Polietilen nedir?

Dünyada, diğer ticari polimerlerden çok daha fazla polietilen üretilmektedir. Çünkü günlük hayatta herkes polietilen malzemelerle iç içedir. Her ne kadar başlangıçta, sadece izolasyon kabloları üretiminde kullanılmış olsa bile, bugünlerde polietilen, sağlamlığı, kullanışlılığı ve limitsiz uygulama potansiyeline sahip olması sebebiyle hemen hemen her sektörde kullanılmaktadır. 
  
Polietilen, diğer polimerlere göre kullanışlı günlük eşyalara daha rahat dönüştürülebilmektedir (Ambalaj, boru, oyuncak vb.). Örneğin alışverişlerde, polietilen ile kaplı birçok eşya satın alırız. Alışverişi tamamladığımızda ise aldıklarımız, polietilenden yapılmış poşetlere yerleştirilir.
  
Ambalaj sektörü dışında, polietilen malzemelerin yalıtkan ve dayanıklı olmaları sebebiyle elektrik ve elektronik eşya parçaları üretiminde, hafif ve dayanıklı olmaları sebebiyle otomotiv, beyaz eşya ve makine parçaları üretiminde ve kimyasal malzemelere dayanıklı olmaları sebebiyle kablo, boru ve yakıt tankları üretiminde yoğun olarak kullanılmaktadır.

Polietilen üretimi

Polietilen, petrolden elde edilen termoplastik bir polimerdir. Ham petrolün ısıtılmasıyla (cracking işlemi) elde edilen etilen monomeri, polimerizasyon metodu ile polietilene dönüştürülür. Kullanılacak olan polimerizasyon metoduna göre elde edilecek polietilen türü değişiklik gösterir.
 
Polietilen, kelime olarak “çok sayıda etilen” anlamına gelmektedir. Görünmeyen küçük etilen molekülleri, üretimde polietilenin yapı taşları olmaktadır. Eğer bu proses esnasında, malzemenin iç yapısına bakabilseydik, göreceğimiz şey, yapı taşı olan etilenlerin ipe dizilmiş boncuk taneleri gibi bir araya geldiğidir. Bu işlem tamamlandığında, ortaya dallanmış bir yapı ortaya çıkar.
İki temel tür: LDPE-HDPE
 

Polietilen, genel olarak iki ana sınıfa ayrılmaktadır. Alçak Yoğunluklu Polietilen (LDPE) ve Yüksek Yoğunluklu polietilen (HDPE).
  
Alçak yoğunluklu polietilen, radikal zincir polimerizasyonu yöntemi ile sentezlenmekte ve yüksek yoğunluklu polietilene göre daha çok moleküler dallanma görülmektedir. Bu dallanmalar LDPE’ye bazı özellikler sağlamaktadır. Yüksek dallanma görülen polimerlerin kristal yapı oluşturmaları çok zordur. Bu yüzden LDPE, HDPE’ye oranla daha düşük kristalliğe sahiptir.
  
Dallanmaların sebep olduğu bir diğer değişiklikte yoğunluğu azaltmalarıdır. LDPE’nin yoğunluğu 0,91 – 0,93 g/cm3 arasında iken, HDPE’nin yoğunluğu 0,94 – 0,96 g/cm3 arasındadır.
Yüksek yoğunluklu polietilen üretimine baktığımız zaman, radikal polimerizasyon ve koordinasyon polimerizasyonu yöntemlerinin kullanıldığı görülmektedir. Üretim prosesi esnasında moleküler dallanma görülmediği için yüksek kristalleşmeye sahiptir.


Temel özellikler - yoğunluk ve akışkanlık

Üretim esnasında, polietilenin daha sert veya daha esnek olması sağlanabilir. Bu, malzemenin yoğunluğuna ve erimiş haldeki akışkanlığına bağlıdır. Yoğunluk ve akış özellikleri, üretim prosesi esnasında uygulanan basınca göre değişiklik göstermektedir.
  
Eğer uygulanan basınç düşükse, yüksek yoğunluklu malzeme elde edilir. Çünkü etilen molekülleri, düşük basınç altında, düzgün ve sağlam bir yapı elde ederek, yakın bir şekilde bir araya gelirler.
  
Fakat uygulanan basınç yüksekse, elde edilen malzeme alçak yoğunluklu olmaktadır. Çünkü etilen molekülleri, bir araya gelirken, yan dallar meydana getirmektedir. Bu, üretilen polietilenin daha düşük yoğunluklu olmasına sebep olmaktadır.
  
