Malzeme ve Ürün Geliştirme

Vibriso   Malzeme ve ürün geliştirmenin amacı farklı özellikler gösteren kullanım alanı oldukça geniş birçok yapısal kompozit polimerlerin tasarımıdır. Amacı ise inşaat, makine, otomotiv, elektrik- elektronik, savunma sanayi, havacılık, denizcilik, raylı sistemler, biyoteknoloji, mühendislik kısacası malzeme bilimi disiplininin ilgilendiği her alanda çok geniş kullanım potansiyeli olan bu malzemelerin tasarımı ve AR-GE faaliyetlerinin yürütülmesinde izlenen prensipler hakkında birikmiş tecrübeler ışığında yol gösterici olmak ve konu ile ilgili alanda mümkün olduğunca geniş bir paylaşım platformu oluşturabilmektir. Yazılarda bahsedilen kavramlarla ilgili bütün bilgiler deneysel gözlemlerimiz sonucu elde edilmiştir.



Esnek Yapısal Malzemeler Olan Elastomerler'in Önemi  

Malzeme bilimi sanayide kullanılma potansiyeli taşıyan metaller, seramikler, polimerler ve kompozit malzemeler gibi organik ya da anorganik her türlü materyalin yapısal, davranışsal, fonksiyon ve kullanışlılık gibi bütün kimyasal ve fiziksel özelliklerini inceleyen bir bilim dalıdır. Uygulama alanlarına göre bütün yapısal malzemelerin kendilerine ve görevlerine has özellikler sergilemesi beklenir. Bu fiziksel özellikler sertlik, esneklik, kimyasallara karşı direnç, termal dayanıklılık, darbe dayanımı, radyasyona ve UV ışınlarına karşı direnç, herhangi bir yüzeye gösterilen yapışma mukavemeti ya da yapışmama özelliği gibi farklı şekillerde karşımıza çıkabilmektedir. İşte elastomerler olarak adlandıracağımız bu özel grupta, bir kuvvet altında deforme edildiğinde belirli bir oranda eski formunu alacak kadar geri dönüş sergileyen yapısal malzemeleri sıralayabiliriz. Sıklıkla darbelere maruz kalan sert ve esnek olmayan yapı elemanları enerjiyi üzerlerinde mikro çatlaklar oluşturarak söndürür ve böylece sürekli biriken hasara karşı koyamaz, parçalanarak görevlerini yapamaz hale gelirler. Elastomer özellik taşıyan malzemeler ise genellikle hareketli parçaların bağlantı, sıkışma ya da çarpışma noktalarında hareketin oluşturduğu yıkıcı enerji birikimlerini esneyerek söndürürler ve bu türden olaylara maruz kalan ortamlarda kullanılan malzemelere esneklik özelliği kazandırmada uygulama alanı bulurlar. Böyle durumlarda elastomer malzemeler esnek olmayanlara göre çok daha uzun ömürlü olur. Maliyetler açısından analiz edildiğinde kullanılan hammadde ve süreçlerin maliyeti hemen hemen sabit kalırken istenen özelliklere tam uygunluktaki malzemelerin tasarlanması için gereken AR-GE masraflarının bir miktar dezavantaj yaratmakta olduğu görülmektedir. Fakat kaliteli ve uzun ömürlü ürünün uzun dönemli kararlılığı göz önüne alınırsa malzeme biliminde uygun malzeme tasarımında AR-GE faaliyetlerinin önemi bir adım daha öne çıkacaktır.

Elastomerlerin üretiminde poliüretan ve polisülfitlerin kullanımı  

Yapısal özellikleri açısından dikkate alındığında tasarımlarında birçok seçenek sunması bakımından poliüretanlar elastomer üretimlerinde sıklıkla kullanılmaktadır. Poliüretanlar geniş bir çeşitliliğe sahip poliol ve izosiyanatların zincirleme reaksiyon vermesiyle elde edilirler. Kullanılan hammaddelerin çok çeşitli olması elastomer tasarımlarında kolaylık sağlamaktadır. Hem yüksek esnekliğin hem de kimyasal direncin uygulama kolaylığı ile birlikte istendiği durumlarda polisülfitler kullanılır. Sözü edilen bütün yapılarda malzeme tasarımı kullanılan amaca, maruz kalınacak fiziksel şartlara ve çoğunlukla da söz konusu özelliklerin belirtildiği uluslararası geçerliliği olan standart ürün spesifikasyonlarına göre yapılmalıdır.

