Cam Lifleri (Glass Fibers)

Ege Üniversitesi Tekstil ve Konfeksiyon Dergisi’de yayımlanan “Cam Lifleri” konulu makaledir.

Bu makalede cam liflerinin türleri, üretim yöntemleri ve özellikleri kısaca tanıtılmış ayrıca sahip oldukları özelliklere bağlı olarak kullanım alanları hakkında bilgi verilmiştir.

1. GİRİŞ

Camdan iplik ve çeşitli mamullerin yapımı çok eski tarihlere kadar uzanmaktadır. 1734 yılında Rene Ferchault de Reaumur tarafından cam lifi üretilmiş ise de fabrikasyon olarak üretimi 18. yüzyıl sonlarında gerçekleşmiştir. Bunun nedeni ise Reaumur’un, elde ettiği bu ipek gibi ince cam liflerini dokumakta zorluk çekmesidir .

1935 yılında Owens-İllinois Glass Co., Newark/Ohio, firması tarafından iplik haline getirilebilecek ve dokunabilecek incelikte cam lifleri üretilmiştir. 1942 yılında takviye edilmiş kompozit materyaller olarak ilk zamanlarda havacılık sektöründe kullanılmaya başlanmıştır. Yüksek dayanımlı cam lifi (S-tipi) ise Owens Corning Tekstil Ürünleri ve Amerikan Hava Kuvvetleri’nin ortak çalışması sonucunda ilk olarak 1960’ların başında kullanılmıştır. 1968’de S-2 tipi cam lifi çok çeşitli ticari uygulamalarda kullanım alanı bulmaya başlamıştır. Daha sonraları birçok lif çekim yöntemlerinin geliştirilmesi ile cam liflerinin üretimleri hızla artışa geçmiştir. Bu oran 2000’li yıllarda 2,9 milyon ton/yıl’a ulaşmıştır. Bu miktar tüm teknik lifler tüketiminin %20’sini teşkil etmektedir.

Cam lifleri, yüksek sıcaklık dayanımına ve stabilitesine, saydamlık ve teknik amaçlara uygunluk özelliklerine sahiptir. Bu nedenle bugün dünyada üretilen cam liflerinin büyük kısmı teknik amaçla ve özellikle izolasyon maddesi olarak kullanılmaktadır. Tekstil alanında tüketilen cam liflerinin payı oldukça düşüktür. Bu liflerden giyim eşyası olarak kullanımı yanında, mobilya yüzleri, dekoratif kumaşlar, perdeler yapımında da kullanıldığı görülmektedir .

Camsı yapıda olan mineral liflerin sınıflandırması şu şekildedir .

cam lifleri

Yıllardan beri cam en fazla gözardı edilen teknik liflerden bir tanesi olmuştur. Yıllar boyunca nispeten düşük performanslı plastikler ve çatı kaplama malzemeleri için takviye ve ucuz bir izolasyon materyali olarak kullanıldıktan sonra cam giderek artan bir şekilde ateşe ve sıcaklığa mükemmel dayanıklılık özelliği ile sofistike bir mühendislik malzemesi şeklinde nitelendirilmeye başlanmıştır. Bu lif şu anda filtrasyon, koruyucu giysilik ve ambalajlama konularında olduğu gibi sızdırmazlık malzemeleri ve kauçuk takviyeleri de dahil olmak üzere yüksek performanslı kompozit uygulamalarının çeşitli türlerinde geniş ölçüde kullanılmaktadır.

Cam tipiA TipiC TipiD TipiE TipiAdvantexECR GlassAR TipiR TipiS-2 Tipi
Oksit%%%%%%%%%
SiO263-7264-6872-7552-5659-6254-6255-7556-6064-66
Al2O30-63-50-112-1612-159-150-523-2624-26
B2O30-64-621-245-10<0,20-80-0,3<0,05
CaO6-1011-150-116-2520-2417-251-108-150-0,2
MgO0-42-40-51-40-44-79,5-10,3
ZnO2-5
BaO0-10-0,1
Li2O0-1,5
Na2O+K2O14-167-100-40-20-211-210-1<0,3
TiO20-0,60-0,80-40-120-0,25
ZrO21-18
Fe2O30-0,50,80-0,30-0,40-0,80-50-0,50-0,1
F20-0,40-10-0,1

2. CAM LİFLERİNİN ÜRETİLMESİNDE KULLANILAN HAMMADDELER

Cam liflerinin yapımında kullanılan temel hammadde, bilinen camdan başka bir şey değildir. Ancak asıl camlar, alkali ve toprak alkali silikatlardan ve hatta borat ve alüminat içeren kompleks karışımlardan oluştukları halde, lif üretiminde kullanılacak olanlar daha çok soda-kireç silikatları veya boraks silikatları şeklindedir.

