Termoplastik Kompozit Malzemelerin Yapısal Kullanımı ve İleri Uygulamaları

Son yıllarda kompozit malzemeler hemen hemen her sektörde sıklıkla tercih edilen yapı malzemeleri olarak karşımıza çıkar. O kadar ki havacılık ve ulaştırma sektöründe tercih edilen alüminyumun yerini kompozit malzemeler almıştır. Kompozit kullanımının bu kadar yaygınlaşmasını sağlayan esasen termoset kompozitler olsa da termoplastik kompozitlerin de kullanım alanı yaygınlaşmaya başlamıştır.

Termoplastik Kompozitlerin Tanımı

Termoplastik kompozitler (TMC), polimer kompozitler kullanılarak geliştirilen malzemelerdir. Yapısında bulunan termoplastik matris sayesinde malzemeler kimyasal açıdan kararsızlık göstermezler. Bu kompozitler ısıtılabilir ve ısıtıldıktan sonra yumuşadığından bozulmadan yeniden kalıplanmaya olanak sağlar. Nihai ürün ise malzeme soğuduğunda ortaya çıkar. Bu işlemler çok defa tekrarlanabilir ve dolayısıyla bu da ürünlere çok uzun bir raf ömrü sunar.

Buna ek olarak bu kompozitler ahşap ve metal işlemesiyle elde edilen tekniklerle de şekillendirilebilir. TMC’lerin matris malzemesi sert bir yapıdadır. Dolayısıyla geri dönüşüm ve hasarlara karşı yüksek tolerans gösterirler.

Termoplastik Kompozitlerin Üretimi

Termoplastik kompozitler, genellikle cam veya karbon elyaftan yapılan sürekli elyaf takviyesi ve termoplastik kullanılarak yapılan matris malzemesinden oluşan iki bileşene sahiptir. Bu iki bileşenden oluşan kombinasyon, malzemelerin avantajlı özelliklerinin kullanılmasını da sağlar.

Uygulamaya bağlı olarak takviye malzemesinin fiber tipi ve mimarisi değiştirilebilir ve özelleştirilebilir. Neredeyse bütün termoplastik polimerler matris malzemesi olarak kullanılmaya uygundur. Genellikle tercih edilen karbon veya cam elyafların yanında aramid, bazalt, doğal elyaflar gibi başka elyaf türleri de TMC’ler için takviye malzemesi olarak kullanılabilir.

Termoplastik Kompozitlerin Çeşitleri

TMC’ler cam mat termoplastikler (GTM’ler) ve gelişmiş TMC’ler olarak iki ayrı başlık altında incelenebilir.

1. Cam Mat Termoplastikler (GMT’ler)

Cam mat termoplastikler, enjeksiyonla kalıplanmış takviyeli termoplastiklerden mekanik açıdan daha üstün özellikler barındıran termoplastik prepregler olarak tanımlanır. Cam mat termoplastikler havacılık, taşıma ve otomotiv endüstrilerinde sıklıkla tercih edilir. 2018 yılında uluslararası tüketimin %92’sinden fazlası ile sektörü domine eden otomotik endüstrisinde cam mat termoplastik kullanımı oldukça yaygın ve popüler bir hale geldi. Bu sektörlerin yanında inşaat ve denizcilik uygulamalarında da GTM kullanımına yaygın olarak rastlamak mümkündür.

Cam mat termoplastik matrislerinde neredeyse bütün termoplastikler kullanılabilir. Fakat burada dikkat edilmesi gereken nokta bu seçeneklerin polivinil klorür, polipropilen, poliamid, polyester, polikarbonat ve polifenilen sülfit ile sınırlı olduğunu bilerek uygulama yapmaktır. Bu termoplastikler arasında polipropilen kullanımı, tüm kullanımın %95’ini oluşturur.

Cam mat termoplastikler sıcaklığın 110 derecenin altına düştüğü durumlar için de kullanım imkanı sağlayan bir malzemedir. Bundan daha yüksek sıcaklıklarda ya da daha zorlu koşullar altındaki servis alanlarında diğer malzemelere kıyasla daha maliyetli olan ama zorlu koşullarda kullanıma izin veren polifenilen sülfür kullanılabilir. GTM’lerde kullanılan en yaygın takviye fazı kıyılmış elyaf, rastgele doğranmış elyaf veya sürekli keçe formundaki E-cam elyafı olarak bilinir.

2. Gelişmiş Termoplastik Kompozitler (ATC’ler)

Esasen gelişmiş termoplastiklerin matrisleri için ilk etapta polietersülfon ve polieterimid gibi amorf reçineler tercih ediliyordu. Fakat bazı uygulamalarda solvent direncinin arttırılması gerektiğinden polieter eter keton ve polifenilen sülfür gibi yarı kristalli polimerler de tercih edilebilir. Bu seçeneklere ek olarak poliamid-imid ve poliimidler gibi sınırlı sayıda olmak üzere bazı psödotermoplastik kullanımına rastlamak da mümkündür.

