Tg,Tm, MFR nedir ?

Soru:

1.Glass transition temperature ( Tg )

2.Melting point of Polymer ( Tm)

3. Melt flow rate ( MFR )

kavramlarının herkesin anlayabileceği basit bir türkçeyle ne ifade ettiğini örnekler açıklayabilir misiniz ?

Cevap:

En basiti ile tarif etmeye çalışırsak;

Bir polimerin zincir morfolojisi (polimer zincirlerinin yerleşimi) ya amorftur, ya da yarı kristaldir. Eğer polimer amorf ise polimer zincirleri birbirinin içine girmiş, bir yumak halidedir (bir tabaktaki pişmiş çubuk makarna gibi). Eğer yarı kristalin ise bu amorf yapı içerisinde yer yer birbiri üzerine düzgün bir şekilde istiflenmiş liner yapıda polimer zincirleri (pişmemiş çubuk makarna gibi) vardır.

Amorf yapıda polimer zincirleri arasında boşluk vardır, kristal yapıda ise bu boşluklar yoktur. 

Bir polimerin hacmi ise polimer zincirlerinin ve bu zincirlerin arasında kalan boşlukların toplamıdır. Kristal yapıda zincirler arasında boşluk olmayacağı için bir polimerin toplam hacmi içerisinde yer kaplayan boş hacim polimerin amorf kısmındaki boşlukların hacmidir.

Siz bir polimeri yavaş yavaş ısıtırsanız polimerin hacmi artmaya başlayacaktır (aynen gazlardaki gibi). Ancak sıcaklığa bağlı olarak artan bu hacim artışı (aslında artan hacim amorf bölgedeki polimer zincirlerinin arasındaki boşlukların hacmidir) belli bir sıcaklık aralığında liner çizgiden bir sapma gösterir (liner çizginin eğimi değişir, linerlik değişmez). Bu sapma hacimdeki ani bir artışı ifade eder. Bu ani artışın sebebi, amorf bölgedeki polimer zincirlerinin amorf bölgedeki boş hacimlere doğru hareket etmesi ve bu hareket sırasında zincirin yer değiştirmesinden kaynaklanan yeni hacim oluşumudur. Yani polimer zinciri dolu bir noktada iken boş olan hacme ilerlerken arkasında yeni bir boşluk oluşturur. İşte bu boşluklar hacim artışına (sıcaklığa bağlı hacim artışında hızlanmaya) neden olur. 

Tg denilen şey, işte bu ani hacim artışının (liner çizginin eğiminin değiştiği yer) olduğu, yani sadece amorf bölgelerdeki (kristal bölgeler değil) polimer zincirlerinin bu serbest hacim içerisinde harekete başladıkları sıcaklıktır.

Eğer siz polimeri ısıtmaya devam ederseniz, amorf bölgelerin hareketinden sonra birbiri üzerine düzgün bir şekilde istiflenmiş olan kristal bölgedeki polimer zincirleri de birbirleri arasındaki çekme kuvvetlerini yenerek (verilen eneri sayesinde) birbirleri üzerinden hareket etmeye başlarlar. 

İşte kristal bölgedeki zincirlerin birbirleri üzerinde hareket etmeye ve bir sıvı gibi akışkanlaşmaya başladıkları bu sıcaklık değeri de Tm, yani erime sıcaklığıdır.

Yani Tm, sadece yarı kristalin, başka bir deyiş ile yapısında kristalin bölgeler bulunan polimerler için geçerlidir. Eğer bir polimer %100 amorf ise bu polimerin erime sıcaklığı yoktur, sadece camsı geçiş sıcaklığı varıdır.

%100 amorf bir polimer Tg'nin altında katı, Tg'nin üstünde sıvıdır. Başka bir faz değişimi göstermez. Ama yarı kristalin bir polimer Tg'nin altında katıdır, Tg-Tm arasında yumuşak!tır, Tm'nin üstünde ise eriyik haldedir (sıvı demek doğru değildir).

Mesela PMMA polimeri %100 amorftur, Tg'si 100 derece civarındadır, Tm'si yoktur. Polietilenin ise Tg'si -40 derecelerde, Tm'si ise 130 derecelerdedir. 

Yukarıda adı geçen serbest hacim kavramı literatürde spesifik hacim olarak geçer. Aşağıda yukarıda anlattıklarımı özetleyen bir grafik veriyorum.

MFR, Melf Flow Rate, ya da MFI-Melt Flow Index ise Tm ve Tg'den farklıdır. MFI, Non-Newtonian akışkanlar için vizkozitenin tam tersini ifade eder. Yani vizkozite artarsa MFR düşer. Bir polimerin bellir bir sıcaklıkta, belli bir çaptaki meta borunun içerisinden, belli bir yük altındaki kütlesel akışı ile ilgilidir ve birimi kütle/zaman'dır. Suyun belli bir sıcaklıkta, iki ucu arasında delta P basınç farkı olan bir boru içerisindeki akış debisi gibi düşünebilirsin. Örneğin bir polietilen çeşidi için 2,16 kg yük altında, 190 derecede MFI 1 gr/10 dakika'dır. Başka bir PE için ise aynı şartlarda MFI 2 gr/10 dakika'dır. Bu 2. polimerin o şartlarda 1. polimerden daha akışakan olduğunu (yani vizkozitesinin daha düşük olduğunu) anlatır. Plastik sanayisinde viskozite yerine kullanılır, çünkü tayini çok daha kolay ve ucuzdur. Nasıl tayin edildiği ile ilgili bilgiye TS EN ISO 1133 standardından ulaşabilirsin.

Kaynak:

http://www.kimyamuhendisi.com/component/option,com_fireboard/Itemid,27/func,view/catid,18/id,5280/#5280