Plastikler Plastiklerin Moleküler Yapıları

PLASTİKLER
Plastikler, kimyasal yönden polimerler grubuna dahildirler Küçük molekül bireylerinin (monomerler)birbirine eklenmesi sonucu elde edilen moleküler yapıdaki bireylerin (mer) sayısına bağlı olarak gaz,sıvı ve katı halde bulunurlar[sıvı halde bulunan boyalar,vernikler,adezifler vb malzemeler de polimer sayılır]

Plastik kelimesi isim olarak bir malzeme türünü belirtir,bir sırat olarak kalıcı şekil değiştirebilen cisim anlamına gelir Örneğin bakır bir plastik malzemedir,plastik şekil değiştirdikten sonra kırılır,fakat plastik değildir Endüstride plastik denmesinin nedeni üretimlerinin belirli bir aşamasında akıcı veya plastik kıvam almaları ve basınçla bir kalıba enjekte edilerek şekil verilebilmeleridir Gerçekte plastikler hafif olup kolay şekillendirilir,az bir bilgi ile en karışık geometrik şekiller kolaylıkla verilebilir Bu nedenle de çok geniş uygulama alanına sahiptirler

Plastiklerin Moleküler Yapıları

Plastiklerin ana ilkel maddeleri hidrokarbonlardır Doymamış hidrokarbonlarda C atomları arasında iki veya daha fazla kovalan bağ vardır C atomlarının yanında genellikle H,bazılarında CI,F,O,N ve S atomları bulunur C atomları arasındaki çift kovalan bağdan biri genellikle sıcaklık,basınç veya katalizör yardımı ile koparılarak Şekil 1 (b) de görüldüğü gibi iki yan reaksiyon bağlarında birer elektron vardır,dolayısıyla birer valanse enerji düzeyi boştur Bu durumda olan iki komşu etilen monomeri birer elektronlarını paylaşarak aralarında kovalan bağ oluştururlar Böylece çok sayıda etilen meri birbirine eklenerek birer polietilen polimer zinciri meydana getirir Polimer zincirleri birbirleri ile ancak zayıf bağ kurabilirler



Şekil 1 a) Etilen monomeri , b) İki reaksiyon bağlı etilen monomeri, c) Etilen monomeri
Hidrokarbon zincirlerinin genel formülü CmH2m+2 şeklindedirZincirdeki m sayısı arttıkça molekülün boyutu büyür,aralarındaki zayıf bağ sayısı artar,önce gaz halinde iken sonra sıvıdaha sonra katı olur Şekil 2 (a) da görüldüğü gibi m sayısı1-4 arasında gaz halinde iken 5-11 arasında sıvı,12-20 arasında yağ, 20-50 arasında mum, daha büyük ise katı hale dönüşür Molekül zincirinin boyu arttıkça yan bağların sayısı artar,bunun sonucu mukavemet de doğal olarak yükselir(Şekil1 b)



Şekil 2 (a) Polimerde m sayısı ile ergime sıcaklığının değişimi, b) m sayısı ile mukavemetin değişimi

Polimerlerin Kristalleşmesi
Polimerler genellikle amorf yapıya sahiptirler,Uzun ve karmaşık yapılı zincirlerin komşuları ile uyum sağlayıp düzenli yapı meydana getirmeleri çok zordur Bir lineer polimerin genel görünüşü pişmiş makarnayı andırır,zincirler birbirleriyle dolaşmışmış halde bulunur Ancak basit yapılı ve simetrik polimerlerde polietilen izotaktik propilen gibi bazı koşullarda yerel düzen oluşabilir Amorf ana yapı içinde oluşan küçük kristal yapılı bölgelere kristalitler denir kristalitlerin yoğunluğu amorf yapıya göre % 5-10 kadar daha büyüktür Örneğin endüstride kullanılan yüksek yoğunluklu polietilende % 90 oranında kristalleşme nedeni ile yoğunluk 0,96 gr/cm³ düşük yoğunluklu amorf polietilende ise 0,92 gr/cm³ dür Soğuma hızı yavaş olursa kristalleşme olanağı artar Kristalleşme dış kuvvet etkisinde de oluşabilir Gerilen molekül zincirleri paralel hale gelecek yer yer uyum sağlayabilirler Bu şekilde doğan kristaller kuvvet doğrultusuna paralel olur-lar Kristallerin büyüklüğü 50-100 A°civarındadır Molekül zincirleri ise bu boyuta göre çok daha uzundur Bazıları birkaç kristalit içinden geçerek Uzanırlar kristallik derecesi arttıkça mekanik özellikleri ve yumuşama sıcaklığı yükselir Kristalli ve amorf yapılı polietilen mekanik özellikleri arasındaki şekil 3 te açıkça görülmektedir



Şekil-3 Kristalli ve amorfPE`nin Şekil-4 Metallerin polimerlerin
gerilme-şekil değiştirme eğrileri gerilme-şekil değiştirme eğrileri

