Tekrar eden birimlerden oluşan makromoleküller olan polimerler, modern endüstrilerde vazgeçilmez malzemeler haline gelmiştir. Bununla birlikte, belirli performans kriterlerine ulaşmak için polimerler genellikle modifikasyon gerektirir. Polimer katkı maddeleri, polimerlerin özelliklerini uyarlamak ve geliştirmek için etkili araçlar olarak hizmet eder ve istenen gereksinimleri karşılamalarını sağlar. Üreticiler, polimer matrislerine katkı maddeleri ekleyerek işlenebilirliği optimize edebilir, mekanik mukavemeti artırabilir, dayanıklılığı artırabilir, alev direncini artırabilir, UV koruması sağlayabilir ve istenen diğer çeşitli özellikleri elde edebilir. Bu makale, polimer katkı maddelerinin önemini aydınlatmayı ve farklı katkı maddesi türleri ve işlevleri hakkında kapsamlı bir genel bakış sağlamayı amaçlamaktadır.
Polimer Katkıları: Tanım ve Sınıflandırma Polimer Katkı Maddelerinin Tanımı: Polimer katkı maddeleri, özelliklerini değiştirmek veya işlenebilirliklerini geliştirmek için polimer matrislerine katılan maddelerdir. Bu maddeler tipik olarak küçük miktarlarda eklenir ve polimerlerin özelliklerini ve performansını derinden etkileyebilir. Katkı maddeleri kullanım amaçlarına, kimyasal bileşimlerine ve etki mekanizmalarına göre çeşitli kategorilere ayrılabilir.Antioksidanlar, polimerlerin oksidasyonunu ve bozunmasını engelleyen katkı maddeleridir. Isı, ışık veya çevresel faktörlerin neden olduğu termal ve oksidatif bozulmaya karşı koruma sağlayarak mekanik özelliklerin kaybını önler ve polimerlerin hizmet ömrünü uzatır (Şekil 1) Yaygın antioksidanlar arasında engellenmiş fenoller, fosfitler ve tiyoesterler bulunur.
Polimerlerde antioksidanlar iki kategoride sınıflandırılır: birincil antioksidanlar (birincil stabilizatörler olarak da bilinir) ve ikincil antioksidanlar (ikincil stabilizatörler olarak da bilinir). Şimdi her bir kategoriyi inceleyelim:
1. Birincil Antioksidanlar (Birincil Stabilizatörler): Birincil antioksidanlar, oksidasyona karşı ilk korumayı sağlamak için işleme veya polimerizasyon sırasında polimerlere eklenen bileşiklerdir. Oksidasyonun başlaması sırasında oluşan serbest radikallerle reaksiyona girerek ve onları nötralize ederek işlev görürler. Birincil antioksidanlar, bu serbest radikalleri yayılmadan ve polimerin daha fazla bozulmasına neden olmadan önce temizler ve stabilize eder. Yaygın birincil antioksidanlar şunları içerir:
Bağlanmış Fenoller: Örnekler arasında Irganox®1010 , Irganox®1076 ve Irganox®1098 bulunmaktadır.
2. İkincil Antioksidanlar (İkincil Stabilizatörler):
İkincil antioksidanlar, polimerin ömrü boyunca oksidasyona karşı uzun süreli koruma sağlamak için tipik olarak birincil antioksidanlarla birlikte kullanılır. Oksidasyon işlemi sırasında oluşan ara ürünler olan hidroperoksitleri ayrıştırarak işlev görürler, böylece daha fazla oksidasyon reaksiyonunu önlerler. İkincil antioksidanlar, oksidasyonun zincirleme reaksiyonunu önlemek için hidroperoksitleri temizler ve nötralize eder. Yaygın ikincil antioksidanlar şunları içerir:
– Fosfitler: Örnekler arasında Irgafos® 168 ve Ultranox® 626 bulunmaktadır.
– Tiyoesterler: Örnekler arasında DLTDP (Dilauryl thiodipropionate) ve DSTDP (Distearyl thiodipropionate) bulunmaktadır.
– Bağlı Aminler: Örnekler arasında Tinuvin® 622, Tinuvin® 770 ve Chimassorb® 944 bulunmaktadır.
