Polimer Bilimi ve Mühendislik – Mümin Poyraz Coşar
İçindekiler
1. Polimer Nedir?
2. Polimerlerin Yapısı
3. Polimer Çeşitleri
4. Polimerlerin Sentezi
5. Polimerlerin Kullanım Alanları ve Mühendislikte polimerler
6. Kaynakça
1. Polimer Nedir?
Polimer, (Yunanca poly-: “birçok” + -mer: “kısım”) monomer adı verilen daha basit kimyasal birimlerin katları olan makromoleküller adı verilen çok büyük moleküllerden oluşan maddelerdir. 1 Polimerler doğal veya sentetik olabilir.
Şekil 1. Nylon Polimerinin Formasyonu
Şekilde de görüldüğü gibi termoplastik olan Nylon 66 polimeri, heksametilendiamin ve adipik asidin polikondenzasyonu ile sentezlenmektedir. 2 Böylece daha büyük bir molekül olan Nylon 66 polimeri elde edilir.
2. Polimerlerin Yapısı
Bir önceki bölümde bahsettiğimiz üzere polimerler birbirini tekrar eden özdeş ve çok sayıda birimin oluşturduğu moleküllerdir. Monomerler, polimerizasyon tepkimesi sonucu kimyasal bağ yaparak polimerlere dönüşürler. 3 Monomerler, polimerlere dönüşürken yaptıkları bağların zincir yapısı farklı olmaktadır. Polimerler, molekül zincirlerinin bağlarına göre 4 sınıf altında incelenir. Bunlar; Lineer Polimerler, Dallanmış Polimerler, Çapraz Bağlı Polimerler, Ağ Yapılı Polimerler. 4
Şekil 2. Polimer Çeşitleri
2.1 Lineer Polimerler
Monomerlerin uç uca eklenerek doğrusal bir zincir oluşturduğu moleküllerdir. Bu zincirler arasında, polarite (kutupsallık) etkilidir. Bunun nedeni lineer polimerlerin tek uçlu gruplu monomerlerden oluşmasıdır. 3 Bu nedenle hidrojen bağları ve Van der Waals bağları içerirler.
Bu yapıdaki bazı polimerler: PVC, Polietilen, Florokarbon ve Naylonlar.
2.2 Dallanmış Polimerler
Monomerlerin bir ana zincir oluşturduğu ve bu ana zincire yandan monomerlerin bağlanarak polimer sentezlendiği durumdur. 5 Yan dallar, polimerin paketlenebilirliğini ve artan hacim nedeniyle yoğunluğunu düşürmektedir.
2.3 Çapraz Bağlı Polimerler
Çapraz bağlı polimerler, lineer zincirler birbirine değişik yönlerde kovalent bağla bağlanırlar. Bu polimerler suda genişler veya sıcaklığa maruz kaldıklarında şekil ve boyut değiştirebilirler.
2.4 Ağ Yapılı Polimerler
Ağ yapılı polimerler hem teorik hem de ticari açıdan önemli bir polimerik malzeme grubudur. Makromoleküler zincirlerin genellikle kalıcı kovalent bağlar yoluyla birbirine bağlanması, ağ polimerlerine diğer polimerlerden farklı özellikler kazandırır. Bunlar; artırılmış modül ve elastikiyet, daha düşük sürtünme oranları, solvent direnci ve yüksek sıcaklık kararlılığıdır. 5
3. Polimer Çeşitleri
Polimerler; Termoplastik, Termoset ve Elastomerler olarak 3 temel çeşide ayrılırlar. Bu sınıflar arasındaki ayrım iyi uygulanan ısı altında davranışları ile tanımlanır. 6
3.1 Termoplastik
Termoplastik, belirli sıcaklıkta bükülebilir veya kalıplanabilir hale gelen ve soğuduktan sonra katılaşan bir polimer plastik malzemedir. 7 Termoplastikler kolayca geri dönüştürülür ve birden çok kez ısıtıldığında veya soğutulduğunda herhangi bir kimyasal özellik değişikliği göstermez; bu da onları geri dönüştürmeyi kolaylaştırır. Termoplastikler ısıtıldığında fiziksel özellikleri değişir, homojenize bir sıvı haline gelir bunun sonucu olarak yeniden şekillendirilebilir ve boyutlandırılabilir. Daha sonra enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon veya şişirme kalıplama gibi yöntemlerle işlenebilirler. 8 Bazı termoplastik polimerler: Akrilik, ABS, Nylon, PLA, Polybenzimidazole, Polikarbonat, Polietilen.
