Mükemmel kimyasal, fiziksel ve mekanik özelliklere sahip olan Polipropilen (PP), dünyada en yaygın kullanılan ve kullanılan temel polimerlerden biridir. Bu malzeme geri dönüştürülebilir ve tüketicilerin uygun yönetimi ile çevreye zarar vermez. Isıya nispeten dayanıklıdır ve çevreye toksik maddeler salmaz. Ayrıca propilen monomerden üretilen polimerin genellikle kimyasal çözücülere, bazlara ve asitlere karşı dirençli olması bu polimerin günlük yaşamda yaygın olarak kullanıldığını göstermektedir. Bu termoplastik polimer, filmler ve levhalar, üflemeli kalıplama, enjeksiyonlu kalıplama, gıda paketleme, tekstil, laboratuvar ve tıbbi ekipman, borular, endüstriyel ve inşaat uygulamaları ve özellikle otomobil bileşenleri imalatı dahil olmak üzere çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır. Bu polimer araba parçalarının neredeyse %30’unda kullanılmaktadır.
Anahtar Kelimeler: polimer, polipropilen, termoplastik, özellikler, uygulama.Polipropilen, propilen monomerlerinin ısı uygulanarak ve reaksiyon ortamına bir başlatıcı veya katalizör katılarak polimerizasyonu sırasında oluşan petrokimya ürünlerinden biridir. Polipropilen üretimi için çözelti, süspansiyon, yığın ve gaz fazı polimerizasyonu olmak üzere dört farklı yöntem vardır. PP özellikleri proses koşullarına, kopolimer bileşimlerine ve moleküler ağırlık dağılımına göre belirlenir. Şekil (1)’de gösterildiği gibi, PP, her bir karbon atomunun bir metil grubuna bağlı olduğu bir vinil polimerdir.
Polimer malzemelerin termoplastik, termoset, elastomer ve polimer bileşikleri olmak üzere dört ana gruba ayrıldığı belirtilmelidir. Elastomerler ve termosetler sırasıyla yumuşak ve sert esnekliğe sahiptir ve reçineleri yeniden eritilemez ve geri dönüştürülemez. Termoplastikler amorf veya yarı kristaldir ve geri dönüştürülebilir. Polipropilen termoplastik grubuna girer ve onu değiştirip farklı katkı maddeleri ile güçlendirerek mekanik özellikleri yüksek polimerler oluşturur. Polipropilen, kalıplamada iyi esnekliğe sahip bir termoplastik polimerdir, ayrıca konsantre ve seyreltik asitler, alkol, aldehit, ester, eter ve oksitleyici reaktiflerin varlığında mükemmel direnç gösterir. Kristal yapıya sahip olan bu polimer, diğer ticari termoplastik polimerlere göre yüksek bir erime noktasına sahiptir. Bu nedenle özellikleri açıklanacaktır.
Farklı polipropilen türlerini anlamak için termoplastik polimerlerin sınıflandırılmasını farklı bir bakış açısıyla incelemek gerekir. Termoplastik polimerler iki gruba ayrılır: yaygın termoplastik polimerler, bu grup polietilen, polipropilen, polistiren ve polivinil klorür gibi ana polimerleri kapsar. Mühendislik termoplastik polimerleri, termoplastik polimerlerin ikinci grubudur ve bu grubun ürünleri elektrik ve makine mühendisliği uygulamaları ile ilgilidir. Bunlar arasında polisülfon, naylon, polikarbonat, asetal ve ABS terpolimerlerini sayabiliriz. İki farklı polipropilen türü vardır. Homopolimer (HPP) olarak adlandırılan, sadece yarı kristal katı formda propilen monomeri içeren birinci tip polipropilen. Polipropilenin yapısında propilen monomer dışında bir monomer kullanıldığında polipropilen kopolimer elde etmiş oluruz. Polipropilen kopolimerin kendisi iki kategoriye ayrılır: blok kopolimer ve rastgele kopolimer. Kesikli kopolimerde, etilen segmentleri polimer zinciri boyunca propilen segmentleri arasında yer alırken, random kopolimerde etilen monomerleri düzensizdir ve polimer zinciri boyunca birbirinden ayrılmıştır. HPP, endüstride en yaygın kullanılan polipropilen türüdür. HES, kristal ve kristal olmayan kısımlar içeren iki fazlı bir sistemdir. Amorf bölgeler izotaktik PP (iPP) ve ataktik PP’ye sahiptir. İzotaktik PP amorf bölgelerde kristalleşebilir ve zamanla yavaş yavaş kristalleşir. Diğer bir deyişle, HES yalnızca bir izotaktik propilen biriminden oluşur ve polimere kristal yapı verir. Bu nedenle, HES, oda sıcaklığında yüksek mukavemete ve erime noktasına, ancak düşük darbe mukavemetine sahiptir. Rastgele kopolimerler, bir reaktörde propilen ve az miktarda etilenin (genellikle %7 veya daha az) kopolimerizasyonuyla üretilen etilen/propilen kopolimerleridir. Etilen, polipropilenin düzenli yapısını bozar ve polimerdeki kristalliğin homojenliğinin azalmasına yol açar, bu da etilen içeriğindeki artışla kristalliğin kademeli olarak azaldığı ve daha düşük bir erime noktasına ulaştığı anlamına gelir. Kopolimerler genellikle biraz daha iyi darbe özelliklerine, daha düşük erime noktalarına ve daha yüksek esnekliğe sahiptir. Daha iyi bir anlayış için, polipropilenin özellikleri Tablo 1’de tartışılmaktadır.
İzotaktik yarı kristal yapılar, monoklinik (𝛼), trigonal (β) ve ortorombik (γ) yapılar olmak üzere üç kristal yapıya sahiptir. Kristalliği azaltmak, ürünün şeffaflığını arttırır. İzotaktik polimerler, geri dönüşümün bulanıklık üzerindeki etkisini gözlemlemek için birkaç kez ekstrüde edilir, geri dönüştürülür ve ekstrüzyon işleminden sonra soğutulur. Sonuçlar, artan geri dönüşüm adımları ve soğutma hızı ile bulanıklığın azaldığını göstermektedir. Ancak 𝛼 faz değerinin artması ve monoklinik yapıların ortalama boyutunun artması bulanıklığı arttırır. İzotaktik polipropilen (β-iPP), benzersiz özelliklere sahip başka bir ticari numunedir. Örneğin, β-iPP’nin tokluğu ve darbe dayanımı, 𝛼-iPP’ninkinden önemli ölçüde daha yüksektir. β fazının gelişimi, bir sıcaklık gradyanında kristalleşme ile tamamlanır. Bununla birlikte, β modifikasyonu, 𝛼 modifikasyonunun yerine geçemez, çünkü her bir kristallik tipinin kendine has benzersiz özellikleri vardır. Sonuçlar, iPP türlerinin mükemmel mekanik özelliklere ve uygun optik özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. Polimerlerin geri dönüştürülmesinin mekanik ve optik özelliklerini azalttığını belirtmekte fayda var. Optik özellikler, gıda paketleme uygulamaları için çok önemlidir. PP için belirtilen özelliklere göre, geri dönüştürüldükten sonra istenen özelliklerin dayanıklılığı ile birlikte, bu polimerin benzersiz bir özelliği olarak kabul edilir. Bu polimerin ticari ürünleri moleküler ağırlık, monomer ve çeşitli katkı maddelerinde mevcuttur. Fiziksel özelliklerin iyileştirilmesi, polipropilenin filmler, elyaflar, şeritler, levhalar, havadan elde edilen ürünler ve enjeksiyon kalıplama gibi çoğu uygulamada ana malzeme olmasını sağlar. Diğer polimerlere kıyasla ticari polipropilenin erime sıcaklığı, kristalleşme sıcaklığı ve bozunma sıcaklığı gibi bazı termal özellikleri Tablo 2’de gösterilmektedir.
Bu nedenle, 0.9 yoğunluğa sahip bu hafif polimer, belirtilen diğer özelliklerle birlikte endüstride birçok uygulamaya sahip olacaktır.
PP elyafları, farklı ekstrüzyon işlemleri kullanılarak üretilir. Düşük yoğunluğu, mukavemeti, kimyasal direnci ve leke tutmazlığı gibi özellikleri ile PP, suni çim sahalar, dikiş ipliği, her türlü kumaş ve peçete gibi elyaflar için çeşitli uygulamalar göstermektedir(Şekil 2).
PP filmler, ekstrüzyon işlemiyle üretilir. Filmin kalınlığı 10 mm’den azdır. Bu filmler gıda ürünlerinde, yapışkan bantlarda ve giysilerde kullanılmıştır.
Isıyla şekillendirme işlemi, termoplastik tabakanın ısıtılmasını içerir. yumuşama noktasına kadar ve ardından yumuşayan sacın istenilen şekle getirilmesi. Ekstrüzyon işlemi, kalınlığı 10 mm’den fazla olan bir levha üretir. Sac genişliği genellikle 2-7 fit arasındadır. Ambalaj uygulamaları için termoform kapların üretiminde levhalar kullanılmaktadır.
Bu işlemde polimer granüller ısı uygulandıktan sonra eritilir, daha sonra erimiş malzeme kapalı kalıba enjekte edilir. Kalıp genellikle, basınç altındaki eriyiğin kuvvetinin üstesinden gelmek için bir araya getirilen iki yarıdan oluşur. Bundan sonra enjekte edilen malzeme soğur ve katılaşır. Enjeksiyon kalıplama, bazı ev aletleri ve el aletlerinin yanı sıra tek kullanımlık şırıngalar gibi çeşitli tıbbi uygulamalarda kullanılır.
Üflemeli kalıplama işleminde, termoplastik bir polimere sıcak hava üflenerek içi boş bir nesne üretilir. Şişirme işleminde Pryson4 adı verilen termoplastik malzemeden içi boş bir tüp üretilir ve kapalı bir kalıbın içine yerleştirilir. Şişeler ve bardaklar şişirme işleminin ana ürünleridir.
