TARIFNAME TERMOPLASTIK PREPREG ÜRETIM YÖNTEMI Teknik Alan Bu bulus, havacilik, savunma sanayi, medikal, denizcilik ve otomotiv basta olmak üzere tüm endüstriyel alanlarda yapisal ve görsel malzeme olarak kullanilmak üzere gelistirilen ve en az tek yönlü güçlendirici elyaftan mamül iplik (A) tabakasi (matris) ile en az tek yönlü polimerik elyaftan mamül iplik (B) tabakasinin dokunmasiyla olusturulan kivrimsiz kuru bez (non-crimp dry fabric) içerisine termoplastik reçine emdirilmesini saglayan termoplastik prepreg üretim yöntemi ile ilgilidir. Kivrimsiz bezi olusturan katmanlar, eriyebilen termoplastik ipligin (C) atki ve çözgü yönünde sisteme dahil edilmesiyle olusmaktadir. Önceki Teknik Prepregler, termoset ve termoplastik olarak iki ana kategoriye ayrilir. Termoplastik prepreg, termoplastik reçine emdirilmis güçlendirici elyaflardan mamül ipliklerden olusan yapilardir. Termoplastik prepregler günümüzde hafifletme, geri dönüsüm potansiyeli, korozyona karsi direnci gibi özellikleri nedeniyle çok popülerdir. Günümüzde termoplastik prepreg üretiminde kullanilan reçine; toz, film veya granül olarak uygulanmaktadir. Elde edilen termoplastik prepregler daha sonra isil biçimlendirme (thermoforming), isi ve basinçla sekillendirme (compression molding) veya overmolding gibi üretim metotlariyla son ürün olan kompozit malzemeye dönüstürülmektedir. Termoplastik prepreg üretiminde poliamidler (PA) (poliamid 6 (PA6), poliamid poliarilenetersülfon, poliolefinler (polietilen (PE), polipropilen (PP) gibi), poliimid (PI), poliesterler tercihen polietilen teraftalat (PET) veya polibutilen teraftalat (PBT) gibi, polieter eter keton (PEEK) gibi malzemeler kullanilabilmektedir. Toz, film ve granül halindeki reçinenin sisteme beslenmesinde manuel veya otomatik yöntemler tercih edilmektedir. Termoplastik prepreg üretiminde kullanilan özellikle toz ve granül uygulamasi; reçinenin dagiliminda homojenizasyon problemi, optimum hammadde kullanma zorlugu ve üretim esnasinda olusan atigin fazla olmasi gibi durumlara neden olmaktadir. Termoplastik prepreg üretimi kesikli veya sürekli yöntemlerle yapilmaktadir. Hem kesikli hem de sürekli yöntemde, toz reçine beslemesinin otomatik olmasi durumunda bile termoplastik reçine/güçlendirici elyaf (reinforcing fiber) orani istenilen hassasiyette uygulanamamaktadir. Birim alanda kullanilan toz miktarlarinda varyasyonlar olusmaktadir. Granül halinde beslenmesi durumunda ise reçine tane büyükleri fazla oldugundan termoplastik prepreg üzerinde homojen bir erime saglanamadigindan kümelenmeler görülmektedir. Ayni sebeple, reçinenin elyaf yapisi içerisine emilimi kolay olmamaktadir. Baska bir ifadeyle, reçine, güçlendirici elyaflardan mamül iplikten olusan yapinin içerisine homojen bir biçimde nüfuz edememektedir. Teknikte bilinen uygulamalardan USS445701 basvuru numarali Birlesik Devletler patent dokümaninda film seklinde termoplastik reçine yönteminden bahsedilmektedir. Ancak bu yöntem pahali bir yöntem olmasinin yani sira istenilen termoplastik malzemeye uygun filmin tedarik edilmesinde zorluklar yasanabilmektedir. Devletler patent dokümaninda, basvuruya konu olan termoplastik prepreglerin et kalinligi, 0,3 ile 6.0 mm arasinda üretilebilmektedir. Bahsedilen bulus, daha büyük et kalinligina sahip termoplastik prepreglere yönelik olmamasi sebebiyle