Cama kazandırılmak istenen özelliklere göre, katkı maddelerinin oranı değişiktir. Bu nedenle cam liflerinin kimyasal yapısı kesin olarak verilememektedir. Buna rağmen silisyumdioksit ve kalsiyumkarbonattan oluştuğu söylenebilir. Ancak değişik amaçlar için ilave edilen, sodyumkarbonat, alüminyum-hid-roksit, magnezyumoksit ve borik asit oranları değişken olabilmektedir. Tablo 1’de cam lifi türlerinin karışım içerikleri (% olarak) verilmektedir.

Cam lifi çeşitleri:

  • A-Tipi Cam Lifi: Bor ilaveli veya ila-vesiz alkali-kireç camlarıdır. Özel tiplerinde % 0,8’den daha fazla olacak şekilde alkali oksit bileşikleri içermektedirler. E- Tipi cam lifindeki gibi mukavemet, stabilite ve iyi elektriksel dayanımın gerekli olmadığı durumlarda soda kireç silikat camlarının kullanımıyla üretilmektedir.
  • C- Tipi Cam Lifi: Korozif asidik koşullara karşı kimyasal stabilite sağlayan kalsiyum borosilikat camların dan oluşmaktadır. Hem asitler hem de alkaliler olmak üzere kimyasallara karşı dayanımları oldukça iyidir.
  • D- Tipi Cam Lifi: Elektriksel uygulamalar için düşük dielektrik sabitli borosilikat camlarından oluşmaktadır.
  • E- Tipi Cam Lifi: % 0,8’den daha az oranda alkali oksit bileşikleri içeren aliminyumbor silikat camlarıdır. Sentetik liflerin takviyesinde ve yüksek mukavemet ve elektrik dayanımı gereken durumlarda kullanılmaktadır. Geniş bir kullanım alanı bulan E-tipi camlar, esasen elektroteknik amaçlar için geliştirilmiştir. Ancak bugün sentetik maddelerin takviyesinde de kullanılmaktadır (özellikle dokuma kumaş formundaki cam takviyeli plastiklerde). Asitlere, alkalilere ve diğer kimyasal maddelere karşı dayanıklı olduklarından kimya sanayiinde filtre yapımında geniş oranda kullanılmaktadırlar.
  • ADVANTEX Tipi Cam Lifi: E- Tipi cam lifi maliyetinde, ECRGLAS türünün sahip olduğu avantajların çoğunu sağlayan kalsiyum aliminosilikat camından oluşmaktadır.
  • ECRGLASS Tipi Cam Lifi: Mukavemet, elektriksel dayanım ve asidik korozyon dayanımı için tasarlanmış max. %2 alkali içeren kalsiyum ali-minosilikat camlarından oluşmaktadır.
  • AR-GLASS Tipi Cam Lifi: Alkali zirkonyum silikatların alkali dayanımlı camların karışımı kullanılmaktadır.
  • R Tipi Cam Lifi: Asidik korozyon dayanımı ve mukavemet istendiği durumlarda kalsiyumaliminosilikat camlarının kullanılmasıyla oluşan türdür.
  • S-2 Tipi Cam Lifi: S-2 tipi yüksek dayanımlı cam lifleri aliminyum silikatların yüksek sıcaklıktaki karışımlarından oluşan, incelikleri 5-27 pm arasında değişen liflerdir. Silikat cam liflerinin birçoğu tekstil ve kompozit endüstrisi için üretilmektedir.
  • Ayrıca bu tiplerin dışında M tipi ve Z tipi cam lifleri de bulunmaktadır;
  • M-tipi Cam lifleri: Elastisite modülleri yüksek berilyum içeren camlardır.
  • Z-tipi Cam lifleri: Betonların takviyesinde kullanılan, çimento ile birlikte kullanılabilen cam lifleridir.