Sürekli takviye fazı karbon, aramid ve S-, R- ve E-camdan yapılabilir ve ayrıca şerit, dokuma, örme veya örgülü kumaş formunda da olabilir. Yüksek sıcaklıklarda yapılan uygulamalar için karbon tercih edilirken düşük sıcaklıklardaki uygulamalar için E-cam tercih edilir.

Gelişmiş Termoplastik Kompozitlerin Temel Özellikleri

Bu kompozitler düşük yoğunluklu olduğundan dolayı hafif malzemelerdir. Güç, tokluk ve çevresel direnç açısından yüksek performans gösterirler. Tekrar tekrar şekillendirilebilirler. Bundan kaynaklı olarak neredeyse sınırsız raf ömrüne sahiptirler. TMC bileşenleri kullanım alanına göre farklı şekillerde tercih edilebilir. Dolayısıyla farklı sıcaklık ve çevre koşullarına uyum sağlayabilirler.

Termoplastik Kompozitlerin Uygulamaları

Başta otomotiv endüstrisi, havacılık, inşaat ve taşıma sektörü başta olmak üzere TMC’ler farklı sektörlerde sıklıkla tercih edilen malzemelerdir.

1. Otomotiv Endüstrisi

GTM’ler hafif ve yüksek dayanıklılık gösteren malzemeler olduğundan otomotiv sektöründe çeşitli kullanım alanına sahiptir. Koltuk çerçeveleri, akü tepsileri, tampon kirişleri, yük zeminleri, ön uçlar başta olmak üzere GTM’ler otomotiv sektöründe sıklıkla kullanılır.

2. Havacılık ve Uzay Endüstrisi

Havacılık sektöründe daha sert kompozit kullanımına duyulan ihtiyaçtan kaynaklı olarak TMC’ler havacılık sektöründe de kendine kullanım alanı buldu. Günümüzdeki modern uçakların birçoğunda %50’nin üzerinde kompozit malzeme kullanılır. Havacılık ve uzay endüstrisinde tercih edilen TMC’ler gelişmiş termoplastik kompozitler (ATC’ler) dir.

ATC’ler füze ve uçak stabilizatör kanatçıkları, kanat kaburgaları ve panelleri, gövde duvar kaplamaları ve baş üstü depolama bölmelerinde kullanılır. Bu malzemeler kullanıldığı takdirde maliyetten tasarruf ve sürdürülebilirlik sağlayabildiğinden ötürü çok daha yaygın olarak kullanılacağı ön görülüyor.

3. Yapı Sektörü

TMC’ler inşaat sektöründe genellikle ahşap parçalarıyla karıştırılarak kullanılır. Bu karışım yani ahşap-plastik kompozitlerden basınçla işlenmiş ahşap malzemelerin alternatifi olarak da yararlanılır. Yapılan son araştırmalara göre ahşap parçacıkları yerine kömür kullanarak inşaat malzemelerinin daha güçlü, dayanıklı ve suya karşı mukavemet gösteren yapıda olduğu anlaşıldı. Ayrıca kömür kullanımıyla enerjiden tasarruf edilebildiği gibi daha az emisyon üretildiği de iddia edilir. TMC’ler inşaat sektöründe genellikle yapısal profiller, borular, beton inşaat demirleri ve yalıtım panellerinde kullanılır. 

4. Tıbbi Malzeme

Termoplastik kompozitler diğer malzemelere kıyasla daha hafif ve güçlü olduğundan tıbbı malzemelerde de tercih edilir. TMC’ler hareket kabiliyetini arttırmayı amaçlayan ekipmanlar ve tekerlekli sandalyelerde de kullanılır. Ayrıca TMC ile hastalara göre özelleştirilmeyi gereken komplike şekillerin tasarlanmasını da kolaylaştırır.

5. Malzeme Taşıma

Palet ve kargo konteynırlarında TMC kullanımına rastlamak mümkün. TMC’ler kimyasallara karşı direnç gösteren malzemelerdir ve daha uzun ömürlüdürler. Ayrıca termoset malzemelere kıyasla TMC’lerin nakliyesi çok daha kolaydır.

Geleneksel Kompozitlerden Farkı Nedir?

Geleneksel kompozitler, uzun üretim süreleri ve maliyetli makineler gerektirirler. Termoplastikler bunun aksine çok daha kısa sürelerde üretim yapabilir. Termoset kompozitler oluşum için kimyasal reaksiyona ihtiyaç duyarken termoplastikler işlem sırasında kimyasal reaksiyona ihtiyaç duymaz. Dolaysıyla TMC’ler geri dönüştürülebilir ve çevre dostudurlar. Termoplastikler termosetlere kıyasla daha az maliyete ihtiyaç duylar. TMC’ler yüksek dayanıklılık gösterdiklerinden yüksek sıcaklıklarda kullanıma uygundur. Düşük yoğunluk gösterdiklerinden havacılık sektöründe kullanıldığında uçağın ağırlığını ciddi ölçüde azaltır.