kisitli bir alanda is görebilmektedir. Teknikte bilinen uygulamalardan USS464684 basvuru numarali Birlesik Devletler patent dokümaninda, poliamid esasli melez iplik üretim yönteminden bahsedilmektedir. Bu yöntemde termoplastik ip ile güçlendirici ip hava ile birbiriyle karistirilarak (intermixing) üretilmektedir. Ipliklerin birbiriyle karistirilmasinin kompleks bir proses olmasi ve bükülme isleminin kirilganligi yüksek olan karbon elyafa uygulanmasi karbon elyafin dogrusal mukavemetinde düsüse neden olmaktadir. Bulusun Kisa Açiklamasi Bulusun amaci, geleneksel uygulamalara kiyasla prepreg uygulamasinda kullanilan reçinenin, dokuma yöntemiyle üretilmis kivrimsiz kuru bez içerisine daha fazla nüfuz edebilmesini saglamaktadir. Baska bir ifadeyle, bulusun amaci güçlendirici elyaftan mamül iplik ile üretilen bezin islanabilirligini (wettability) saglayan termoplastik prepreg üretim yöntemi gerçeklestirmektir. Bulusun diger amaci, güçlendirici iplik ve termoplastik iplik içeren kivrimsiz kuru bezlere daha hassas reçine miktari uygulanabilme ve daha kolay proses edilebilme saglayan termoplastik prepreg üretim yöntemi gerçeklestirmektir. Bulusun en önemli avantaji, termoplastik prepreg üretiminde kullanilan kivrimsiz bezlerin çok eksenli tekstil üretim makinesine (multiaxial textiles production machine) ihtiyaç duymadan, standart dokuma makinesi veya el dokuma tezgahlarinda üretimine olanak saglamasidir. Bulus konusu olan yöntem ile üretilmis dokunmus kivrimsiz bezlerde, standart yöntemle üretilen dokuma yapisinda bulunan kivrim olmadigindan, birim alanda daha yüksek mekanik mukavemet degerlerine ulasilabilmektedir. Bulusun Ayrintili Açiklamasi Bu bulusun amacina ulasmak için gerçeklestirilen "Termoplastik prepreg uygulama yöntemi" ekli sekillerde gösterilmis olup; bu sekillerden: Sekil 1 - Bulus konusu termoplastik prepreg uygulama yöntemiyle üretilen tek yönlü termoplastik prepreg için kullanilan kivrimsiz bez gösterimidir. Sekil 2 - Bulus konusu termoplastik prepreg uygulama yöntemiyle dokuma makinesinde üretilmis kivrimsiz bezin detay gösterimidir. Sekillerdeki parçalar numaralandirilmis olup karsiliklari asagida verilmistir A. Güçlendirici iplik C: Eriyebilen termoplastik iplik (meltable thermoplastic yarn) Örnegin Sekil 1'de gösterilen kivrimsiz bezin, ilk ve son katinda kullanilan termoplastik iplikten mamül tek yönlü yapi ile orta katinda kullanilan tek yönlü güçlendirici iplikten mamül yapinin bir arada tutulmasi amaciyla eriyebilen termoplastik ipligin Sekil ?de görüldügü gibi atki ve çözgü yönünde sisteme dahil edilmesinin ardindan bulusta tariflenen sekilde tek yönlü termoplastik prepreg elde edilmektedir. Bulus konusu tek eksenli (uni-directional), iki eksenli (biaxial), üç eksenli (triaxial) ya da çok eksenli (multiaxial) termoplastik prepreg üretim yöntemi; üretilen kivrimsiz bezin güçlendirilmesi amaciyla gerçeklestirilen reçine emprenye etme (impregnation) isleminde reçinenin bez içerisine homojen ve derinlemesine geçebilmesini saglayan ve, - Kivrimsiz bezin üretilmesinde kullanilan güçlendirici iplik ve termoplastik ipligin dokuma makinesi kullanilmasiyla eldesi, - Termoplastik prepreg tasariminda belirlenen termoplastik iplik (B) ve güçlendirici ipliklerin (A) bez üretim asamasinda birlestirilmesi için atki ve çözgü yönünde eriyebilen termoplastik