3. LİF ÇEKİM YÖNTEMLERİ

Cam lifleri filament veya stapel lif şeklinde üretilmektedirler. Lif üretim şekline göre kullanılan hammaddeler farklı olabilmektedir. Örneğin, filament lif üretiminde genellikle E-tipi cam, stapel lif üretiminde C-tipi cam kullanılmaktadır. Ayrıca uygulanan lif çekim yöntemleri de birbirinden farklıdır.

Cam lifi üretimi, çeşitli hammaddelerin yüksek sıcaklık işlemleri ile homojen eriyik haline ve ardından bu eriyiğin cam lifleri haline dönüştürüldüğü işlem adımlarından oluşmaktadır. Cam liflerinin tekstil cam lifi ve cam yünü olmak üzere iki tipi bulunmaktadır ve her iki tip de benzer işlem adımları ile üretilmektedir. Bu işlemlerin tipik diyagramı Şekil 2’de gösterilmektedir.

Tekstilde kullanılan cam lifleri ve daha farklı alanlarda kullanılan cam yünü için lif üretimi genellikle iki aşamada yapılmaktadır. Birinci aşama her iki cam lifi türü için hemen hemen aynı iken ikinci aşamada farklı işlem basamakları yer almaktadır. Birinci aşamada, yabancı maddelerden temizlenmiş cam elde edilmektedir. Bunun için yeteri kadar ve belirli oranda kum, kireç taşı, soda ve boraks bir eritme kabında eritilmektedir. Yabancı maddeler eriyik üzerinde toplanarak uzaklaştırıl-maktadır. Bu şekilde saflaştırılmış olan cam, ya 15 mm çapında ve 9-10 gr ağırlığında bilye haline getirilmekte veya cam çubuk haline sokularak soğutulmaktadır.

İkinci aşamada ise cam bilye veya çubuklardan lif çekimi sağlanır. Lif çekimi çeşitli şekillerde yapılabilirse de üç tanesi önem kazanmıştır.

cam elyaf üretimi1) Düzeden lif çekimi: En çok uygulanan bu yöntemde, yabancı maddesinden temizlenmiş, fakat çubuk veya bilye haline getirilmemiş eriyikten direkt lif çekimi yapılabileceği gibi, cam bilyeler, Platin/Rodyum’dan yapılmış eritme kabında 1200-1400°C’ye kadar elektrikle ısıtılarak, lif çekimi için istenilen viskozitede olan eriyik elde edilmektedir. Düze deliklerinin çapı, lif inceliğine ve lif çekim hızına bağımlı olarak 1-2 mm arasında değişmektedir. Bir düzede 100-200 arasında delik bulunmaktadır. Cam eriyiği, düze deliğinden kendi ağırlığı ile akarken ince teller haline gelmekte ve dönen bir bobine sarılmaktadır. Tellerin bobine yapışmaması için üzerine yağ püskürtülmektedir. Bobinin dönme hızını ayarlayarak, cam tellerin katılaşması esnasında boyları uzatılmakta ve incelikleri ayarlanabilmektedir.

Düzeden çıkan cam telleri bir araya getirilmekte ve gerekirse büküm verilmekte ve yağlama işlemi yapılarak 315 mikron kalınlığında filament haline getirilmektedir.

2) Çubuktan Lif Çekim Yöntemi: Cam çubuklar, sabit bir hızla gaz veya elektrikle ısıtılan bölgeye geldiklerinde yumuşayarak, lif çekilebilecek hale gelmektedir. Lif çekim tamburuna sarılan liflerin tamburun dönme hızını ayarlayarak, boyları uzatılmaktadır.