Üretilen polietilenin yoğunluğu aynı zamanda, malzemenin “eriyik akış indeks”ini de değiştirmektedir. Yüksek yoğunluklu malzemeler, molekül yapılarından dolayı daha sert oldukları için, erimiş haldeki akışları daha yavaş ve zordur. Düşük yoğunluklu malzemeler ise molekül yapılarındaki yan dallar sebebiyle yumuşak olmakta, bu yüzden erimiş haldeki akışları daha kolay ve hızlıdır.


Polietilen İşleme Teknikleri

Polietilenler, çok çeşitli yöntemler kullanılarak biçimlendirilebilirler. Granül veya toz haldeki plastiğin, sıcak veya soğuk bir hazne içinde vidalı bir taşıyıcıyla eritilip sıkıştırılarak bir düseden çekildiği ekstruzyon yöntemi başta gelen plastik işleme tekniklerinden birisidir. Ekstruzyon yöntemi ile işleme tekniği ekstruder kullanılarak gerçekleştirilir.

  
Ekstruder, çeşitli bölümlerden meydana gelen bir işleme makinesidir. Malzeme, bir hopperdan ısıtılan bir odacığa beslenir; burada ısınır ve yumuşar; sonsuz bir vida sistemiyle homojenleştirilerek ekstruder çıkışına bağlanmış bir kalıba basılır. Ekstruderde farklı ısı bölgeleri, ısı kontrol panelleri, filtre veya süzgeç gibi sistemler bulunur. Kalıba basılan ergimiş plastik soğuyup sertleştikten sonra kalıp açılır ve malzeme çıkarılır. Kalıplama prosesi sırasında kimyasal reaksiyon olmaz. Üretilecek nesneye göre değişik ve farklı teknolojilerde kalıplar kullanılır.  
  
İnjeksiyon kalıplama, uzun yıllardır kullanılan plastik işleme tekniklerinden birisidir. Günlük hayatta karşımıza çıkan karmaşık şekilli bir çok malzeme bu yöntem kullanılarak üretilmektedir. İnjeksiyon kalıplama yönteminde, plastik malzeme, yüksek basınçla bir kalıp içine enjekte edilir; Üretilecek nesneye göre değişik ve farklı teknolojilerde kalıplar kullanılır.  
  
Şişirme kalıplama, ortası boş malzemelerin üretiminde kullanılan plastik işleme tekniğidir. Oyuncaklar, yakıt tankları, şişeler ve bidonlar bu yöntem kullanılarak üretilen malzemelerden bazılarıdır. Şişirme kalıplama yöntemi, iki ana temele dayanır. Birincisi, plastik kalıbı kullanılarak, ön şekillendirilmiş parça elde edilmesidir. İkincisi, ön şekillendirilmiş parça soğuyana kadar basınçlı gaz (hava) verilir ve şişirme işlemi tamamlanır.
  
Rotasyonal kalıplama, karışık ve tek parça büyük malzemelerin üretilmesinde kullanılan plastik işleme tekniğidir. Bu yöntem, plastik malzemenin, yüksek hızda ve farklı eksenlerde döndürülmesi ile elde edilen merkezkaç kuvvetinden faydalanılarak şekil verilmesi temeline dayanır.
  
Polietilen malzemelerin diğer işlenme yöntemleri ise termoforming (ısıyla şekillendirme), film ve köpük üretimidir.
 

Polimer Esaslı Köpük Nedir?

Polietilen köpük temel olarak ekstrüzyon teknolojileriyle üretilir. Köpükler, erimiş polietilende bir gazın, öncelikle, çözünmesi ve karışması, ikinci olarak, gazın çok sayıda küçük kabarcıklara veya hücrelere genişlemesi ve sonuç olarak genişlemiş polietilenin soğutulmasıyla ve böylece son köpüğün oluşturulmasıyla meydana gelmektedir.
  
Köpükler, tüpler, profiller, levhalar ve bloklar gibi farklı yarı mamul üründe şekillendirilebilir. Genişleme, polietilen yoğunluğunun önemli derecede düşmesiyle sonuçlanır. Bu tür köpükler için hammadde olarak kullanılan LDPE’in spesifik yoğunluğu 920 kg/m3’tür. Diğer taraftan polietilen köpüğün ortalama yoğunluğu 30 kg/m3’tür. Bu ağırlık düşmesi, polietilenin 30 kez genişlemesiyle elde edilir. Fakat köpük prosesi esnasında değişen yalnızca ağırlık değildir. Polietilenin köpük oluşumu esnasında kazandığı yeni özellikler, bu malzemenin uygulamaları için ortaklaşa sorumludur.