Şekil 3. Termoplastiklerin Yapısı
3.2 Termosetler
Termoset polimerler, ısıyla sertleşen bir polimer çeşididir. Yumuşak bir katı veya viskoz sıvı ön polimerin (reçine) geri dönüşümsüz olarak sertleştirilmesi ile elde edilir. 9 Bir termoset için başlangıç malzemesi sıvı veya yumuşak bir katıdır. Isı, kovalent bağ oluşumu için enerji sağlar, polimer alt birimlerini çapraz bağlar ve plastiği sertleştirir. Bazen ısı dışarıdan uygulanır, ancak bileşenlerin karıştırılmasının kimyasal reaksiyonundan da gelebilir. Basınç, katalizör veya sertleştirici eklemek sertleşme hızını artırabilir. Sertleştikten sonra, ısıyla sertleşen bir plastik yeniden eritilemez, bu nedenle enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon kalıplama, sıkıştırma kalıplama veya döndürmeli döküm yoluyla nihai şekline getirilir. 10
Şekil 4. Termoset Polimer Yapısı
3.3 Elastomerler
Elastomerler, elastikiyetin yanı sıra viskoziteye de sahip olan ve bu nedenle viskoelastisite olarak bilinen polimerlerdir.11 Zayıf moleküller arası kuvvetler tarafından bir arada tutulan elastomerlerin molekülleri, genellikle düşük Young modülüne (Young modülü veya Elastisite modülü bir malzemenin kalıcı şekil değişimine uğramadan dayanabileceği kuvveti gösteren oranıdır.) ve yüksek deforme olma özelliğine sahiptir.12 Elastomerlerin, oda sıcaklığında, zincirlerin uyarma seviyesi ikinci Van Der Waals bağlarını aşmıştır, ancak yapıda bulunan çapraz bağlar deformasyon sonrasında elastomerin ilk haline geri döndürülmesini sağlar.13
Şekil 5. Elastomer Plastiklerin Yapısı
4. Polimerlerin Sentezi (Polimerizasyon)
Polimerizasyon, polimer zincirleri veya üç boyutlu ağlar oluşturmak için monomer moleküllerini kimyasal bir reaksiyonda birlikte reaksiyona sokma işlemidir. 14
Şekil 6. Etilen Molekülün Polimerizasyonu ile Polietilen Sentezi
Polimerizasyon işlemleri üçe ayrılır. Bunlar: Aşamalı Büyüme (Step-Growth), Zincir Büyüme Reaksiyonu (Chain-Growth), Fotopolimerizasyon.
4.1 Aşamalı Büyüme Polimerizasyon Reaksiyonları
Aşamalı büyüme polimerizasyonu, iki işlevli veya çok işlevli monomerlerin reaksiyona girerek ilk önce dimerleri, ardından trimerleri, daha uzun oligomerleri ve sonucunda uzun zincirli polimerleri oluşturduğu bir tür polimerizasyon reaksiyonudur. Aşamalı büyüme polimerizasyon mekanizmasının doğası gereği, yüksek moleküler ağırlığa ulaşmak için yüksek oranda reaksiyon gerekir. 15
Şekil 7. Aşamalı Büyüme Reaksiyonlarının Temsili 16
(Beyaz noktalar monomerleri, siyah noktalar ve zincirler oligomerleri ve polimerleri temsil eder.)
4.2 Zincir Büyüme Polimerizasyon Reaksiyonları
Zincir büyüme polimerizasyonu, doymamış monomer moleküllerinin büyüyen bir polimer zincirindeki aktif bölgeye birer birer eklendiği bir polimerizasyon reaksiyondur. 14 Monomerler, her seferinde bir monomer olmak üzere, büyüyen polimer zincirinin aktif bölgesindeki zincire bağlanır. Polimer zincirlerinin büyümesi sadece uçlarda gerçekleşir. Zincir büyüme reaksiyonu 3 adımdan oluşur: Başlatma, Yayılma, Sonlandırma.