iplik (C) (meltable thermoplastic yarn) ile dokunmasi, - Güçlendirici iplik (A) ile üretilmis tek eksenli olan her katin alt ve/veya üst yüzeyinde termoplastik iplik (B) içeren tek eksenli katin yerlestirilmesi, - En az bir katin "tek eksenli güçlendirici elyaf, içeren katman içerecek sekilde en az 2 katmandan olusmasi, - Kivrimsiz (non-crimp) bezin (fabric) sicakliginin termoplastik ipligin yumusama (softening point) veya erime sicakligi (melting point) üzerine çikarilmasi, - Bu sicaklikta kivrimsiz beze basinç (0-100 bar) uygulanmasi, - Bu sicaklikta kivrimsiz beze öngerme (pretensioning) (0-5 gr/tex) uygulanmasi, - Ip formunda ve matris olarak kullanilan termoplastik reçine (B) ile yapiyi birlestirmek için kullanilan eriyebilen termoplastik ipligin (C), bez içerisinde eriyerek güçlendirici ipligin elyaflari (A) arasina nüfuz etmesinin saglanmasi, - Sicaklik ve basincin 2 -120 dakika araliginda bir süreyle uygulanmasi, - Reçinenin basinçsiz veya basinç altinda camsi geçis sicakliginin (Tg: glass transition temperature) altina gelene dek sogutularak kullanima hazir nihai ürünün elde edilmesi adimlarindan olusmaktadir. Söz konusu bulusta, kivrimsiz bez olusturulmasinda kullanilan termoplastik iplikler, poliamidler (poliamid 6 (PA6), poliamid gibi), polifenilen sülfit (PPS), polisülfon (PSU) (polietersulfon (PES), poliarilenetersülfon gibi), poliarilensülfit, floropolimer, poliasetal, polikarbonat, stirenic polimer, poliolefinler (polietilen (PE), polipropilen (PP) gibi), poliimid (PI), polieterimid, poliesterler tercihen polyetilen teraftalat (PET) veya polibutilen teraftalat (PBT) gibi, polieter eter keton (PEEK), polieter keton (PEK) veya bunlarin harmanlanndan olusan bir gruptan seçilen termoplastik iplik (B) formunda kullanilmaktadir. Söz konusu bulusta, kivrimsiz bez olusturulmasinda kullanilan güçlendirici iplik (A) olarak cam elyaf, karbon elyaf, aramid elyaf, dogal elyaf veya bunlarin karisimlarindan olusan bir gruptan seçilen malzeme kullanilmaktadir. Dokumayi bir arada tutmak amaciyla atki ve çözgü yönünde kullanilan termoplastik ip (C) ile matris olarak kullanilan reçinenin (termoplastik iplik) (B) ayni malzeme olmasi tercih edilmektedir. Bulusta kullanilan kivrimsiz bez (non-crimp fabric) terimi, iki ya da daha fazla tek eksenli (uni-directional) elyaf katmanindan olusan ve bu katmanlarin termoplastik polimerden mamül iplik ile dokunarak bir arada tutulmasiyla olusan bir sistem olarak tanimlanmaktadir. Kivrimsiz bezlerden olusturan prepregler, tek eksenli güçlendirici elyaf içeren katmanlarin açilari dikkate alindiginda tek eksenli (uni-directional), iki eksenli (biaxial), üç eksenli (triaxial) ya da çok eksenli (multiaxial) olabilir. Bulusta kullanilan dtex terimi, bir ipligin 10,000 metre uzunlugunun gram olarak agirligidir. Bulusa konu olan termoplastik prepreg üretimi yönteminde, reçinenin termoplastik elyaftan mamül iplik halinde olmasi termoplastik prepreg içerisindeki reçine/güçlendirici elyaf oraninin kolayca ayarlanabilmesini saglamaktadir. Söz konusu bulusta, reçinelerin kivrimsiz bez içerisine nüfuz etmesi ile olusturulan nihai ürün olan termoplastik prepreglerin et kalinligi 0.25 ile 8 mm arasinda olacak sekilde ayarlanmaktadir. Tek kat güçlendirici elyaf içeren termoplastik prepreglerin et kalinligi, kullanilan güçlendirici