UV radyasyonu güneş tarafından üretilir ve bronzlaşma yatakları ve bazı lamba türleri gibi yapay kaynaklar tarafından da yayılabilir. Güneş ışığı Dünya yüzeyine ulaştığında UV-A, UV-B ve az miktarda UV-C ışınları içerir. Ancak Dünya’nın atmosferi, özellikle de ozon tabakası, UV-B ve UV-C ışınlarının önemli bir kısmını emerek zararlı etkilerine karşı koruma sağlar (Şekil 3). UV stabilizatörleri polimerleri UV radyasyonunun zararlı etkilerinden korur. Bu katkı maddeleri UV ışığını emer veya yansıtır, UV maruziyetinin neden olduğu bozulma ve renk değişikliğini azaltır. UV stabilizatörleri UV emiciler ve engellenmiş amin ışık stabilizatörleri (HALS) olarak kategorize edilebilir. HALS (Engellenmiş amin ışık stabilizatörleri), ultraviyole ışınlarının polimer zinciri üzerindeki etkisinden kaynaklanan serbest radikallerin emicisi olarak hareket eden yaygın bir UV stabilizatör kategorisidir. Ortaya çıkan serbest radikalleri yakalar ve yıkıcı işlevlerini nötralize ederler. Serbest radikallerin oluşumunu önleyerek, HALS polimerlerin bozunmasını önemli ölçüde azaltabilir. Özellikle poliolefinlerde ve oksidasyona duyarlı diğer malzemelerde etkilidirler.
Alev geciktiriciler, polimerlerin yanıcılığını azaltan ve yangına karşı güvenlik performanslarını artıran katkı maddeleridir. Yanma sürecine müdahale ederler ve alevin yayılmasını engeller veya geciktirirler. Yaygın alev geciktirici katkı maddeleri arasında halojenli (bromlu) alev geciktiriciler, fosfor bazlı bileşikler, antimon bileşikleri ve halojen içermeyen ikameler bulunur. Alev geciktirici masterbatch, yangın güvenliğinin hayati önem taşıdığı çeşitli endüstrilerde kullanılır. Bu katkı maddesi genellikle elektrikli ve elektronik cihazların, araba parçalarının, inşaat malzemelerinin, tekstil ürünlerinin ve yangına dayanıklılık gerektiren diğer plastik ürünlerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır (Şekil 4).
Yağlayıcılar, sürtünmeyi azaltarak işleme sırasında polimerlerin akış özelliklerini iyileştiren bir grup katkı maddesidir. Yağlayıcı masterbatchlerin kullanılmasının temel amacı polimer malzemelerin işlenmesini iyileştirmektir. Polimer zincirleri arasındaki ve polimer ile işleme ekipmanı arasındaki sürtünmeyi azaltmaya yardımcı olarak kalıplama, ekstrüzyon veya diğer üretim süreçleri sırasında daha düzgün akış ve daha kolay işleme sağlarlar. Masterbatchlerde kullanılan yaygın yağlayıcılar arasında yağ asitleri, yağ asidi esterleri ve metal stearatlar bulunur. Yağlayıcı masterbatch formülasyonu ve dozajı polimer tipi, işleme koşulları, fonksiyonel özellikler ve nihai ürün tüketim gereksinimleri gibi faktörlere bağlıdır.
Antistatik maddeler polimerlerin yüzeyinde statik elektrik birikimini azaltır veya ortadan kaldırır (Şekil 5). Bu katkı maddeleri yüzeyin iletkenliğini artırır ve yüzeydeki toz emilimini en aza indirir. Yaygın antistatik maddeler arasında yüzey aktif maddeler, iletken polimerler ve metalik bileşikler bulunur. Antistatik masterbatchlerin kullanımının aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli avantajları vardır: – Hassas elektronik bileşenlerde elektrostatik boşalma (ESD) hasarını önleme. – Toz, tiftik ve diğer asılı partiküllerin malzeme yüzeyine emiliminin azaltılması. – Statik elektriğe duyarlı ürünleri kullanan kullanıcılar için daha fazla güvenlik ve konfor. – Yanıcı ortamlarda yaşayanların tahliyesinden kaynaklanan yangın tehlikelerinin önlenmesi. – Statik yüklerin birikimini ve ilgili görsel kusurları azaltarak ürünün estetiğini iyileştirme.