Şekil 8. Zincir Büyüme Polimerizasyonu N-alkil Benzamid Sentezi
4.3 Fotopolimerizasyon Reaksiyonları
Fotopolimerizasyon reaksiyonlarının çoğu, görünür 17 veya ultraviyole ışığın absorpsiyonu ile başlatılan zincir büyüme polimerizasyon reaksiyonlarıdır. Işık ya doğrudan reaktan monomer tarafından ya da ışığı emen ve sonra enerjiyi monomere aktaran bir foto-duyarlılaştırıcı tarafından emilir. Genel olarak, aynı monomerin termal yöntemlerle yapılan polimerizasyonundan yalnızca başlatma aşaması farklıdır; sonraki yayılma, sonlandırma ve zincir transfer adımları değişmez. 18
Fotopolimerizasyon, fotoğraf veya baskı işlemi amacıyla kullanılmaktadır çünkü polimerizasyon yalnızca ışığa maruz kalan bölgelerde gerçekleşir. Katman katman sterolitografi ve iki foton absorpsiyonlu 3D fotopolimerizasyon da dahil olmak üzere çeşitli 3D baskı biçimleri fotopolimerizasyon reaksiyonlarını kullanmaktadır. 19
Şekil 9. Fotopolimerizasyon
5. Polimerlerin Kullanım Alanları ve Mühendislik
Hem doğal hem de sentetik polimerler; bilişim teknolojileri, ilaç, telekomünikasyon, ulaşım, tekstil, inşaat gibi birçok farklı alanda önemli ölçüde kullanılmaktadır. Polimerlerin düşük maliyetlerle üretilebilmesi ve yapısal özellikleri bu alanlarda kullanılmasında etkili olmuştur.
5.1 Polimerlerin Mühendislik Alanında Kullanılması
Günümüzde birçok mühendislik disiplini ürünlerini ortaya çıkarırken polimerlerden önemli ölçüde yararlanmaktadır. Örneğin otomotiv mühendisliği, son yıllarda otomobiller için polimer malzemeler üzerine yoğunlaşmıştır. Bu polimerlerden en bilineni CFRP (carbon-fiber-reinforced-polymers) olarak bilinen karbonfiberdir. Karbonfiber destekli polimerler aracın monokok parçası üretimi için kullanılmaktadır.
Şekil 10. Karbonfiber Destekli Polimer Monokoka Sahip Bir Otomobil
Aracın monokokunda karbonfiber kullanılmasıyla birlikte hem aracın ağırlığı düşürülmüş hem de araç daha dayanıklı hale getirilmiştir. 20
Polimerler denilince akla gelen diğer bir mühendislik alanı inşaat mühendisliğidir. İnşaat sektöründe polimerler ; plastik tel örgüler, titreşim önleyici sismik izolatör, yapının deprem güçlendirilmesi ve iyileştirilmesi, çatı bileşenleri, izolasyon, zemin kaplamaları, sızdırmazlık, jeomembran, iç donanımlar, duvar kağıtları, boya, yapıştırıcı, katkı ve takviye edici malzemeler, pencere çerçevesi, kapılar, vernik, sütun kornişi, atık su gideri, armatür, boru, oluk ve drenaj sistemleri, jeotekstil, döşeme esnek köpükleri, plastik kereste, köprü ve temellerdeki deprem güçlendirmeleri gibi farklı uygulamalarda tercih edilmektedir.21
Şekil 11. Bir FRP’nin tipik yapısı 22.
FRP’ler, modern binalarda geleneksel yapı malzemelerinin (yani, çelikle güçlendirilmiş beton ve ahşap) yerini almak için üretilmiştir.23
Yazar: Mümin Poyraz Coşar
6. Kaynakça:
[1] https://web.archive.org/web/20150618035601/https://www.britannica.com/science/polymer, Erişim Tarihi: 23.07.2022.