ipligin türüne, bezin alansal agirligina (areal weight) ve uygulanan basinca baglidir. En az "tek kat güçlendirici iplik" içeren ve en az iki katli olarak üretilen sistemin, matris olarak kullanilan reçine ile genellikle ayni polimerden mamül termoplastik iplik ile bir arada tutulmasiyla elde edilen dokunmus bezden mamül termoplastik prepreglerin et kalinligi ise kullanilan tek eksenli elyaf katman adedi, güçlendirici ipligin türü, kivrimsiz bezin alansal agirligi ve uygulanan basinca baglidir. Söz konusu bulus, reçinenin isitilmasi adiminda reçine üzerine 0-100 bar, tercihen 1-40 araliginda basinç uygulanmasini içermektedir. Söz konusu bulusta, kivrimsiz bezin güçlendirici iplikleri içerisine nüfuz eden reçinenin sogutulmasi 0-100 bar, tercihen 1-40 bar araliginda basinç altinda gerçeklestirilmektedir. Söz konusu bulusta, termoplastik reçinenin agirligi güçlendirici elyaftan mamül iplik agirliginin %10 ile %90, tercihen %30 ile % 70,i arasindadir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda tek eksenli (unidirectional-UD) termoplastik prepreg üretimini saglamak amaciyla, tek eksenli ve tek kat (unidirectional and single layered) güçlendirici iplikler (A) ile bu katin alt ve/veya üst yüzeyinde matris olarak termoplastik iplik (B) içeren katlar kullanilmaktadir. Bulusun tercih edilen uygulamasinda iki eksenli (biaxial) termoplastik prepreg üretimini saglamak amaciyla, iki eksenli ve iki kat (biaxial and two layered) güçlendirici iplikler (A) ile bu katlarin alt ve/veya üst yüzeylerinde termoplastik iplik (B) içeren katlar kullanilmaktadir. Bulusun tercih edilen uygulamasinda üç eksenli (triaxial) termoplastik prepreg üretimini saglamak amaciyla, üç eksenli ve üç kat (triaxial and three layered) güçlendirici iplikler (A) ile bu katlarin alt ve/veya üst yüzeylerinde termoplastik iplik (B) içeren katlar kullanilmaktadir. Bulusun tercih edilen uygulamasinda çok eksenli (multiaxial) termoplastik prepreg üretimini saglamak amaciyla, en az dört eksenli ve dört kat (minumum quadraxial and four layered) güçlendirici iplikler (A) ile bu katlarin alt ve/veya üst yüzeylerinde termoplastik iplik (B) içeren katlar kullanilmaktadir. Bulusa konu olan termoplastik prepregler, havacilik, savunma sanayi ve otomotiv basta olmak üzere tüm endüstriyel alanlarda yapisal ve görsel malzeme olarak kullanilabilmektedir. Elde edilen bu nihai ürün termoplastik prepreg veya organosheet adi verilen yari mamuldür. Termoplastik prepreg üretiminde, kesikli veya sürekli yöntemler kullanilabilmektedir. Her iki yöntemde de kullanilan ana prensip, termoplastik reçinenin yumusama (softening point) veya erime noktasi üzerinde bir sicaklikta basinç (0-100 bar) uygulanmasi ve bu sekilde reçinenin güçlendirici elyaflara nüfuz etmesini saglamaktadir. Sicaklik ve basincin 2 dakika ile 120 dakika arasinda belirlenen bir süre zarfinda uygulanmasinin ardindan sogutma islemi uygulanmaktadir. Sogutma islemi polimerin yapisina göre basinçsiz veya basinç altinda (0-100 bar) uygulanabilmektedir. Sogutma sicakligi, reçinenin camsi geçis sicakliginin (Tg) altindadir. Bulusa konu olan termoplastiklerin üretildigi makine, plastigin yapisina uygun olarak 450°C`ye kadar isitilabilmektedir. Sogutma prosesinde ise kullanilabilen sicaklik araligi 25°C ile 200°C arasindadir. Bulus kapsaminda üretilen termoplastik