Makaleler

TERMOPLASTİK KOMPOZİTLER İÇİN HİBRİT İPLİK ÜRETİMİ

Küresel ısınma ve hava kirliliği son yıllarda oldukça üzerinde durulan konular olmuştur. İklim değişikliklerinin en büyük nedeninin artan karbondioksit (CO₂) salınımı olduğu vurgulanmaktadır. 1997 yılının Aralık ayında Japonya’da imzalanan Kyoto protokolü, küresel ısınma ve iklim değişikliği konularında katılımcı ülkeleri CO₂ ve sera etkisine neden olan diğer gazların salınımını azaltmaya yönelik çalışmalar yapma ve yasalar çıkarma yükümlülüğü altına sokmuştur. Bu kapsamda özellikle Avrupa Birliği (AB) ülkeleri çeşitli politikalar geliştirmişler ve 2050 yılına kadar CO₂ salınımını %80 oranında düşürmeyi hedeflemişlerdir. Bunun için Ar-Ge çalışmalarının yapılması ve yeni iş alanlarının açılması için önemli bütçeler ayırmışlardır [1].

CO₂ salınımının önemli bir kısmı ulaşım araçları tarafından gerçekleşmektedir. Alman Federal Çevre Bakanlığı, Almanya’da atmosfere salınan CO₂ gazının %20’sinin ulaşım araçlarından kaynaklandığını bildirmiştir [2]. AB, 2015 yılında binek araçlarda CO₂ salınımını 130 g/km’ye düşürmeyi hedeflemiştir [3]. 

Hedeflenen değerlere ulaşmak için bir yandan alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesi çalışmaları sürdürülürken diğer yandan taşıtların daha hafif hale getirilmesine çalışılmaktadır. Ulaşım taşıtlarında CO₂ salınımını azaltmak için araçların ağırlıklarının azaltılması büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle mekanik dayanım ve sertlik beklentilerinden ödün vermeden ağırlık tasarrufu ve enerji verimliliğini mümkün kılabilecek malzemelerin geliştirilmesi çalışmaları hız kazanmıştır [4].

İstenilen bu özelliklerin klasik malzemelerle elde edilemeyeceği açıktır. Yapılan teknolojik çalışmalar ile bir yandan metalik fonksiyonel yapılar geliştirilirken diğer yandan tekstil takviyeli kompozitlerin (TTK) kullanım alanlarının arttırılması amaçlanmıştır [5]. 

Tüm bu gelişmeler dünyada TTK için muazzam bir pazar potansiyeli oluşturmuştur. TTK sayesinde malzemelerin dayanım ve güvenliklerinden ödün vermeden ağırlık tasarrufu ve enerji verimliliği mümkün hale gelmiştir. Özellikle uzay ve havacılık endüstrisinde TTK önemli yer bulmuşlardır ve önemleri gün geçtikçe daha da artmaktadır. Otomobil endüstrisinde maliyet faktörü sınırlayıcı olsa da TTK önemli bir yer tutmaktadır. Özellikle de alternatif enerji kaynakları kullanan yeni nesil kara taşıtlarında büyük ölçüde TTK kullanımı söz konusudur.

TTK güçlendirici elyaf ve bunu saran matris elementten oluşur.  Güçlendirici elyaf olarak genelde yüksek mukavemetli elyaf olarak bilinen cam (GF), aramid (AF) ve karbon (CF) gibi elyaflar kullanılır. Matrisler duroplastik ve termoplastik olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Termoplasitk matrisler başta Polyamid (PA), Polypropylen (PP) Polyetheretherketon (PEEK) ve Poliester (PET) olmak üzere büyük öneme sahiptirler. En yaygın kullanılan örneği Epoksi olan duroplastik matrislere göre termoplastik matrisler aşağıdaki üstünlüklere sahiptirler [6].

• ·         Yüksek darbe ve kırılma dayanımı
• ·         Kısa proses süresi (duroplastik matrislerde 0,5-4 saat arası, termoplastiklerde 5 dk’dan az)
• ·         Yüksek hacimli üretim imkanı
• ·         Geri dönüşüm imkanı
• ·         Şekillendirilebilme kolaylığı

Duroplastik matrisli yapılarda kimyasal reaksiyon için uzun süreler gereklidir. Uzun işlem süreleri seri üretim önünde en büyük engel olmuştur. Termoplastik matrisli yapılarda ise kimyasal reaksiyona gerek yoktur. Bu bir yandan proses sürelerini kısaltırken diğer yandan proseslerin otomasyonunu sağlamıştır. Bu da seri üretimin gerçekleşmesinde ve üretim maliyetlerinin düşmesinde önemli bir etken olmuştur. Birçok yönden üstün özelliklerinin yanında, termoplastik matrisler aşağıdaki dezavantajlara sahiptir [7].

