Plastiklerde iç yapısından bir şişirici ajana yardımıyla boşluklar oluşturulmuş yapılar köpük olarak adlandırılır. Farklı yöntemler ile şişirilmiş ürünleri pazarda görmek mümkünüdür. Kısaca sıralayacak olursak; ekstrude edilmiş veya enjeksiyon yapılmış ürünler, içi boş küreciklerden yapılmış ürünler, gaz enjeksiyon sistemiyle elde edilen enjeksiyon ürünleri, kimyasal veya fiziksel şişirici ajanlar ile elde edilmiş ürünle vb.
Buradaki konumuz Kimyasal veya Fiziksel şişirici ajanların kullanımı olacaktır. Elbette ki bir ürünün bütün yapısının malzeme yerine belli hacimde bir boşluk ile doldurmak maliyet açısından büyük avantaj sağlayacaktır. Kullanılacak ürünün tipi ve mekanik özellikleri elverdiği ölçüde ürünün yapısının gaz boşlukları ile desteklenmesi mümkün olmaktadır. İşte kullanılan şişirme ajanlarının temel görevi de bunu sağlamaktır.
Şişirme ajanları Kimyasal ve Fiziksel olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Fiziksel olanlar, kimyasal olanlara göre daha kompleks bir sisteme ihtiyaç duyar ve üretim sırasında herhangi bir kalıntı bırakmazlar. Düşük yoğunluk için yüksek basınca ihtiyaç duyarlar yada bir başka deyişle katıldıkları plastik eriyik içinde iyice çözünmelidirler. Proses sırasına oluşan gaz basıncı sıcaklık ile ilişkilidir, sıcaklığın artması basıncın artmasına sebep olur. Kimyasal olanlarda ise özelliklerine bağlı olarak, üst sınır sıcaklığına ulaşana kadar basınçta bir değişiklik olmaz. Daha sonra çok küçük bir basınç farkı ile bozunma sıcaklığına ulaşıldığında ise çok kısa sürede tam gaz basıncı açığa çıkmış olur. Arkasından fiziksel ajanlarda olduğu gibi ısı artışı ile birlikte basıncın arttığı gözlenir. Sıvı fiziksel şişiriciler ise, sıcaklık , basınç ve malzemenin matriks içinde çözünmesine bağlı olarak bu iki farklı davranışın arasında bir özellik gösterirler.
Tipik fiziksel şişirici ajanlara örnekler; azot, karbon dioksit, su, sülfür dioksit, florokarbonlar, pentan… Bir alt grup olarak gazlar ve sıvılar diye iki gruba da ayırabiliriz.
Köpürme şartlarında bütün şişirici ajanlar gaz yada sıvı formda olmalıdır ki, üründe genişlemeyi sağlasınlar. Bazı fiziksel ajanlar, basınç altında sıvı haldedir ve üzerindeki basıncın ani düşmesi ile sıvı halden gaz hale geçerek köpük oluşmasını sağlarlar.
Kimyasal şişirici ajanlar ise, bozunmanın gerçekleşmesi için yeterli sıcaklık uygulandığında genelde, azot, amonyak, su, karbon monoksit ve karbon dioksit açığa çıkarırlar. Bu özellikleriyle kimyasal şişiriciler, sıvı fiziksel şişirme ajanlarına benzerler çünkü sıvı yada katı halden direkt gaz hale geçerler. Kimyasal şişirme ajanları, geri dönüşümsüz bir şekilde gaz oluştururlar ancak fiziksel olanlar uygun sıcaklık ve basınçta tekrar sıvı hale dönüşebilirler.
Örneğin, çinko karbonat ve çinko oksit yaklaşık 300 derecede bozunarak su ve karbon dioksit çıkarırlar. Bazılarında başka bir kimyasal ile temas ettiğinde reaksiyon gösterirler, Sodyum bikarbonat ve sitrik asit gibi.. Bu açıdan bakıldığından oluşan reaksiyonun geri dönüşümlü olmaması sebebiyle kimyasal şişiriciler fiziksel olanlardan ayrılmış olur. Bir kez gaz çıkış oluştuysa geri dönüşü yoktur.
Kullanılan şişirici ajanın özelliğine göre kullanılan ekipmanlarda farklılık gösterir:
Kimyasal olanlar enjeksiyon ve ekstrüzyon öncesi resin ile karıştırılabilir. Karışım normal kompounding prosesi gibi devam eder ancak gaz çıkışının başlamaması içim sıcaklığı sıkı bir şekilde kontrolü gerekir. Bu sebeple piyasa bu tür ürünler önceden hazırlanmış konsantreler şeklinde sunulur. Bunların kullanımında çoğu durumda normal ekipmanlar işlemek içim yeterlidir. Bunun için enjeksiyonda shut-off nozzle kullanılması gerekir.