prepreglerin et kalinligi 0.25 ile 8 mm arasindadir. Teknigin bilinen durumunda yer alan uygulamalar, reçinenin homojen olarak elyaflarin içerisine dagilmasini saglayamamaktadir. Öte yandan bulus kapsaminda gerçeklestirilen yöntemde, reçine ip formuna getirilerek kullanildigi için, reçine/güçlendirici elyaf orani hassas bir sekilde ayarlanabilmektedir. Özetle, yeni gelistirilen yöntemle reçine besleme homojenizasyonu miktarsal olarak üretime baslamadan önce elde edilmektedir. Reçine/güçlendirici elyaf oraninin her yerde homojen ve istenen oranda elde edilmesi için güçlendirici elyaftan mamül iplik ile termoplastik yapili elyaftan mamül ipin farkli dtex, farkli filament çapi ve adedi kullanilabilmektedir. Termoplastik ip uygulamasiyla, plastik yüzey alaninin artmasi ve malzeme oryantasyonun düzenli olmasi özellikle toz ve granül uygulamalarina oranla reçinenin daha kolay erimesini saglamaktadir. Böylelikle daha düsük hassasiyetli makinede daha iyi kalitede ürün elde edilmektedir. Ayni zamanda, uygulama sirasinda olusabilecek alansal agirlik yönünden hatalar önlenmektedir. Kivrimsiz bez uygulamasinda matris olarak kullanilan termoplastik reçineler, bezin farkli katlarinda iplik formunda (B) uygulanmaktadir. Güçlendirici elyaftan mamül iplikler (cam, karbon, aramid, dogal elyaf gibi) ise ayni sekilde bezin tek katinda veya farkli katlarinda uygulanarak elde edilen melez yapinin termoplastik prepreg üretimine uygun hale gelmesi saglanmaktadir. Melez bezlerde iki veya daha fazla tip güçlendirici iplik (A) de kullanilabilmektedir. Örnegin ayni dokunmus kivrimsiz bez içerisinde karbon, cam ve termoplastik iplik (B) kullanilabilmektedir. Bulus konusu yöntem kapsaminda, termoplastik prepreg üretiminde kullanilan güçlendirici iplik (A) ve termoplastik iplik (B) içeren kivrimsiz bezlerin çok eksenli tekstil üretim makinesine (multiaxial textiles production machine) ihtiyaç duymadan, standart dokuma makinesi veya el dokuma tezgahlarinda üretilmesi saglanmaktadir. Böylece, geleneksel termoplastik prepreg üretimi için uygulanan toz, film veya granül kaplama sirasinda gereken ekstra bir proses basamagi bulunmamakta ve bu sayede ekstra bir makine yatirimi yapmadan üretim daha hizli olmaktadir. Bulus konusu olan termoplastik prepregleri elde etmek amaciyla üretilmis kivrimsiz bezlerde, standart yöntemle üretilen dokuma bezlerin elyaflarinin üst üste geldigi yerlerde meydana gelen kivrim yapisi olmadigindan, birim alanda daha yüksek mekanik mukavemet degerlerine ulasilabilmektedir. Termoplastik prepreglerin üretiminde, güçlendirici iplik (A) ve termoplastik iplik (B) içeren kivrimsiz bezler daha hassas reçine miktarlarinda islem görebilmekte ve daha kolay proses edilebilmektedir. Son ürün (end product) olan termoplastik kompozit yapi, ulasilmasi istenen mukavemet degerlerine bez katmanlarinin tasarimi (dizayni) ile kolaylikla ulasabilmektedir. Farkli dizayn edilen kivrimsiz bez tipleri sayesinde farkli mekanik özelliklere sahip termoplastik prepregler elde edilebilmektedir. Bu sayede, son kullanicinin kullanim yerine uygun olarak kompozit yapinin çesitlendirilmesi saglanabilmektedir. Dokunmus kivrimsiz bez uygulamasi, güçlendirici ipligin farkli eksenlerde yerlestirilmesine olanak saglamasi nedeniyle genis uygulama alanlarinda kullanima uygundur. TR TR TR TR TR TR TR TR