[2] J.A. Brydson, 18- Polyamides and Polyimides, Editor(s): J.A. Brydson, Plastics Materials (Seventh Edition), Butterworth-Heinemann, 1999, Pages 478-530, ISBN 9780750641326, https://doi.org/10.1016/B978-075064132-6/50059-0 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750641326500590)
[3] Anshuman Shrivastava, 2 – Polymerization, Editor(s): Anshuman Shrivastava, In Plastics Design Library, Introduction to Plastics Engineering, William Andrew Publishing, 2018, Pages 17-48, ISBN 9780323395007, https://doi.org/10.1016/B978-0-323-39500-7.00002-2.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780323395007000022)
[4] https://compositeskn.org/KPC/A236, Erişim Tarihi: 23.07.2022
[5] Whittaker, A.K. (2008). The Structure of Polymer Networks. In: Webb, G.A. (eds) Modern Magnetic Resonance. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/1-4020-3910-7_74
[6] https://malzemebilimi.net/polimer-nedir-polimer-cesitleri-nelerdir.html, Erişim Tarihi: 23.07.2022
[7] Baeurle SA, Hotta A, Gusev AA (2006). “On the glassy state of multiphase and pure polymer materials”. Polymer. 47 (17): 6243-6253. doi:10.1016/j.polymer.2006.05.076
[8] A. V. Shenoy and D. R. Saini (1996), Thermoplastic Melt Rheology and Processing, Marcel Dekker Inc., New York.
[9] IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the “Gold Book”). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. ISBN 0-9678550-9-8. https://doi.org/10.1351/goldbook.
[10] Goodman, S. H.; Dodiuk-Kenig, H. (eds.) (2013). Handbook of Thermoset Plastics (3rd ed.). USA: William Andrew. ISBN 978-1-4557-3107-7.
[11] https://byjus.com/physics/elastomers/, Erişim Tarihi: 23.07.2022.
[12] De, Sadhan K. (31 December 1996). Rubber Technologist’s Handbook, Volume 1(1st ed.). Smithers Rapra Press. p. 287.
[13] https://malzemebilimi.net/polimer-nedir-polimer-cesitleri-nelerdir.html, Erişim Tarihi: 23.07.2022
[14] Young, R. J. (1987) Introduction to Polymers, Chapman & Hall ISBN 0-412-22170-5.
[15] https://polymerdatabase.com/polymer%20chemistry/Stepgrowth%20Polymerization.html, Erişim Tarihi: 24.07.2022
[16] Cowie JM, Arrighi V (2008). Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials (3rd ed.). CRC Press.
[17] McKenzie, Thomas G.; Fu, Qiang; Wong, Edgar H. H.; Dunstan, Dave E.; Qiao, Greg G. (23 June 2015). “Visible Light Mediated Controlled Radical Polymerization in the Absence of Exogenous Radical Sources or Catalysts” (PDF). Macromolecules. 48 (12): 3864–3872.
[18] Allcock H.R., Lampe F.W. and Mark J.F. Contemporary Polymer Chemistry (3rd ed. Pearson Prentice-Hall 2003), chap.5. ISBN 0-13-065056-0
[19] Xifan Wang, Franziska Schmidt, Dorian Hanaor, Paul H. Kamm, Shuang Li, Aleksander Gurlo, Additive manufacturing of ceramics from preceramic polymers: A versatile stereolithographic approach assisted by thiol-ene click chemistry, Additive Manufacturing, Volume 27, 2019, Pages 80-90, ISSN 2214-8604, https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.02.012.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860418310479)
[20] https://www.bmw.com/en/performance/carbon-fiber-in-a-car.html, Erişim Tarihi: 25.07.2022.
[21] G. Akovali, Polymers in Construction, London, UK, 2005
[22] K. T. Q. Nguyen, S. Navaratnam, P. Mendis, K. Zhang, J. Barnett, and H. Wang, “Fire safety of composites in prefabricated buildings: from fibre reinforced polymer to textile reinforced concrete,” Composites Part B: Engineering, vol. 187, article 107815, 2020.
[23] Jingjing Shen, Jianwei Liang, Xinfeng Lin, Hongjian Lin, Jing Yu, Zhaogang Yang, “Recent Progress in Polymer-Based Building Materials”, International Journal of Polymer Science, vol. 2020, Article ID 8838160, 15 pages, 2020. https://doi.org/10.1155/2020/8838160, Erişim Tarihi : 25.07.2022.