• ·         Yüksek erime viskozitesi, emdirme problemi
• ·         Sünme, (yüksek sıcaklıkta)
• ·         Düşük ısıl dayanımı
• ·         Düşük basma dayanımı ve sertlik
• ·         Molekül yapısı nedeniyle nem alabilme tehlikesi

TTK’e uygulanan yükler güçlendirici elyaf tarafından taşınır. Matrisin ana görevi yükleri elyafa ve bir elyaftan diğer elyafa iletmektir. Ayrıca elyafları dış ortamdan korumakta matrislerin görevidir [6]. Bu nedenle matrislerin düzgün emdirilmesi elde edilecek yapının kalitesi için büyük önem arz etmektedir. Termoplastiklerin yüksek erime viskozitesi (500-500 Pa.s) emdirme işleminde duroplastiklere göre (15-100 Pa.s) homojen emdirilmelerini  zorlaştırmaktadır [8].

Bu durum çalışma şartlarını zorlaştırdığından maliyetleri artırırken seri üretim yapılacak makinelerde ve aksamlarda teknolojik sorunlara yol açmaktadır. Ayrıca uygulamada kompozitin yapısındaki elyaf oranının %30’un üstüne çıkmasını engellemektedir. Elyaf oranı, kompozit fiziksel özellikleri ve mekanik tasarımı açısından son derece önemli bir parametredir [7].

 Tekstil ve Mühendis Dergisinden makale hakkında detaylı bilgiye ulaşabilir ve makaleyi ücretsiz olarak indirebilirsiniz.  

Teknolojiyi giyme çağı*

Modern tekstil, bugün giyimden çok daha fazlasını ifade etmektedir.  Yeni lifler bilgisayarlarda kullanılarak devrim yaratabilir, enerji kazanılmasında veya bir saldırının önlenmesinde kullanılabilirler.

Olay bu yaz ortasında İngiliz Gloucestershire havaalanında gerçekleşti. Airbus A320 tipi bir yolcu uçağının gövde kısmında bir bagaj içinde bulunan bomba patladı. Chemnitz (Almanya)’li araştırmacılar bagajın etrafında bir araya gelmişlerdi. Onlar ordayken patlama oldu. Her şey beklendiği gibi gelişti. Ne uçakta ne de diğer bagajlarda herhangi bir hasar meydana gelmedi.

Patlayan bavulun içinde yeni nesil liflerden elde edilen bir çanta ”’Fly-Bag” bulunmaktaydı.  Chemnitz Sakson Tekstil Araştırma Enstitüsü (STFI) müdürü Andreas Berthel, “dört katmanlı ultra-dayanıklı tekstil kılıf plastik patlayıcının muazzam patlama gücüne dayandığını, böylece bavulun fermuar ve dikişlerine bile zarar verilmediğini”  söyledi. Böyle bir torba kargo bölümlerinde bombalama eylemi riskini azaltabilir. Çantanın dışına herhangi bir parçacık çıkamamakta buna rağmen kumaşın gözenekli olması nedeniyle bagaj bölümünde basınç dengesi sağlanabilmektedir.

1988 yılında Lockerbie olayı gibi bir bombalama eyleminin Fly-Bag kullanılması halinde hazarsız bir şekilde sonuçlanabileceği iddia edilmektedir.  O zamanlar, İskoçya üzerinde uçuş sırasında plastik patlayıcının patlaması sonucu 270 kişi hayatını kaybetmişti.

Terörle mücadele tekstil araştırma önceliklerinden biri olmasa da malzemelerin dayanımının arttırılması çalışmaları devam etmektedir.  Yeni lifler uzun süredir sadece modayı ilgilendiren bir alan değil. Farklı fonksiyonlara sahip, ileri teknoloji ile üretilen elyafların geliştirilmesiyle kullanıcıların yaşamını kolaylaştırmak mümkün hale gelebilmektedir. Sporcular akıllı tekstillerle dereceler almakta, itfaiyeciler ışıldayan (fosforlu)  giysiler ile kendilerini daha güvende hissetmektedirler. Yakında hastalar için özel olarak geliştirilecek teknolojik giysi ve yatak örtüleri hastanın sağlık bilgilerini anlık olarak hasta bakıcılarına bildirebilecektir. Tıp dünyası uzun vadeli EKG yapabilen yelekler öngörmektedir. Ve uzun süredir araştırmacılar kendi kendine enerji elde eden ve depolayan gömlek ve pantolonlar ile ilgili çalışmalar yürütmektedirler.