Plastik işleme endüstrisinde dünya çapında rekabet edebilmek için, üretim proseslerinde yenilikler ve gelişmeler ile ürün maliyetlerini minimize etmek, yeni veya geliştirilmiş ürünleri pazara sunmak gerekir. Polimerik köpükler, düşük yoğunluk ve düşük üretim maliyetleri ile bu talebe karşılık verebilecek malzemeler arasındadır. Polimer köpükler, uçucu gaza dönüşebilen gaz veya sıvı haldeki köpük yapıcıların genleşmesiyle üretilen, yoğun polimer matris ile çevrilmiş, gaz boşlukları içeren malzemeler olarak tanımlanır. Polimer köpükler genellikle, minimum iki fazdan oluşur. Bunlardan birincisi katı polimerik matris, diğeri ise köpük yapıcı ile elde edilen gaz fazıdır. Polimer içindeki boşluklar malzemenin yoğunluğunu azaltırken daha az hammadde kullanımı sağlarlar.

Bu durum ise ürünün fiyatını da önemli oranda düşürür. Ayrıca polimer malzeme içindeki boşluk oranı kontrol edilerek polimerin yoğunluğu ayarlanabilir ve değişik özelliklerde ve farklı yerlerde kullanılabilecek polimer köpükler üretilir. Bu avantajlarından dolayı, polimer köpüklerinin kullanım yerleri ve tüketim miktarları ilk ticari üretimlerinin başladığı 1940 yılından bu yana hızla artmıştır.

Geleneksel malzemelere ve hücresel olmayan polimerlere oranla daha düşük yoğunluk, malzeme tasarrufu, üstün dayanım/ağırlık oranı, fiyat uygunluğu, yüksek ısı ve ses yalıtımı, darbe dayanımı, tokluk, yorulma ömrü, ısıl kararlılık, düşük dielektrik sabiti, düşük termal iletkenlik gibi özelliklere sahip olan polimerik köpükler, mobilya sektörü, taşıma, yatak takımı, halı-döşeme altlıkları, paketleme, tekstil, oyuncaklar, kasket, spor uygulamaları, yalıtım uygulamalarında kullanılmaktadır . Özellikle otomotiv sektöründe parçalarda ağırlık tasarrufu ve bunun sonucunda azalan yakıt tüketimi sağlaması polimer ve polimer köpüklere olan ilgiyi artırmaktadır.

Polimerlerde bağ çeşitleri
Bu yapıda zincirler de kovalent bağla birbirlerine bağlanmışlardır. Ek atomlar veya moleküllerle zincirler arasında sık sık bağlanma olur. Polietilen bu yapıdadır.

Çapraz Bağlı Polietilen Nedir?

Doğrusal polietilen uzun bir hidrokarbon zincirinden oluşur. Doğrusal bir polimer olduğu için zincirler birbirine bağlı değildir ancak uzun zincirlerin birbirlerine ve kendi içlerine dolanması sayesinden belirli ölçüde etkileşim elde edilir. Bu zincir dolanması (entanglement) etkileşimi polietilene mukavemetini veren en önemli parametredir. 
 
Kristal yapıya sahip alanlarda ise moleküller arası (güçsüz) kuvvetler bulunur. Bu basit doğrusal polimer, oldukça iyi gerilme ve darbe dayanımına sahip olan tok ve esnek bir malzeme verir. Ancak, yüksek sıcaklıklara çıkarılan polietilenin kristal yapısı erimeye, moleküller arası etkileşimler güçsüzleşmeye ve yumuşak bir malzeme elde edilmeye başlanır.
 
Çapraz-bağlı polietileni plastik endüstrisine kazandıran sebep doğrusal polietilenin yüksek sıcaklıklardaki dayanımının düşük olması ve ısıtıldığı zaman yumuşayan polietilen reçinenin mekanik dayanımını kaybetmesidir. 
 
Polietilen zincirleri arasında çapraz-bağlar kurularak elastomer davranışı gösteren polietilen molekül ağı elde edilir. Genel olarak 3 ana sentez metodu bulunmaktadır: Engels-Azo kimyasal çapraz-bağlama, Silan kimyasal çapraz-bağlama (Sioplas Prosesi) ve ışınlama ile çapraz-bağlama. 
 
Çapraz-bağlanmış polietilenin en önemli faydaları ve gelişmiş fiziksel özellikleri ısı dayanımı, yüksek sıcaklıklarda basınç dayanımı, çevresel gerilme çatlağı (environmental stress cracking), kimyasal dayanımı, oksidasyon dayanımı, düşük sıcaklık mukavemeti, yüksek sıcaklıklarda uzun süreli mukavemeti, gaz nüfuzu dayanımı ve yüksek yalıtımıdır. Bütün bu gelişmiş fiziksel özellikleri sayesinde yüksek performans mühendislik malzemesi olarak kullanılır.