Dolgu bileşikleri olarak da bilinen dolgu masterbatchleri, plastik endüstrisinde dolgu maddelerini polimer matrislerinde birleştirmek için kullanılan katkı maddeleridir (Şekil6). Dolgu maddeleri, özellikleri iyileştirmek ve maliyetleri düşürmek için polimerlere eklenen kalsiyum karbonat, talk veya cam elyaf gibi katı parçacıklardır. Dolgu masterbatchleri, bu malzemelerin taşıyıcısı olarak hareket eder ve polimer içinde dağılmalarını ve homojen dağılımlarını kolaylaştırır. Aşağıda, dolgu masterbatchlerinin bazı ortak özelliklerinden bahsedilmektedir: – Maliyetleri düşürme – Gelişmiş mekanik özellikler oluşturma – Boyutsal stabilitenin iyileştirilmesi – Artırılmış ısı direnci – Yüzey kalitesi ve görünüm – Elektriksel ve termal iletkenlik
Çekirdekleştirici ajanlar, polimerlerde kristalleşme sürecini teşvik etmek ve geliştirmek için polimer masterbatchlerde kullanılan katkı maddeleridir. Bu faktörler, çekirdeklenme bölgeleri oluşturarak polimer matrisinde daha küçük ve daha düzgün kristal yapıların oluşumunu kolaylaştırır. Bu durum, elde edilen polimerin özelliklerinde çeşitli avantajlara yol açar. Bu avantajlar arasında artan şeffaflık, artan sertlik, gelişmiş boyutsal kararlılık ve gelişmiş mekanik performans sayılabilir (Şekil 7).
Polimer masterbatchlerde, her biri kendi avantajlarına sahip olan ve farklı polimerler ve uygulamalar için uygun olan farklı tipte çekirdekleştirici ajanlar kullanılır. Bazı yaygın çekirdekleştirici maddeler şunlardır:
– İnorganik çekirdekleştirici maddeler: Talk, silika ve çeşitli kil türleri gibi inorganik çekirdekleştirici maddeler, polimer kristalizasyonu için heterojen çekirdekleşme bölgeleri olarak işlev görür. Bu faktörler yüksek çekirdeklenme yoğunluğu sağlar ve polimer matrisinde küçük ve dağınık kristallerin oluşmasına neden olur.
– Organik çekirdekleştirici maddeler: Benzoik asit türevleri, sorbitol ve bazı organik tuzlar gibi organik çekirdekleştirici maddeler, polimerlerin kristalleşmesini etkili bir şekilde artırabilir. Bu faktörler, kristalleşme için gereken aktivasyon enerjisini azaltarak daha hızlı ve daha kontrollü kristalleşme süreçlerine yardımcı olur.
– Karbon bazlı çekirdekleştirici maddeler: Karbon nanotüpler, grafen ve karbon siyahı gibi karbon bazlı çekirdekleştirici maddeler benzersiz özellikleri nedeniyle dikkat çekmiştir. Bu faktörler çekirdeklenme için mükemmel bölgeler sağlar ve polimerlerin mekanik, termal ve elektriksel özelliklerini geliştirebilir. Çekirdekleştirici maddeler çeşitli endüstrilerde polimer masterbatchlerde kullanılmaktadır.
Renk katkıları polimerlere renk katarak çekiciliklerini ve güzelliklerini ikiye katlar. Bu katkı maddesi, çeşitli polimer ürünlerin üretiminde belki de en yaygın kullanılan katkı maddelerinden biridir. Bu katkı maddeleri organik veya inorganik pigmentler, boyalar veya renk konsantreleri olabilir. Renkler ürün paketlemede, tüketim mallarında ve diğer çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır (Şekil 8).