Dünyanın en ünlü yüksek teknolojik giysisi bir zamanlar U2’nun solisti Bono’ya aitti. Bono 240 lazer ışını taşıyan ceketiyle dünya turnesi yapmıştı. 2009 yılında gerçekleşen bu olay tam bir sansasyondu.  Bugün ise bu teknoloji eskidi ve dünde kaldı. Tekstil lifleri bugün çok daha fazlasını yapabiliyorlar.

Örneğin parlak giysiler artık metre başına 625 aydınlatma elemanı bulunduran iletken ipliklerden elde edilebiliyor. Thüringen-Vogtland Tekstil Araştırma Enstitüsü (TITV) çalışan Sabine Gimpel bunun maksimum değer olduğunu söylüyor. İpliğin esnekliğini kaybetmemesi için metre başına 150 aydınlatma elemanı bulunmasının daha uygun olduğunu da ekliyor. Buna rağmen Disney şirketinin çalışanlarının geçtiğimiz günlerde yaşadığı gibi aydınlatma gücü sorunu yaşanabilir. Şirket çalışanları ufak sensörlerle donatılmış kumaştan elde edilecek bir Sindirella elbisesi geliştirmek istemişlerdi.  Sihirli bir kalemle tüm lambacıklar açıp kapatılabilecekti. Sorun şu ki: ilk yıkamada büyü bozuldu.

Kumaşlarda gerçekleştirilen birçok teknik tek kullanımlık birçok olabilmekte ve sadece birkaç gün çalışabilmektedir. TITV iletken plakaları esnek kumaş halinde üretmekte tişörtleri reklam panosuna dönüştürebilmektedir.  Bunlar da sonsuza kadar çalışmamakta fakat bir fuar alanında ve yürüyüşte yer alan insanların işini görebilmektedir. Gimpel  “iletken bir öze sahip iplikler makinelerde çalışabilir özellikte olduğunu söylemektedir. Disney elbiselerinin kullanım ömrünün uzatılması için kumaşın dokunabilir olması ve iletken olması için o zamanlar süper ince karbon elyaf kullanılmıştı.

Kullanıcının vücut ısısına veya güneş ışınlarına bağlı olarak kırmızı sarı ve yeşil arasında renk değiştiren boyarmaddeler bulunmaktadır. Tasarımcılar telefonla bağlandığında farklı tonlarda görünen giysiler üretmişlerdir. Tişörtünde davul taşıyan parmaklarıyla davul sesi çıkarabilir. Günlük yaşamda uzun süreli kullanılan bu tür giysiler yoktur. Henüz değil. “bu giysilerin gereksinimleri çok yüksek” diyor Gimpel.  Geliştirilecek teknik çalışır ve kalıcı olmalı, fiyat düşük aynı zamanda ürün kolay temizlenebilir olmalı. Buna ek olarak kullanıcı kendini rahat hissetmelidir.

Gipfel 18 yıldır teknik ve giyim arasındaki ortak yaşam konusunda araştırma yapıyor. Ama işler genellikle sinir bozucu. Geliştirilen birçok ürün piyasada umduğunu bulamadı diyor. Fakat bilişim devi Google, geniş bir uygulama alanının geldiğine inanıyor. Kaliforniyalıların en yeni projesi adını ilk endüstriyel dokuma makinesinin geliştiren mucit olan “Jacquard” dan alıyor.  Burada iletken ve iletken olmayan elyaflar önce saç örgü yöntemiyle bir araya getirilmekte elde edilen hibrit iplik touchpad gibi çalışan dokunmatik bir kumaş halinde dokunmaktadır. Kumaş bilgisayarı kontrol eden bir ara yüz elemanı olarak kullanılmaktadır. Prototip ilk olarak Google tarafından I/O fuarında gösterilmiş olup oldukça iyi bir şekilde çalışmıştır.

İnsanlar ve makineler arasında ara yüz olarak çalışacak teknik donanımlı elyafların muhtemelen gelecekte iyi bir şansa sahiptir. Şimdiye kadar geliştirilen ürünler daha çok özel ihtiyaçların giderilmesinde rol oynamıştır.  Isıtıcı elyaflara sahip eldivenler çok düşük sıcaklarda çalışmayı mümkün hale getirmiştir. Işıldayan uyarı elementleri itfaiyecilerin güvenliğini sağlamıştır. Neredeyse kimsenin satmadığı ısınabilen iç çamaşırlar, çoraplar ve yelekler bulunmaktadır. Dışarıdan uygulanan basıncı akıma çeviren son derece elastik ve dayanıklı elyaflar güvenlik açısından çelik yelekler için ilgi çekicidir.