Diğer yandan fiziksel şişirici ajanlar basınç altında karıştırılmalıdır veya ajanın sıvı halde olduğu bir sıcaklıkta eklenmelidirler. Bu sebeple fiziksel olanlar kimyasal olanlara göre daha az yaygındır ve bu sebeple yüksek hacimli uygulamalarda, ajanın eriyik haldeki resin içinde tutabilen ve daha pahalı sistemlerin olduğu her yerde kullanılabilir.
Köpükler yoğunluklarına göre sınıflandırılırlar: Yüksek yoğunluklu olanlar yapısal köpükler diye adlandırılır. Düşük yoğunluklu köpükler ise ki genelde 0.2 g/ml civarındadır, hem yumuşak hem de sert olabilir.
Köpükler yapılar itibariyle açık hücreli veya kapalı hücreli olarak tanımlanır. Genelde açık ve kapalı karışık hücreli köpükler üretmek nispeten daha kolaydır. Ancak tamamının kapalı veya tamamının açık olması için iyi bir üretim teknolojisine ve dikkatli bir üretime ihtiyaç vardır. Kapalı hücreli sistemlerin termal yalıtımı son derece iyidir.
Aşağıdaki resimlerde sırasıyla ambalaj uygulamalarında kullanılan ve EPS diye tanımlanan köpük yapısı ile, yalıtım uygulamalarında kullanılan ve XPS diye tanımlanan köpük yapıları görülmektedir.
Çoğu köpük üretimi amorf plastiklerden üretilir. Çünkü bu plastiklerin eriyik viskositeleri sıcaklık artışı ile birlikte düşer. Yarı kristal plastiklerde ise böyle bir durumdan bahsetmek söz konusu değildir. Erime noktalarındaki ani viskosite değişimi köpük üretiminin kontrolünü zorlaştırır.
Genelde kullanılan resin ve üretim hacmine göre şişirme ajanı seçilir. Büyük hacimli üretimlerde maliyet unsurları sebebiyle daha ucuz olan karbon dioksit ve azot gibi şişirme ajanları kullanılır. Ancak bu üretimlerde istenen köpük yapısını elde temek pekte mümkün olmaz. Bu yüzdenden daha pahalı olan fiziksel şişirme ajanları olan propan, bütan ve pentan gibi ajanlar kullanılmalıdır.
Eğer yüksek yoğunluklu yapısal köpükler isteniyor ise, bunlarda hücre duvarları genelde kalındır ve düşük yoğunluklu kapalı hücreli köpük arzu edilmez. Düşük yoğunluklu olanlar hem sert hem de yumuşak olabiliri. Açık hücreli köpüklerden sert olanlar filtre gibi uygulamalarda kullanılırken, kapalı hücreliler hem sert hem de yumuşak olur. Düşük yoğunluklu ve kapalı hücreli sert plastikler, ısı yalıtımı ve hafif yük taşıma uygulamalarında örneğin uçak kanadı ve zemin uygulamalarında kullanılır. Yumuşak olanlar ise yatak, yastık ve döşeme uygulamalarında kullanılır.
Çoğu zaman ürünlerde hücre dağılımı homojen değildir, bu yüzden özelliklerde homojen değildir. Özellikle düşük yoğunluklu olanlarda, bazı üreticiler bu düzensiz dağılımı kapatmak ve gizlemek için renklendirici kullanarak opak bir görüntü oluştururlar. Ancak bu, çok yüksek oranda boya kullanımı anlamına gelir.
Organik şişirme ajanları, termal bozunma sıcaklığı, farklı katkılar ile bu aralığın değiştirimesi, gaz miktarı, gaz tipi, tehlikeli unsurlar, hücre yapısı özellikleri, bıraktıkları kalındı ve fiyatlarına göre değerlendirilir. Bu alanda en çok kullanılan ajan Azodikarbonamid’dir ve205-215 C arasında bozunur, açığa çıkan gaz hacimce % 65 azot % 32 karbonmonoksit % 3 de karbondioksitdir. Son derece kompleks bu reaksiyon sıcaklığı farklı katkılar ile değiştirilebilir. Piyasada modifiye AZ olarak bulunmaktadır.
Şişirme ajanları enjeksiyon prosesinde bazen problem gidermek amaçlı olarak kullanılabilir. Enjeksiyonda kalın bölgelerde genelde sıkıntı ile karşılaşılır. Bunlar boşluk oluşması veya çöküntü dür. Eğer yüzey soğuması hızlı olursa, çekme sırasında parça yüzeyi içe doğru çekilemeyeceği için parçada iç boşluk oluşacak. Ancak eğer yüzey yeterince soğumamış ise bu durumda çekme ile birlikte yüzey içe doğru çekileceği için çöküntü oluşacaktır. Bazı şişirme ajanları kullanılarak bu olumsuzlukları gidermek mümkün olabilir.