Darbe modifiye ediciler, polimerlerde tokluğu ve darbe kuvvetlerine karşı direnci artırmak için kullanılan katkı maddeleridir. Polimerler doğal olarak yüksek mukavemet ve sertlik gibi özelliklere sahiptir, ancak darbe veya ani basınç üzerine kırılganlığa eğilimli olabilirler (Şekil 9). Darbe modifiye ediciler, polimerlerin kırılmadan darbeye dayanmalarını sağlayarak esneklik ve tokluk sağlayarak enerji emme kapasitelerini arttırır. Darbe modifiye edicilerin polimerlere dahil edilmesi çeşitli avantajlar sağlar. Bunlar arasında, malzemenin çatlamaya karşı direncini, kesilme hassasiyetini ve darbe dayanımını artırarak, dayanıklılığın ve darbe dayanımının kritik olduğu uygulamalar için uygun hale getirir. Darbe modifiye ediciler, polimer eriyiğinin akışını geliştirebildikleri, eriyik viskozitesini azaltabildikleri ve kalıplama veya ekstrüzyon sırasında daha kolay işlemeyi kolaylaştırabildikleri için malzemelerin işlenebilirliğini de artırabilirler.
Polimerlerde, her biri farklı polimer sistemleriyle belirli avantajlar ve uyumluluk sunan çeşitli tipte darbe düzenleyiciler kullanılır. Yaygın olarak kullanılan bazı etki değiştiriciler şunları içerir:
• Elastomerler
• Çekirdek-kabuk polimerleri
• Termoplastik poliüretanlar (TPU)
• Aşılanmış kopolimerler
Uygun bir darbe modifiye edicinin seçimi, baz polimer, işleme koşulları, amaçlanan uygulama ve istenen mekanik özellikler gibi faktörlere bağlıdır. Polimer matristeki darbe değiştirici konsantrasyonu, istenen tokluk ve darbe direnci seviyesini elde etmek için ayarlanabilir. Darbe modifiye ediciler, otomotiv, inşaat, tüketim malları ve paketleme dahil olmak üzere çok çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır. Araba parçaları, borular, filmler, levhalar ve darbeye dayanıklı kaplar gibi çeşitli ürünlerin üretiminde de kullanılırlar.
Anti-fog katkı maddeleri, plastik ürünlerin yüzeyinde buğulanmayı önlemek veya azaltmak için polimer formülasyonlarına dahil edilen bir malzeme grubudur. Buğulanma, su buharının yüzeyde yoğunlaşması ve küçük damlacıklar veya görüşü bozan sisli bir tabaka oluşturması ile oluşur. Buğu önleyici katkı maddeleri, su damlacıklarının oluşumunu en aza indirmek veya ortadan kaldırmak ve böylece polimer ürününün şeffaflığını korumak için polimerlerin yüzey özelliklerini değiştirerek çalışır.
Polimerlerde, her biri kendi etki mekanizmasına sahip farklı buğu önleyici katkı maddeleri kullanılır. Bazı yaygın buğu önleyici katkı türleri şunlardır:
• Yüzey aktif maddeler
• Hidrofilik kaplamalar
• Emici malzemeler
• Polimer karışımları
Buğu önleyici katkılar çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır. Yaygın kullanımlarından bazıları, görsel çekiciliği korumak ve ambalaj içindeki ürünün bozulmasını önlemek için gıda ambalajları (şeffaf gıda kapları, filmler ve tepsiler gibi) ve otomotiv uygulamalarında (ön camlar, aynalar gibi) içerir. Islak koşullarda net görüş sağlamak için (Şekil 10).
Kayma katkı maddeleri, plastik malzemelerin yüzey özelliklerini iyileştirmek için polimerlerde kullanılan bir katkı maddesi kategorisidir. Sürtünmeyi azaltır ve kayganlığı artırır, yüzeylerin birbiri üzerinde pürüzsüzce kaymasını sağlar. Yağlama katkı maddeleri, sürtünmenin azaltılması, işlenebilirlik ve geliştirilmiş performansın istendiği çeşitli polimer uygulamalarında önemli bir rol oynar.