Alman Yapay Zeka Araştırma Merkezi (DFKI)’den Norbert Schmitz “asıl atılımı spor ve eğlence sektöründe bekliyorum” diyor. Vücut üzerindeki hareket sensörleri çok küçük ve ucuz hale getirilmiştir. Bunlar ivme, hız ve yeryüzü manyetik alanı şiddetini ölçmektedirler. Bu verilerden vücudun ve ayrı ayrı kas gruplarının hareketleri hesaplanabilir. Koşu esnasında short veya pantolon bireysel hareketleri ölçerken ayakkabı mesafeyi ve yerin gösterdiği tepki kuvvetini ölçer. Böylece profesyonel sporcular tekniklerini geliştirebilirken,  amatör sporcular düzgün spor yapıp yapmadıklarını kontrol edebilirler.

Şimdilerde sensörler doğrudan kumaş ile birlikte derinin üzerinde bulunmaktadır. Schmitz bunu oldukça hoş bulmakta “bir kazağı giyip çıkarmak faaliyet sırasında sürekli hareket eden düzinelerce sensörü vücuda yapıştırmaktan çok daha kolay olmaktadır” diyor. Esasında sensörler tuş gibi giysilere sabitlenmekte batarya ise dikilmiş bir cepte bulunmaktadır. Her ikisi de yıkama öncesi giysiden uzaklaştırılmakta geri kalan elektronik elemanlar çamaşır makinesine girebilmektedir."Henüz kablolamanın kaç yıkamaya kadar dayandığı bilinmemekte fakat kumaşın çok sağlam ve daha az problem yaşatmaktadır."

Araştırmacılar hassas uygulamalarda bölgelerde bile sensörlerine güveniyorlar.  Lizbon’da gerçekleştirilen bir fuarda üreticiler modern tekniğin tıp ve hemşirelik hizmetlerini ne kadar iyileştirebileceğini gösterdiler. DFKI uzun vadeli EKG görevini yerine getirecek iç çamaşırları sergiledi.  Sistem halihazırda bir tıbbı sertifikaya sahiptir. Ayrıca vücut ısısını ve solunumu kontrol eden tekstiller de mevcuttur. Bu tekstillerin çocuk uyku setlerinde kullanılmasıyla birlikte anne babalar yavrularının sağlığı ile ilgili verilerini akıllı telefonlarından takip edebileceklerdir.

Japon Triple W şirketi mesane zayıflığı çeken insanlar için tuvalet zamanının geldiğini haber veren onu bir başparmak büyüklüğünde ultrasonik sensörler geliştirmiştir. Aynı zamanda iç çamaşırlar ve uyku setlerinde kullanılabilecek nem sensörleri geliştirilmiş, böylece herhangi bir istenmeyen sıvıyı fark edildiğinde otomatik olarak bakıcı veya hemşirelere bir mesaj gönderilebilmektedir.

Şu anda, araştırmacılar pilsiz çalışan tekstil yapmak için çalışıyorlar. Neden bir ceket aydınlatma efektleri için gerekli enerjiyi ekonomik bir mini bilgisayara veya aklı telefona şarj edemesin? Güney Koreli araştırmacılar giysi giyen taşıyıcının hareketini elektriğe çeviren kıyafetler üzerinde çalışıyorlar. Onlar birbirine sürten kaba silikon ızgara ve özel bir gümüş folyodan oluşan çift katlı bir kumaş geliştirdiler. Elektrostatik yükleme sayesinde enerjisi elde edilebilmektedir.

Gelecekte iplikler dokuma kumaş oluşturmaktan çok daha fazlasını yapacaklardır. Chemnitzer TITV’de çalışan bilim adamları sadece elektrik enerjisini üreten değil,  üretilen enerjiyi depolayan tekstilleri de hayal etmekteler. Prensip olarak araştırmacılar bunun için bilinen bataryaları küçültüp uzunluklarını arttırarak sonsuz bir filament haline getirmeyi istiyorlar. Böylece iplik pratikte batarya olarak üretilmiş olacaktır.

Şangay ‘da bulunan Fudan Üniversitesi’nde çalışan bilim adamı Huisheng Peng bu tür özel iplikleri eğirebilmektedir. Peng ince çelik telleri perovskit ve titandioksit ile kaplamaktadır.  Her ikisi seramik malzeme normal güneş pillerinde kullanılmaktadır. Aslında, Çinli bilim adamları biraz başarı sağlamışlardır: yaklaşık dört santimetrekare büyüklüğünde tekstil güneş pili geliştirilmiş güneş ışığından bir miktar enerji kazanmak mümkün hale getirilmiştir.




süper esnek lithium-ion pilinin kompozit iplik halinde oluşturulmasının şematik gösterimi [Journal of Materials Chemistry A]

*www.welt.de  adresinde yayınlanmış makaleden çevrilmiştir.

Orjinal metin için:
http://www.welt.de/print/wams/wissen/article148002232/Nur-Stoff-war-gestern.html