Cam filament iplikleri klasik tekstil iplikleri ile karşılaştırıldıklarında kırılgandırlar. Cam liflerinin özgül bükülme rijit-likleri, 0,89 mNmm2tex-2 ile yün liflerinden 4,5 defa daha fazla rijittirler. Sonuç olarak cam lifleri tekstil işlemleri sırasında kolayca kırılabilirler. Bu nedenle lifler arasındaki sürtünmeyi minimize etmek ve lif demetini bir arada tutmak için uygun bir haşıllamanın yapılması gerekmektedir. Dekstrin, jelatin, polivinil alkol, hidrojenize bitkisel yağlar ve noniyonik deterjanlar genelde kullanılan haşıl maddeleridir.

lif çekimi ve filament iplik oluşumu

4. CAM LİFLERİNİN ÖZELLİKLERİ

Fiziksel özellikler

Cam liflerinin fiziksel özellikleri genel olarak aşağıdaki gibi sıralanmaktadır:

  • Saydam ve düzgün yüzeylidirler. Ayrıca kesit görünüşleri yuvarlaktır.
  • İncelikleri 2-13 mikron arasında değişmektedir. 6p inceliğindeki 1 kg cam lifi yüzeyi, 280 m2 dir.
  • Cam lifleri mukavemetlerinin yüksek oluşu ile tanınmaktadır ve genellikle kopma mukavemetleri 6-7,3 g/denye arasında değişmektedir. Bununla beraber ince liflerin mukavemeti kalın liflerden daha iyidir. Bunların kopma anındaki uzama yüzdeleri %2 civarındadır ve diğer tekstil liflerine nazaran oldukça düşüktür. Ancak C tipi liflerde bu yetenek %3-4’e kadar çıkabilmektedir.
  • Yoğunlukları 2,5-2,7 g/cm3 dür. Bu bakımdan alüminyuma benzerler. Fakat cam liflerinden yapılan yün camının özgül ağırlıkları 0,025’dir ki normal cam liflerine oranla düşük sayılmaktadır. Çünkü bu lifler büyük çapta geniş hacimli hava içermektedirler.
  • Cam liflerinin içermiş oldukları nem miktarı %0,13-0,8 arasındadır .

Kompozitlerde kullanılan cam liflerinin yoğunlukları yaklaşık olarak 2,11 g/cc (D-tipi cam lifi) ile 2,72 g/cc (ECRGLAS tipi cam lifi) arasında değişmektedir.

Nem, camın mukavemetini etkilemektedir. S-2 tipi cam lifinin ölçülen maksimum mukavemet değeri 12,7 mm uzunluğunda ve 10 pm çapında lif için 11,6 Gpa olarak ölçülmektedir. Cam liflerinin mukavemeti bulundukları ortam sıcaklığındaki artışla birlikte düşmektedir. Sertleştirilmemiş silikat cam liflerinin elastisite young modülleri yaklaşık 52 Gpa ile 87 Gpa arasında değişmektedir. Lif ısıtıldığında modül kademeli olarak artmaktadır.

cam elyaf liflerinin fiziksel özellikleri

cam liflerinin kopma mukavemeti ve uzaması

Kimyasal, elekrtiksel ve termal özellikler

Tablo 3’te cam liflerinin kimyasal, elektriksel ve termal özellikleri gösterilmektedir. Cam liflerinin bu özellikleri aşağı belirtildiği gibidir:

  • Yanmazlar, 1150 °C civarında erirler.
  • Asitlere karşı dayanıklı olmakla birlikte sıcak hidroflorik asit ve fosforik asitten etkilenirler.
  • Derişik bazlar ve sıcak baz çözeltilerin de olumsuz etkilenmektedirler.
  • Birçok organik çözgenden, bakteri ve güvelerden ve mikroorganizmalardan ise etkilenmemektedirler.
  • Elektrik ve ısıyı iletmemektedirler.

Cam liflerinin asit, baz ve suya karşı dayanımları ağırlık kaybındaki % değeri olarak belirtilmektedir. Bu değer düştükçe camın korozif çözeltilere karşı
dayanımı artmaktadır. Belirli bir cam karışımının asidik koşullardaki koroz-yon oranı asit konsantrasyonundan, ortam sıcaklığından, lif çapından ve çözelti hacminin cam kütlesine oranından etkilenmektedir. Bazik koşullarda cam liflerindeki ağırlık kaybı ölçümleri daha subjektif olmaktadır.