Ürün Tasarlamak  

Malzeme tasarımı malzemenin kullanım alanı, bu alanda göstereceği performans, maruz kalacağı fiziksel şartlar gibi önemli özellikleri dikkate alarak malzemenin formülasyonunu ve üretim süreç tekniklerinin oluşturulmasıdır. Bu teknikler hammadde girdi kontrolü, formül ve süreç kontrolü, ürün kalite kontrolü, ambalajlama, depolama ve sevkiyat gibi eksiksiz bir üretim sürecinin belirlenmesini içerir.

1 • Hangi Ürün ?  

Ürün tasarımı önce hedeflenen malzemenin belirlenmesiyle başlar. Tasarım sürecinin en önemli adımı gibi görünse de aslında ürün belirleme işleminin nasıl yapılacağı yazımızın konusu dışında kalmaktadır. Kısaca değinmek gerekirse bu adımda bir ürünün üretime değer olup olmadığı incelenir. Bunun için en önemli parametre piyasa da ürüne gösterilen talep, ürünün bulunabilirliği ve karlılığıdır. Örneğin bir ürün yalnızca yurt dışından getiriliyor ve yapılan analizlere göre çok yüksek fiyatlarda bile piyasada talep görüyorsa bunu yurt içinde yerli sermaye ile üretmek çok mantıklı görünebilir. Ülkenin kalkınması, refahı ve yurt dışına bağımlılığın azaltılması açısından da bu tip ürünleri tasarlamak ve üretmek ekonomimiz için oldukça önemli bir iştir. Hali hazırda yurt içinde üretilmekte ancak tekel durumundaki ürünler de benzer sebeplerle tercih edilebilir. Tasarlanacak ürünün seçimi sırf faaliyet alanımızın kapsamında kaldığı için de yapılabilir.

2 • Nerede ve Nasıl Kullanılacak ?  

İlgili malzemenin kullanım alanı, bu alanda göstereceği performans, maruz kalacağı fiziksel şartlar tasarımda dikkat edilecek en önemli özelliklerdir. Malzemenin nasıl uygulandığı, son ürünün kullanım şeklini tasarlamamız için gerekeni bize söyler. Malzemenin nelere maruz kalacağı, malzemenin kullanım ömrünü belirler. Malzemeden hangi performansın beklendiği sorusunun cevabı ise oldukça geniş bir alanda tasarımda yapacağımız seçimleri belirleyecektir. Bu doğrudan kullanılacak olan sistemin hangi polimerden yapacağımızı tercih etmemiz anlamına gelir.

3 • Ürün Standardı Var Mı ?  

Genellikle endüstride ve yapı sektöründe kullanılan ürünler için TSE, EN, ASTM, BRITISH gibi standart kuruluşlarının yayınladığı spesifikasyonlar bulunur. Standart spesifikasyonlarda ürüne ait fiziksel ve kimyasal özelliklerin yanı sıra ürünün müşteriye sunulma şekli ile ilgili özellikler de bulunur ve şartlar yalnızca standarda uygun üretim yaptığını iddia eden üreticileri bağlayıcı niteliktedir. Standartlar aslında bize ürün tasarımında bir bakıma rehberlik eder. Malzemenin sertlik, esneklik, uzama, yırtılma, kırılma, darbe direnci, kimyasal dayanımı, yapışma, iletkenlik, termal genişleme, kürleşme hızı, trafiğe açılma süresi gibi malzemeden malzemeye değişen birçok özelliğin nasıl olması gerektiği ve her şeyden önemlisi nasıl ölçüleceği konularında kaynak sağlar. Tasarımı yapılan malzeme hakkında mümkünse bütün standart dokümanlar temin edilmelidir. Bunlar ilgili standart kurumdan belirli bir ücret karşılığı temin edilir. Standartlar iki çeşittir. Birincisi ürüne ait teknik özelliklerin yayınlandığı ürüne ya da ürün gurubuna özel standartlardır. İkincisi ise birinci tür standartlarda bulunan testlerin nasıl yapılacağının açıklandığı deneysel metot standartlarıdır. Bir ürün ile ilgili standartlar derlenirken bu standartların atıf yaptığı metot standartları da hatta metotlarda kullanılan deney aletlerinin tanımlarının yapıldığı üçüncü guruba giren standartlar da temin edilmelidir.

4 • Rakip Ürün Var Mı ?  

Ürünün satılacağı piyasa da bulunan yabancı ürünlerin temin edilerek ilgili standartlarda bulunan testlerden geçip geçmediği kontrol edilmelidir. Çoğunlukla karşılaştığım şey piyasa da belirli bir standarda sahip olduğu iddia edilen ürünlerin aslında standarttaki bazı testleri başarıyla geçerken bazılarında ise başarısız olduğudur. Bu aynı zamanda standartta belirtilen testleri yöntemine uygun bir şekilde yapabilme yeteneği kazanmanızı sağlayacaktır. Çünkü çoğu zaman standarda uygun test yapabilme yeteneğini kazanma işini kendi ürün tasarım sürecinizde değil bundan önce elde etmiş olmanız gerekir. Rakip ürünü temin etme nedeniniz yalnızca standart testlerini gerçekleştirmek değildir. Rakip bir kompozit polimeri, prepolimer ya da sıvı karışımını analiz etmek kendinize bir başlangıç noktası oluşturmak açısından çok önemlidir. Rakip ürün analizinde aşağıdaki testler sırasıyla yapılarak rakip ürünün bileşimine ilişkin önemli ip uçları elde edebilirsiniz. Burada temel yaklaşımımız basite indirgeme yöntemini kullanmaktır.

5 • Kül tayini (dolgulu olan bileşen)  

500-1000ºC sıcaklıklarda 2-4 saat lik aralıklarla hassas tartımlar yaparak malzemenin organik kısımlarının yanmasını sağlayarak yapıdaki inorganik dolgu miktarını hesaplarsınız. 500-1000ºC'de alınan tartımlarda dolgu malzemesinin ağırlığının değişiminden dolgu cinsini tayin edebilirsiniz. Elinizde saf halde ettiğiniz dolguyu asitlerle muamele ederek genellikle kullanılan dolgu türlerini bulabilirsiniz.

6 • Uçucu miktarı tayini (her iki bileşen)  

120ºC'de 2 saat ve daha sonra daha yüksek sıcaklıklarda bir süre bekletilen malzemelerin ağırlık kayıpları hesaplanarak malzemedeki varsa solvent ve diğer uçucu malzemelerin miktarı anlaşılabilir.

7 • Vakum altında destilasyon (her iki bilşen)  

Malzemeye yüksek vakum altında bir miktar ısı verilerek değişik sıcaklıklarda toplanan destilatların kokularından ve infrared spektrumlarından hangi solventlerin kullanıldığı tam olarak belirlenir.

8 • Uçucu olmayan sıvı kısım analizi (her iki bileşen)  

Malzeme bir miktar organik solvent tercihen toluen ile iyice inceltilerek vizkozitesinin düşmesi sağlanır. Daha sonra santrifüj edilerek üst sıvı faza ekstrakte olan polimer kısım elde edilir. Vakum altında ısıtılan malzemeden bütün uçucuları alındıktan sonra elde kalan sıvı kısımda polimer karışımı ve katkılar bulunur. Bu karışımın HPLC kromatografisinde ayrılıp tek tek IR spektrumları çekilerek nitel ve nicel analizleri yapılabilir.

9 • OH sayısı tayini (PU dolgulu bileşen)  

Sıvı kısım hassas bir şekilde elde edilirse -OH sayısı tayini yapılarak poliüretan kısmın eşdeğerliği hesaplanabilir. Ama bu tamamen ayırma işlemi kolay bir iş değildir.

10 • NCO sayısı tayini  

OH sayısı tayini ile eşdeğerlik hesaplamak yerine izosiyanat bileşenindeki izosiyanat (NCO) sayısı tayini yapılarak her iki bileşenin de ağırlıkça eşdeğerlikleri bulunabilir. A ve B bileşenlerinde IR spektrumu: IR spektrumu organik malzemelerin hangi yapıda olduklarını anlamak için mükemmel ve basit bir yöntemdir. Bu sayede bir malzemenin Poliüretan (PU), Epoksi (EP), Polisülfit, Poliol, İzosiyanat (NCO), Amin (NH) olduklarını kolayca anlayabiliriz. Ayrıca malzemede kullanılan bu maddelerin aromatik mi yoksa alifatik mi olduğu da anlaşılır.

İlk Denemeler Nasıl Yapılmalı ?  

Yukarıda belirtilen standartların ve rakip ürünün incelemeleri ışığında hemen hemen aynı dolgu miktarı, aynı polimerler ve aynı reaksiyon hızını verebilecek tahmini katalizör miktarları ve plastifiyenlerle bu dolguları stabilize edebilecek katkılarla birincil formüller yapılarak kürleşmesi sağlanır. Bütün standart testleri yapmadan önce belli başlı özellikleri incelenir; sertlik, esneklik, yapışma ve reaksiyon (sertleşme) hızı gibi. Bu özelliklerin bazıları standartta belirtilene yakın bazıları ise uzak çıkacaktır. Bu durumda formülümüze geri dönerek ilgili özelliği olması gereken değere yaklaştıracak değişiklikler yapmamız gerekecek. Bu durumda tek bir değişiklik yapmak yerine bir deney serisi düzenlenir. Bu seride sadece bir değişiklik değişen şiddetlerde yapılarak elde edilen numuneler yeniden test edilir. Bu seride genellikle istenilen değere çok yakın olan bir formül belirlenir. Elde edilen formül alınarak gerekirse yeni seri deneylerle ince ayarlar yapılır. Sertlik esneklik gibi, temel bir özelliğin standartta belirtilen değere yaklaştırılması sonucu diğer birçok özellik de kendiliğinden istenilen değerlere yaklaşacaktır. Ancak malzemenin uygulamasına ve sunumuna ilişkin viskozite, tiksotropi ve renk gibi özellikler son fiziksel performansı daha az etkileyeceğinden ayrıca ele alınarak seri deneylerle ince ayarlar yapılmalıdır.

Bütün Standart Testere Başlayabilir Miyiz ?  

Eğer malzemenin belirli temel özellikleri seri deneylerle ince ince ayarlandıysa en iyi numunelerimizi bütün standart testlere tabi tutmaya başlayabiliriz. Bu testler sonucunda aksaklık olan özellikleri görüp formüle en son şekli verilmeye çalışılmalıdır. Muhtemelen arzu edilene çok yakın bir formülde olduğumuzu bilerek aşırı değişiklikler yapmadan bizi istenen özelliğe yaklaştıracak küçük adımlar atarak formülü standarttaki bütün özellikleri karşılayacak bir hale getirebiliriz. Bu adımların sonucunda sadece gerektiğinde gerektiği kadar test yaparak optimum miktarda emek ve zaman harcayarak standartların neredeyse tamamını karşılayan bir ürün formülü oluşturmuş oluruz.

Üretim Prosesi Nasıl Belirlenir ?  

Şimdi ürün formülümüz elimizde, ancak üretim hattımızı bu formüle göre yeniden dizayn etmemiz gerekmekte. Hammaddeler depolara girmeden hemen önce girdi kontrol testleri yapılıp, istenen özellikleri taşıyıp taşımadıkları belirlenir. Uygun olanlar onaylanarak işaretlenir. Üretim hattına taşınarak tartımlar alınır ve karıştırıcılara yahut reaktörlere aktarılır. Karıştırıcılarda uygulanacak işlemler dizayn edilirken sıcaklık, karıştırma süresi, karıştırma devri, varsa destilasyon ve su uzaklaştırma işlemleri belirlenir, gerekiyorsa karıştırıcı ve reaktörde üretime esas olan yöntemin gerektirdiği değişiklikler yapılmalıdır. Bu yapılmazsa başarısız bir üretimin yarıda kesilmesinin maliyeti çok yüksek olabilir. Burada kural olarak ölçek artırma (scale-up) yöntemi uygulanması gerekebilir. Bu ilk önce laboratuar şartlarında hazırlanan 1-2 kg numunenin birden bire 1-10 ton ölçeğine çıkılmadan aşama aşama 100-1000-10000 kg üretilmesinin denenmesi anlamına gelir. Ölçek büyüdükçe daha önce tahmin edilemeyen sorunlar meydana gelebilmektedir. Adım adım artırma işleminde sorunlu konular çözülerek güvenli üretim yöntemi belirlenir. Maalesef yöntemin doğası gereği üretim prosesinin tamamı bir miktarı üretim yapılmadan belirlenemez. Buraya kadar ürün prototipi artık seri üretim aşamasına kadar getirilmiş olur.

Ambalaj Seçimi Nasıl Yapılır ?  

Genellikle ambalaj seçimi yapılırken piyasada ürünü kullanan ve uygulayan kişilerin aşina olduğu tipler değerlendirilir. Bu kişilerin görüşleri de alınarak daha uygun ambalajlama şekilleri geliştirilebilir. Önemli olan ürünü dış ortamdan, transfer işlemlerinden ve ambalajın kendisinden gelebilecek bozucu etkenlerden korumak ve ekstra olarak uygulama sırasında kolaylıklar sağlayabilecek dizaynlara yönelmektir. Birbiri ile yarışmalı olabilen bu iki durum arasında uygun bir denge sağlanmaya çalışılmalıdır.