Kaydırıcı katkı maddelerinin asıl görevi, polimer malzemelerin yüzeyindeki sürtünme katsayısını azaltmaktır. Bunu, polimerin yüzeyine göç ederek ve polimer ile diğer yüzeyler arasındaki yapışmayı azaltan bir kayganlaştırıcı tabaka oluşturarak başarırlar. Bu, kayma özelliklerini geliştirir ve yapışmayı ve tıkanmayı azaltır (Şekil 11).
Polimerlerde kullanılan farklı kayma katkı maddeleri şunlardır:
• Yağlı amidler
• Stearatlar
• Silikonlar
• Etilen bisasetamid (EBS)
Yağlayıcı katkı maddeleri çok çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır. Yaygın uygulamalarından bazıları film ve levha ekstrüzyonu, enjeksiyonlu kalıplama, üflemeli film ve paketlemeyi içerir (Şekil 12). Bu malzeme kategorisi, polimer malzemelerin işlenebilirliğini geliştirmek, imalat sırasında yüzey sürtünmesini azaltmak, kalıplanmış parçaların kalıplardan ayrılmasını artırmak ve nihai ürünler için pürüzsüz ve yapışkan olmayan bir yüzey oluşturmak amacıyla kullanılır.
Bu malzemeler, polimerlerde esnekliği, işlenebilirliği ve nihai performansı iyileştirmek için kullanılan bir grup katkı maddesidir. Bu malzemeler, esnekliği artırmak, camsı geçiş sıcaklığını düşürmek ve işleme sırasında daha kolay işlenmek amacıyla bazı polimerlere eklenir. Bu malzemelerin eklenmesi, polimer matrisi içindeki moleküller arası kuvvetlerin azalmasıyla ilişkilidir (Şekil13). Bu problem moleküler hareketliliğin artmasına neden olur ve sonuç olarak elde edilen polimerin çevre ve sıcaklık stresi koşullarında plastiğin şeklini değiştirme yeteneği daha yüksektir. Diğer bir deyişle, bu artan hareketlilik, polimer zincirlerinin birbirinin yanından daha kolay kaymasını sağlar ve sonuç olarak esneklik artar ve sertlik azalır.
Aşağıda, polimerlerde kullanılan ve her birinin kendine has özellikleri ve uygulamaları olan farklı tür yumuşatıcılardan bahsedilmektedir. Bazı yaygın yumuşatıcılar şunlardır:
• Ftalat yumuşatıcılar
• Fosfat yumuşatıcılar
• Trimelitat yumuşatıcılar
• Sitrat yumuşatıcılar
• Polimer yumuşatıcılar
Doğru plastikleştiriciyi seçmek, polimer tipi, istenen esneklik, işleme koşulları, nihai ürün gereklilikleri ve düzenleyici hususlar gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Polimer matristeki yumuşatıcının konsantrasyonu, nihai ürünün istenen esneklik ve performans seviyesini elde etmek için ayarlanabilir. Yumuşatıcılar birçok endüstride kullanılmaktadır. Vinil döşeme, tel ve kablo yalıtımı, araba içleri ve esnek filmler gibi esnek PVC ürünlerinin üretiminde yaygın olarak kullanılırlar. Esnekliği ve işlenebilirliği geliştirmek için poliüretanlar, elastomerler ve kaplamalar gibi diğer polimerlerde de kullanılırlar.
Polimer endüstrisindeki çeşitli katkı maddeleri, polimerlerin özelliklerinin ve performansının arttırılmasında çok önemli bir rol oynamaktadır. Bu makalede, antioksidanlar, UV stabilizatörleri, alev geciktiriciler, yağlayıcılar, antistatik maddeler, kayganlaştırıcı maddeler, dolgu maddeleri, çekirdekleştirici maddeler, renkler, darbe düzenleyiciler, buğu önleyici katkı maddeleri, kayma katkı maddeleri dahil olmak üzere çeşitli katkı maddeleri ele alınmaktadır. Ve plastikleştiriciler, belirli uygulama ihtiyaçlarını karşılamak için çok çeşitli işlevler sunar. Bu katkı maddelerinin yeteneklerini ve faydalarını anlamak, üreticilerin polimer formülasyonlarını optimize etmelerine ve çeşitli endüstriler için yüksek performanslı malzemeler geliştirmelerine olanak tanır.