Cam liflerinin mukavemetleri üzerine suyun önemli etkisi vardır. Yıkama işlemi cam liflerinde mukavemetlerinin belirli oranda düşmesine neden olmaktadır. Mukavemet kaybı lif çapının küçüklüğüne ve içerdiği alkali oranına bağlı olarak aratmaktadır. Cam liflerinin mukavemetlerine ısı değişikliğinin etkisi az da olsa görülür. Genellikle -50°C’ den -250°C’ye kadar değişen ısının etkisi pek görülmez, fakat +250 °C’den sonra ısı ve zaman mukavemeti etkiler.

cam liflerinin kimyasal, elektriksel ve termal özellikleri

5. CAM LİFLERİNİN KULLANIM ALANL ARI

Cam liflerinin uzama yetenekleri ve sürtünme mukavemetleri oldukça düşüktür ve bu nedenle giyim eşyası olarak pek kullanılmamaktadır. Ancak ab-sorbe ettikleri rutubet miktarı çok az olduğundan vücudu soğuk tutmaktadırlar ve ayrıca toksik etkileri bulunmamaktadır. Bu özelikleri nedeniyle diğer tekstil lifleri ile karıştırılarak kullanılmaya elverişlidir. Daha çok ısıyı ve elektriği iletmemesi nedeniyle, ısı ve elektrik izolasyon maddesi plastik malzemelerin mukavemetini arttırmak için takviye maddesi olarak kullanılmaktadır.

Bununla beraber bazı teknolojik özellikler zamanımızda cam liflerine son derece önem kazandırmıştır. Özellikle ısıyı geçirmemesi ısıya oldukça dayanıklı oluşu, röntgen ve radyasyon ışınlarını önlemesi bunların başında gelmektedir. Örneğin, ışınlara ve yangınlara karşı tente, perde, önlük, masa örtüsü, mobilya yüzü, miğfer, elbise, vs. gibi koruyucu eşya ve kumaşların yapılması bu özelliğe dayanmaktadır. Bu eşya ve kumaşlar yanan sigara izmariti ve kibrit ile tutuşmazlar. Aynı şekilde petrol taşıyan tanker gemilerinde can kurtaran kayıkların ve yangından koruyucu eşyaların yapılmasında kullanılmaktadırlar.

aynı zamanda bir çok boruların izolasyonu, çeşitli kazanların ve kabloların kaplanması da bu liflerle yapılmaktadır. Yer altı izolasyonunda, toz ve duman filtrelerinde bina, duvar ve
çatılarının kaplanmasında da bu lifler tercih edilmektedir.

Son zamanlarda çok kullanılmakta olan çeşitli plastik maddelerin, özellikle film ve şeritlerinin mukavemet kazanmalarında cam lifler yararlı olmaktadır. Bunun gibi cam lifi ile takviye edilmiş ambalaj kağıtları, karton kutuları, bağlama şeritleri, yapıştırıcı bantlar da yapılmaktadır. Fakat asıl önemini çeşitli otomobil gövdelerinin, yarış araba ve kayıklarının, tanklarının ve uçaklarının bazı parçalarının yapılmasında, sentetik plastik maddelerle cam liflerinin uçak endüstrisinde ve roket yapımında özel bir yere sahip olduğu da eklenince uzay çalışmalarında neden yer aldığı anlaşılmaktadır.

Ayrıca cerrahların kullandığı maskelerde de cam lifleri kullanılmaktadır. Bu maskeler, paralel serilmiş veya ıslak serilmiş yöntemler ile elde edilmiş dokusuz yüzey sentetik mikro lifler ile kaplanarak üretilirler.

açıklamalar cam liflerinin bugünün teknolojisinde artık vazgeçilmez maddeler haline geldiği kanısını kuvvetlendirmiş olmaktadır. Ayrıca teknolojik gelişmeler cam liflerinin önemini bir kat daha arttıracağı gibi gelecekte tekstil alanındaki yerini de daha çok genişletmesine olanak sağlayacaktır.

Yazar

  • Duygu Özdemir
  • H Diren Mecit
  • Necdet Seventekin
  • Tülin Öktem

Bağlantılar

Tags: