Polimerler Nedir?

Bu yazıda, 3D baskı süreçlerinde sık karşılaşılan problemler ve operasyonel zorluklar malzeme bilimi perspektifi ile değerlendirilecektir. Sayfanın temel hedefi, yaygın hataların daha hızlı ve kalıcı biçimde çözülebilmesi için okuyucuya bilimsel temelli bir çerçeve sunmaktır.

Başlangıç noktası olarak, 3D baskıda “malzeme” denildiğinde aslında neyi kastettiğimizi doğru tanımlamak gerekir: Polimerler.

Polimerler; polimerizasyon adı verilen süreçte, “monomer” olarak tanımlanan çok sayıda tekrar eden birimin bir araya gelmesiyle oluşan büyük moleküller ya da diğer adıyla makromoleküllerdir. Polimerizasyon sırasında monomerler, kimyasal reaksiyonlar üzerinden birbirine bağlanır ve böylece polimerin temel omurgası oluşur.

Ortaya çıkan polimerin türü; onu oluşturan monomerlerin kimyasal yapısına ve bileşimine bağlı olarak farklılaşabilir. Monomer birimleri arasında oluşan bağlar genellikle kovalent bağlar şeklinde tanımlanır.





Polimerler, genel sınıflandırmada iki ana aile altında incelenebilir: termosetler ve termoplastikler.

Termosetler, başlangıçta yumuşak bir katı ya da viskoz bir sıvı formunda bulunan bir ön-polimerin, geri döndürülemez biçimde kürlenerek katı bir polimere dönüşmesiyle elde edilen malzemelerdir. Kürleme süreci aynı zamanda çapraz bağlanma (cross-linking) olarak da adlandırılır. Bu süreçte kimyasal reaksiyonlar, monomerleri ve ön-polimerleri birbirine bağlayarak ağ (network) yapılı bir yapı oluşturur. Kürlenmiş bir termoset, tekrar eritilemez; dolayısıyla çoğu durumda termal yöntemlerle yeniden şekillendirilmeye uygun değildir.





Termoplastikler ise ısıtıldıklarında yumuşayan, soğuduklarında yeniden sertleşen malzemelerdir. Bu sınıftaki polimerler, kimyasal yapılarında veya mekanik özelliklerinde sınırlı değişimle, birçok kez ısıtılıp şekillendirilebilir ve tekrar soğutulabilir. Termosetlerde polimer zincirleri birbirine kovalent bağlarla “kalıcı” şekilde bağlıyken; termoplastiklerde zincirler arasındaki etkileşim daha çok kovalent olmayan, nispeten daha zayıf bağlar üzerinden gerçekleşir.

Polimerler ayrıca mikro-yapısal özelliklerine bağlı olarak iki ana grupta ele alınabilir:

Amorf ve Yarı-Kristalin

Termoplastikleri tanımlamanın etkili yollarından biri, malzemenin davranışını ve performansını belirleyen mikro-yapı özellikleridir.

Amorf

Amorf polimerler, uzun menzilli düzenli bir yapıya sahip olmamalarıyla karakterize edilir. Bu durum, polimer zincirlerinin malzeme içerisinde rastgele yönlenmiş olduğu anlamına gelir. Pratikte şeffaf plastiklerin önemli bir bölümü PMMA, PS ve PC gibi amorf polimerlerden üretilmektedir.





Yarı-Kristalin (Semi-Crystalline)

Yarı-kristalin polimerler, “kristaller” olarak adlandırılan düzenli yapısal bölgelerin varlığıyla tanımlanır. Bu kristaller; düzenli ve sıkı biçimde paketlenmiş polimer zincirlerinden oluşur. Yarı-kristalin yapılarda kristalin bölgeler ile amorf bölgeler aynı malzeme içinde birlikte bulunur; bu nedenle “yarı (semi)” ifadesi kullanılır.

Kristalin bölgelerin toplam oranı kristallenme derecesi olarak adlandırılır. Yarı-kristalin polimerleri ayırt edici kılan noktalardan biri, bu kristallenme derecesinin malzemenin mekanik ve termal özellikleri üzerinde belirleyici bir etki oluşturabilmesidir.






Sıcaklık ve Polimerler
Malzemenin yapısını daha net kavradığımıza göre, şimdi polimerlerin sıcaklıkla birlikte nasıl davrandığını anlayabilmek için termal özelliklerine odaklanacağız. Bu analizi sağlıklı biçimde yapabilmek için önce polimerlerin termal geçişlerini görünür kılan temel test yöntemini tanımlamak gerekir: DSC.

DSC Tanımı

Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), bir numunenin kontrollü biçimde ısıtıldığı bir hazne içerisinde, sıcaklığı belirli bir hızla yükseltmek için gereken ısı (enerji) miktarının ölçüldüğü bir termal analiz yöntemidir. DSC’nin temel amacı; polimerlerde cam geçişi (Tg), kristallenme (Tc) ve erime (Tm) gibi kritik hâl geçişlerinin gerçekleştiği sıcaklık aralıklarını belirlemektir.

Bu yöntem, polimerin sıcaklık kademeli olarak artırılırken enerjiyi ne ölçüde soğurduğunu veya açığa çıkardığını kayıt altına alır. Böylece, malzemenin termal davranışı nicel olarak yorumlanabilir hale gelir.




Cam Geçiş Sıcaklığı (Tg)

Cam geçiş sıcaklığı (Tg), polimerlerin tamamında gözlemlenen temel bir geçiştir ve malzemenin fiziksel karakterinin değiştiği sıcaklığı ifade eder:
cam benzeri sert/kırılgan hâlden
lastiksi (daha yumuşak ve esnek) hâle geçiş

Tg, özellikle amorf polimerler için, çoğu zaman malzemenin pratikte erişebileceği en yüksek çalışma sıcaklığını işaret eden kritik bir referans olarak kullanılır.

Kristallenme Sıcaklığı (Tc)

Kristallenme, genel olarak Tg ile Tm (erime sıcaklığı) arasındaki sıcaklık bölgesinde gerçekleşir. Bu süreç, polimer zincirlerinin daha düzenli bir biçimde hizalanarak kristal bölgeler oluşturmasıdır. Kristallenme sıcaklığı (Tc) ise bu kristallenmenin en hızlı gerçekleştiği sıcaklık aralığını ifade eder.

Erime Sıcaklığı (Tm)

Erime sıcaklığı (Tm), yarı-kristalin polimerlerdeki kristal bölgelerin erimeye veya bozularak dağılmaya başladığı sıcaklıktır. Önemli bir ayrım olarak, amorf polimerlerin belirgin bir Tm değeri yoktur; çünkü eriyip “tek noktada” geçiş yapan kristal bölgeleri bulunmaz.

Bozunma Sıcaklığı (Td)

Bozunma sıcaklığı (Td), polimerin kimyasal yapısının bozulmaya başladığı, yani polimer omurgasındaki kovalent bağların kırılmaya başladığı sıcaklıktır. Bu noktadan itibaren malzeme artık “şekil değişimi” değil, “kimyasal ayrışma” sürecine girer.

Grafik ve Tanımlarla İlgili Açıklayıcı Notlar

Hazneye yerleştirilen numunenin termal karakterini anlamanın pratik yolu, sıcaklığı sürekli artırabilmek için sisteme verilen ısı akışını izlemektir. Ancak numune ısındıkça, uygulanan enerjinin bir kısmını yalnızca sıcaklık artışı için değil, aynı zamanda yapısal yeniden düzenlenmeler için de kullanır. Bu nedenle, sıcaklığı aynı hızda yükseltmek için gereken ısı miktarı farklı bölgelerde değişim gösterir.

Grafik yorumlandığında süreç genel olarak şu şekilde okunur:
Başlangıç bölgesi
Sisteme sabit bir ısı akışı uygulanır ve numunenin sıcaklığı belirli bir hızla yükselir.
Tg noktasında (cam geçişi)
Sıcaklığı aynı hızda artırabilmek için sisteme daha fazla enerji verilmesi gerektiği gözlemlenir. Bunun nedeni, polimer zincirleri arasındaki kovalent olmayan zayıf etkileşimlerin gevşemesi ve zincirlerin daha serbest hareket etmeye başlamasıdır. Sonuç olarak malzeme yumuşamaya başlar ve ısı kapasitesi artar.
Tg sonrası bölge
Numune artık daha yüksek bir ısı kapasitesine sahiptir. Bu nedenle, aynı sıcaklık artış hızını sürdürebilmek için Tg öncesine kıyasla daha yüksek ısı akışı gerekir. Mikro yapı daha hareketli hâle gelir; zincir mobilitesi artar.
Tc noktasında (kristallenme)
Polimer zincirleri daha düzenli şekilde hizalanıp kristal bölgeler oluştururken numune enerji açığa çıkarır (ekzotermik davranış). Bu, sıcaklığı aynı hızda artırmak için sisteme daha az enerji verilmesi gerektiği anlamına gelir. Düzensiz yapıdan daha düzenli yapıya geçiş, sistemin bir miktar “fazla enerjiyi” dışarı vermesiyle gerçekleşir.
Tm noktasında (erime)
Kristal bölgeler çözülmeye başladığında bu kez kristal yapıyı kırmak için sisteme yeniden daha fazla ısı gerekir (endotermik davranış). Bu nedenle, sıcaklığı sabit hızla artırmak için gereken ısı akışı tekrar yükselir. Kristaller eridikten sonra sistem, Tg sonrası bölgeye benzer bir karaktere geri döner.
Td noktasında (bozunma)
Numune kimyasal olarak bozulmaya başladığında, polimer omurgasındaki kovalent bağlar kırılır. Malzeme artık düzenli bir termal davranış göstermez; ısı kapasitesi ve enerji tepkisi bozulur. Bu evrede, sıcaklığı artırmak için gereken enerji karakteristiği de değişir.

Polimerlerin sıcaklığa bağlı termal geçişlerini daha net gördüğümüze göre, artık bu çerçeveyi 3D baskı sürecinde ortaya çıkan bazı tipik olguları (ör. warping, katman ayrılması, yüzey bozulmaları, yapışma problemleri) bilimsel olarak açıklamak için kullanabiliriz.

Neden ümitsizliğe düşeyim… Her daim umutları yaratan Rabbim varken.

Rᴀꜱᴛʟᴀɴᴛı

[Sadece kayıtlı ve aktif kullanıcılar bağlantıları görebilir. ]