Yazan: Zahra Davatgari
Basım: Dr. Mehrnaz Bahadri
• Gibson and M. Rivin, “Polymer Additives: Uses and Applications.” Wiley, 2001.
• M. Xanthos, “Functional Additives for Polymers: Science and Applications.” Wiley, 2009.
• A. N. Gent and S. H. Ali, “Polymer Additives.” Springer, 1983.
• C. Vasile and A. Ionescu, “Polymer Additives: Chemistry and Applications.” Springer, 2018.
• T. C. Chung, “Polymer Composites with Carbonaceous Nanofillers: Properties and Applications.” CRC Press, 2012.
• M. D. Lechner, “Additives in Polymers: Industrial Analysis and Applications.” Wiley, 2005.
• A. Jenkins, “Plastic Additives Handbook.” Elsevier, 2002.
• S. Ebnesajjad, “Additives for Polyolefins: Getting the Most out of Polypropylene, Polyethylene, and TPO.” Elsevier, 2015.
• S. Thomas and C. P. Reghunadhan Nair, “Rubber Nanocomposites: Preparation, Properties, and Applications.” Wiley, 2017.
• M. Mathew, “Polymer Blends and Composites: Chemistry and Technology.” CRC Press, 2019.
• N. M. Hardey, et al. “Polymer nucleating agents: Recent advances and applications.” Polymer Engineering & Science, 56(4), 339-353 (2016).
• T. P. Nguyen, et al. “Nucleating agents for enhancing crystallization in polymers: Recent advances, challenges, and future prospects.” Journal of Applied Polymer Science, 135(17), 46206 (2018).
• S. Shishoo. “Plastics in Medical Devices: Properties, Requirements, and Applications.” William Andrew, 2010. S. Shishoo. “Plastics in Medical Devices: Properties, Requirements, and Applications.” William Andrew, 2010.
• A. Gandini and E. Silvestre. “From monomers to polymers: Carbon dioxide as a renewable resource.” CRC Press, 2010.
• J. Hicks. “Handbook of Plastics Testing and Failure Analysis.” John Wiley & Sons, 2007.
• K. Friedrich. “Polymer Composites: From Nano- to Macro-Scale.” Springer, 2005.
• C. B. Bucknall. “Toughened Plastics II: Novel Approaches in Science and Engineering.” Elsevier, 1997.
• A. Budrugeac, et al. “Polymers in Packaging Applications.” Polymers, 12(4), 881 (2020).
• L. A. Utracki. “Handbook of Polymer Blends and Composites.” Volumes 1-4. CRC Press, 2003.
• J. C. Salamone (Ed.). “Polymer Additives: Advanced Industrial Analysis.” Wiley, 2005.
• J. P. Bonino, et al. “Review of antimisting agents: Emphasis on aviation applications.” Journal of Applied Polymer Science, 95(6), 1295-1311 (2005).
• M. J. Forrest. “Polymeric Biomaterials: Structure and Function.” CRC Press, 2013.
• M. Patel, et al. “Biodegradable Polymers: Processing, Degradation, and Applications.” CRC Press, 2021.
• D. E. Packham. “Plastics Packaging: Properties, Processing, Applications, and Regulations.” Springer, 2016.
• J. P. Bonino, et al. “Effect of slip additives on the surface behavior of thermoplastics: Role of additive concentration.” Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 40(14), 1581-1591 (2002).
• J. G. Pritchard. “Additives for Plastics Handbook.” Elsevier, 2001.
• S. Ebnesajjad. “Surface Treatment of Materials for Adhesion Bonding.” William Andrew, 2005.
• A. L. Andrady. “Plastics and the Environment.” John Wiley & Sons, 2012.
• D. J. Lohse, et al. “Slip and antiblocking agents.” In: G. Wypych (Ed.), Handbook of Antistatics. ChemTec Publishing, 2007.
• C. A. Harper. “Handbook of Plastics, Elastomers, and Composites.” McGraw-Hill, 2002.
• J. Wypych. “Handbook of Plasticizers.” ChemTec Publishing, 2017.
• L. W. McKeen. “The Effect of Sterilization Methods on Plastics and Elastomers.” William Andrew, 2012.