Yeni arabalarda kullanılan polimerlerin çoğu PP tipindedir, çünkü araba şirketleri benzin gibi bazı maliyetlerden müşteriler için tasarruf etmek amacıyla arabalarının toplam ağırlığını azaltma eğilimindedir. PP en önemli avantajı hafifliği olan kapı, gövde, kolon vb. konstrüksiyonlarda kullanılmaktadır. Ağırlık azaltma önemli bir faktör olmuştur, bu nedenle PP, otomotiv dış parçaları için önemli bir malzeme haline gelmiştir (Şekil 3).
Polipropilen borular çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu borular ısı ve elektrik yalıtımı olarak çok uygundur. Boruların açılıp kapanması operasyonel uygulamalar için bir zorunluluk olduğundan polipropilen borunun avantajlarından biri de aşınmadan defalarca açılıp kapanabilmesidir. Polipropilen borular, borunun içinde ve dışında pürüzsüz ve cilalı bir yüzeye sahiptir, bu da sıvıların boru içinde hareket etmesini kolaylaştırır. Bu borular uzun ömürlüdür ve yosun tutmaz. Ayrıca hafif olmaları nedeniyle bu tüplerin taşınması kolaydır. Polipropilen borular yüksek erime noktasına ve esnekliğe sahiptir. Bu boruların fiyatı düşüktür ve metal ve dökme demir boruların yerine kullanılır. Polipropilen boruların diğer avantajları arasında boru döşenmesindeki hız, çürüme ve korozyona karşı direnç, donmaya karşı direnç gibi hususlardan bahsedebiliriz. Bu boruların kimyasal direncinin yüksek olması, sulu, alkali, asitli çözeltiler, tuzlar ve organik solventlere karşı direnci gibi bazı özellikleri polipropilen boruların çeşitli durumlarda kullanılmasına neden olmuştur. Bu borular içme suyu borulama sistemlerinde kullanılmaktadır. polipropilen borular Gıda sanayi, bina boruları, bina ısıtma tesisleri, güneş enerjisi sistemleri, basınçlı hava hatları, asit ve alkali ortamlar, oyuncak imalatı, gemi inşa sanayi, otomobil sanayi, laboratuvar ve tıbbi cihazlar, su iletimi, kanalizasyon sistemleri, tekstil endüstrisi, kimyasal deşarj sistemleri ve içme suyu boruları gibi çeşitli durumlarda kullanılmaktadır (Şekil . 4).
PP boruların özelliklerini iyileştirmek için 2004 yılında Borealis tarafından geliştirilmiş hidrostatik basınç direncine sahip kristallik modifikasyonlu (PP-RCT) yeni nesil polipropilen random kopolimer tasarlanmış ve üretilmiştir.Kristalliğin modifikasyonu, onlar için aşağıdakileri içeren benzersiz avantajlar sağlar:
Borealis tarafından üretilen PP-RCT’nin mekanik özellikleri Tablo 4’e göredir..
tip | Eriyik akış indeksi (10g/dk) (230°C/ 2.16k) | Akma noktasında çekme gerilimi (MPa) | stres modülü (MPa) | Notch Charpy vuruşu C◦ 23’te (kJ/m2) | Notch Charpy vuruşu C◦ -20’de (kJ/m2) |
RA7050 | 0.3 | 25 | 905 | 40 | 2 |
Boruda istenen bu özelliklerin elde edilebilmesi için ülkemizde ilk defa Giti-Pasand Grup iştiraki Behin Pardozaran Kosha firması Azin Boru’nun ürünü olan PP-RCT masterbatch’i üretmeyi başarmıştır. Firma tek boru üretiminde tek kat ve üç kat PP-RCT kullanılmaktadır. Üretilen PP-RCT borular, daha düşük kalınlıklarına rağmen daha iyi özellikler göstermiş ve Karayolları ve Şehircilik Bakanlığı Yol, Konut ve Şehircilik Araştırma Merkezi’nden başarıyla sertifika almıştır.
PP uygulamaları, diğer polimerler arasında PP’nin birçok endüstriyel, ticari, tıbbi ve kişisel kullanım için esnek, dayanıklı, ucuz ve hafif polimerler üretmek için iyi bir seçim olduğunu göstermiştir. Doğrusal polipropilen zincirinde alkil dallarının varlığı, yüksek modül, gerilme mukavemeti ve ısı direncine sahip polimerler üretir. Ayrıca, geri dönüşüm polimerlerinin optik özelliklerini azaltmasına rağmen, yarı kristal izotaktik polipropilen, geri dönüşümden sonra mükemmel mekanik özellikler ve uygun optik özellikler gösterir. Bu nedenle, PP’nin uygulamaları sınırsızdır ve elyafları, kayışları, filmleri vb. içerir. Bu nedenle, polipropilenin özelliklerinin uygulamaya göre modifiye edilmesi ve değiştirilmesi hayati önem taşımakta olup, gelecekteki ihtiyaçlara cevap verebilmek için bu yönde çalışmalar takip edilmelidir.
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.