Metallerde gerilme-şekil değiştirme eğrileri akma başladıktan sonra yatıklaşır (şekil 4) Diğer taraktan lineer polimerlerde ise eğri başlangıçta yatıktır Sonra dikleşir Molekül zincirleri gerilip doğrulunca komşuları ile uyum sağlarlar Yer yer kristalleşme oluşur ve şekil değiştirme direnci artar Özellikle bu davranış kauçukta çok belirgindir Çekme etkisinde kristalleşme nedeniyle kauçuğun hacmi azalır,gerilme kalkınca tekrar ilk haleline döner Diğer malzeme türlerinde ise çekme etkisinde daima hacim artar

a) Lineer Polimerler
Lineer polimerler “vinil” ve “bütadien” olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar Vinil türü mono-merde çift bağlı iki C atomu ile bunların ikişer yan atomu vardır Bu yan atomlardan ilk üçü H, Diğer dördüncüsü H den başka türde olabilir Bu dördüncü yan atom H ise etilen,CI ise vinilklorür,CH3 grubu ise propilen ve benzer halkası ise stiren monomeri elde edilir Eğer vinil tür monomerin ilk iki yan atomu H, diğer iki yan atomu değişik türde atom ise viniliden monomeri oluşur Bu son iki yan atom CI ise viniliden klorür olur Bu grupta dört yan atomda F olursa tetrafloretilen polimeri elde edilir Reaksiyona giren ana monomerin başına “poli” kelimesi eklenerek polimerin adı elde edilir Örneğin tetrafloretilen monomeri polimerize edilirse politetrafloretilene dönüşür, buna da endüstride “teflon” denir

Lineer polimerlerde molekül zinciri boyunca ayın tür mer varsa “homopolimer” veya kısaca polimer denir Bunlarda zincir boyunca bağ boyları ve bağ açıları aynıdır ve atımlar simetrik dizilmiştir,dolayısıyla komşu zincirler arasında uyum sağlayarak kristalli yapı oluşturma eğilimi artar Bazı polimerlerde ise birden fazla tür mer bulunur ve bunlara “kopolimer” denir Kopolimerde değişik oranda ve değişik türde merler farklı biçimde dizilerek çok değişik özellikte yapı oluştururlar Merler zincir boyunca ardaşık düzenli veya rasgele dizilebilir veya aynı tür mer içeren bir zincire başka tür zincir dal biçiminde eklenmiş olabilirKopolimerler düzensiz yapılıdır, atomsal dolgu faktörü daha düşüktür, daha kolay şekil değiştirirler ve toklukları yüksektir

Örneğin vinil klorürle viniliden klorür (PVC) kopolimerini oluştururlar ABS kopolimeri akrilonitril-bütadien-stiren merlerini içerir, bu kopolimeri mukavemeti ve elastisite modülü yüksek olduğu gibi tokluğuda yüksektir,çarpmaya iyi dayanır

Tablo1 Bazı termoplastiklerin bileşimi




b) Uzayağı Polimerleri
Uzayağı polimerlerinde moleküller arasında üç boyutlu uzayda sürekli kovalan bağ vardır Bu bağlar bazılarında yüksek basınç ve sıcaklık etkisinde ,bazıları ise oda sıcaklığında kimyasal reaksiyon sonucu oluşur Bunlarda genellikle sıvı halde bulunan monomer kütlesi veya reçine ile bir sertleştirici katkı ile karıştırıldıktan sonra polimerisazyon olayı süresince molekül bireyleri arasında çapraz bağlar meydana gelir Polimerizasyon bittikten sonra amorf ve rijit bir kütleye dönüşür Bundan sonra sıcaklık artsa dahi yumuşama oluşmaz Aşırı sıcaklık kovalan bağların kopmasına, dolayısıyla malzemenin tahrip olmasına neden olur Uzayağı polimerleri olan termosetler tekrar kullanılamazlar

Monomerlerde ikiden fazla doymamış karbon-karbon bağı varsa üç veya dört adet komşu moleküler bağ kurularak sürekli bir kovalan bağ ağı oluştururlar Bu türe örnek en sık rastlanan ve ilk defa sentetik yolla üretilen polimer fenol-formaldehittir

Gerçekte fenolün benzer halkasından üç adet reaksiyon bağı elde edilebilir İki reaksiyon bağlı formaldehit ile üç reaksiyon bağlı fenol monomerleri üç boyutlu uzayağı türü formaldehit polimeri meydana getirirler Bu polimere endüstride bakalit denir Bakalit sürekli kovalan bağa sahip bir termosettir,bu nedenle sert ve gevrek bir cisimdir
Termoset plastikler termoplastiklere göre daha yüksek mukavemetli,daha “rijit” (elastisite modülü yüksek),boyutları daha kararlı sünmesi daha düşük ve kullanılma sıcaklıkları daha yüksektir Bununla beraber daha pahalı ve uygulamaları daha güçtür

Dış Etkilere ve asitlere daha dayanıklı olduklarından koruyucu kaplama ve dekorasyon amacı için kullanılmaya elverişlidirlerTablo2 de bazı termoset plastiklerin özellikleri verilmiştir Gerçekte arı kütle halindeki termoset plastiklerin mukavemeti diğer malzemelere göre düşük olmakla beraber lifler vb malzemelerle (cam,boron,karbon,mika,sellüiloz,lifleri gibi) pekiştirilerek komposit malzemelere dönüştürülürler ve mukavemetleri birkaç kat arttırılabilir Örneğin poliyesterin mukavemeti 42-95 MPa arasında iken cam lifleri ile pekiştirilince 200-345 MPa kadar yükseltilebilir Ayrıca hafif olduklarından özgül mukavemet (mukavemet/özgül ağırlık) yönünden metallerden çok daha üstündürler Bu nedenle uçak ve uzay endüstrisinde,oto,deniz tekneleri,spor malzemeleri ve yapı elemanları üretiminde çok yaygın olarak kullanılırlar

Tablo2 Bazı termoset plastiklerin özellikleri