanılır.

6) Şişirme kalıplama ürünleri

Şişirme kalıplama işleminde, termoplastik bir polimere sıcak hava üflenerek içi boş bir nesne üretilir. Şişirme kalıplama işleminde, parison adı verilen termoplastik malzemeden içi boş bir tüp üretilir ve kapalı bir kalıbın içine yerleştirilir. Sıcak hava üflendikten sonra, kalıbın şeklini alır ve kalıptan çıktıktan sonra da şeklini korur. Şişeler ve kavanozlar, şişirme kalıplama işleminin başlıca ürünleridir.

7) Borular ve bağlantı parçaları

Polipropilen borular çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu borular ısı ve elektrik yalıtımı için oldukça uygundur. Boruların açılıp kapanması operasyonel uygulamalar için bir zorunluluk olduğundan, polipropilen boruların avantajlarından biri de aşınmaya maruz kalmadan birçok kez açılıp kapanabilmeleridir.

Polipropilen boruların iç ve dış yüzeyleri pürüzsüz ve cilalıdır, bu da sıvıların boru içinde kolayca hareket etmesini sağlar. Bu borular uzun ömürlüdür ve yosun oluşumuna karşı dayanıklıdır. Ayrıca, hafif olmaları nedeniyle taşınmaları kolaydır. Polipropilen borular yüksek erime noktasına ve esnekliğe sahiptir. Fiyatları düşüktür ve metal ve dökme demir borulara alternatif olarak kullanılırlar. Polipropilen boruların diğer avantajları arasında boruların hızlı döşenmesi, çürüme ve korozyona karşı direnç ve donmaya karşı direnç yer alır. Bu boruların yüksek kimyasal direnç, sulu çözeltilere, alkalilere, asitlere, tuzlara ve organik çözücülere karşı direnç gibi bazı özellikleri, polipropilen boruları çeşitli durumlarda kullanışlı hale getirmiştir. Bu borular içme suyu boru sistemlerinde kullanılır. Polipropilen borular, gıda endüstrisi, bina tesisatı, bina ısıtma sistemleri, güneş enerjili ısıtma sistemleri, basınçlı hava hatları, asidik ve alkali ortamlar, oyuncak üretimi, gemi yapımı, otomotiv, laboratuvar ve tıbbi ekipman, su taşımacılığı, kanalizasyon sistemleri, tekstil endüstrisi, kimyasal deşarj sistemleri ve içme suyu boruları dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır (Şekil 4).

‌

PP boruların özelliklerini iyileştirmek amacıyla, 2004 yılında Borealis tarafından hidrostatik basınca karşı direnci artırılmış yeni nesil kristal yapısı modifiye edilmiş polipropilen rastgele kopolimer (PP-RCT) tasarlanmış ve üretilmiştir.
Kristallik modifikasyonu onlara aşağıdakiler de dahil olmak üzere benzersiz avantajlar sağlar:

• Artan darbe direnci
• Artan termal direnç
• Uzun vadeli sürünme dayanımında artış
• Ekstrüzyon hızının artırılması
• Kaynaklanabilirlik konusunda önemli iyileşme

Borealis tarafından üretilen PP-RCT’nin mekanik özellikleri Tablo 3’te gösterilmiştir.

‌

Tablo 3. PP-RCT granüllerinin mekanik özellikleri

Tip	Erime akış indeksi (10 g/dak) (230°C/ 2.16k)	Akma noktasındaki çekme gerilimi (MPa)	Çekme modülü (MPa)	Charpy çentik darbesi 23°C’de (kJ/m2)	Charpy çentik darbesi -20°C’de (kJ/m2)
RA7050	0.3	25	905	40	2

Borularda bu istenen özelliklere ulaşmak için, ülkemizde, İran’da, Giti Pasand Grubu’nun bir iştiraki olan Behin Pardazan Koosha Şirketi ilk kez PP-RCT masterbatch üretmeyi başarmıştır. Bu masterbatch, Azin Luleh Şirketi tarafından tek katmanlı ve üç katmanlı PP-RCT boru üretiminde kullanılmaktadır. Üretilen PP-RCT borular, daha ince olmalarına rağmen daha iyi özellikler göstermiş ve Karayolları ve Şehircilik Bakanlığı’na bağlı Karayolları, Konut ve Şehircilik Araştırma Merkezi tarafından onaylanmıştır.

Çözüm

PP uygulamaları, diğer polimerler arasında PP’nin çeşitli endüstriyel, ticari, tıbbi ve kişisel kullanımlar için esnek, dayanıklı, ucuz ve hafif polimerler üretmek için uygun bir seçim olduğunu göstermiştir. Doğrusal polipropilen zincirinde alkil dallarının bulunması, yüksek modül, çekme dayanımı ve ısı direncine sahip polimerler elde edilmesini sağlar. Ayrıca, polimerlerin geri dönüşümünün optik özelliklerini azalttığı gerçeğine rağmen, yarı kristal izotaktik polipropilen, geri dönüşümden sonra mükemmel mekanik özellikler ve uygun optik özellikler göstermektedir. Bu nedenle, PP’nin uygulamaları sınırsızdır ve lifler, bantlar, filmler vb. içerir. Bu nedenle, polipropilenin özelliklerini uygulamaya göre değiştirmek ve modifiye etmek hayati önem taşımaktadır ve gelecekteki ihtiyaçları karşılamak için bu yönde çalışmalar sürdürülmelidir.

Derleyen: Marzieh Shams Harandi
Bilimsel Editör: Samin Saleki

Kaynaklar

1. Hisham A. Maddah, Polypropylene as a promising plastic: A Review, American Journal of Polymer Science 2016, 6(1): 1-11.
2. Bikiaris, D., & Docoslis, A. Harutun G. Karian, Handbook of polypropylene and polypropylene composites, 2003.