Solar ışınlarını absorplama özellikli çok cidarlı polikarbonat levhalar ve kullanım alanları

1. Giriş

Hayatımızın vazgeçilmezlerinden olan ve hayatı kolaylaştıran polimerler artık her alanda karşımıza çıkmaktadır. Medikal alandan, savunma sanayine, mühendislik projelerine, yapı malzemelerinden ev aletlerine, tekstil ürünlerine ve daha pek çok alanda geniş kullanım alanına sahiptir. Doğal polimerlerin yanı sıra sentetik polimerlerde sayısız türdedir. 1838 yılında Regnault’un vinilden klorürü güneş ışığı kullanarak polimerleştirmesi ile başlayan serüven günümüzde yeni tür polimerin sentezlenerek devam etmesinde öncü olmuştur. Polimer tarihinde bu gelişmelerin en önemlisi 1920 yılında Staudinger isimli kimyacının “küçük moleküller kovalent bağlarla bağlanarak büyük molekülleri oluştururlar” tezidir [1].

Polimerler fiziksel özelliklerine göre plastikler, elastomerler ve elyaflar olarak sınıflandırılabilir. Plastiklerde işleme şekillerine göre kendi içinde termoplastikler ve termosetler olarak sınıflandırılmaktadır. Ticari olarak yüksek oranda pazar payını, ısı ile yeniden şekillendirilme özelliği ile geri kazanım avantajına sahip termoplastikler almıştır.

Günümüzde oldukça sık kullanım alanına sahip polimerlerin çevre kirliliği oluşturarak dengeleri bozacak düzeye çıkması muhtemeldir. Ancak ekolojik dengenin korunabilmesi doğal kaynakların korunması ile yakından ilişkilidir. Doğal kaynakların tüketim hızındaki artışın sebebinde karşımıza çıkan temel faktör insan figürüdür. İnsan faaliyetlerinin kontrol altında tutulması ve tüketim konusunda bilinçlendirilmesi doğal enerji kaynaklarına geçiş ile birlikte tehlikenin azaltılması yönünde yapılması gereken temel adımlardan biridir.

Anahtar kelimeler: Termoplastik polimer,Polikarbonat, Plastik levha, Cidarlı levha

2. Çok bilinen mühendislik termoplastikleri

Mühendislik plastikleri (veya mühendislik termoplastikleri), genellikle, ısıya, kimyasal maddelere, darbeye, aleve karşı dayanıklı ve dirençli olan plastikler grubudur. Performans plastikleri (yüksek performanslı ve süper termal dirençli) olarak adlandırılan ve daha yüksek ısılara da dayanıklı olan plastikler grubu da, mühendislik plastikleri içinde yorumlanır [2].

2.1. Mühendislik plastik türleri ve kullanım alanları

Çok bilinen ve ticari ürünlerde sıkça kullanılan mühendislik plastikleri;

1-Poliesterler (Polietilentereftalat (PET))

Kullanım alanları: Sağlık sektörü, yiyecek & içecek sektörü

2-Stirenik kopolimerler (Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS))

Kullanım alanları: Mobilya sektörü, oyuncak sektörü, otomotiv sektörü

3-Poliamidler (Naylonlar) (Naylon 6, Naylon 6,6)

Kullanım alanları: Paketleme sektörü

4-Akrilikler (Polimetilmetakrilat (PMMA))

Kullanım alanları: Yapı sektörü, otomotiv, savunma sanayi

5-Polioksimetilen (POM)

Kullanım alanları: Otomotiv, elektrik ekipmanları, oyuncak sektörü

6-Polikarbonatlar (PC)

Kullanım alanları: Güvenlik sektörü, otomotiv, savunma sanayi

7-Termoplastik polyester elastomeri (TPE E)

Kullanım alanları: Otomotiv, ev aletleri, spor malzemeleri

3. Plastik levha üretiminde kullanılan katkı maddeleri 

UV absorplayıcılar: Plastiklere dış ortam koşullarına karşı dayanım kazandırıp, polimerin degredasyonunun önüne geçilerek kullanım süresini artırmak amacı ile kullanılır. 

FR yanma geciktiriciler: Plastik malzeme aleve maruz kaldığında yanmaya karşı direncinin artırılması amacı ile kullanılır.

IR absorplayıcılar: Güneşten gelen ısınmaya sebep olan IR ışınlarını absorplama amacıyla kullanılır.

Cam elyaf katkılar: Plastik levhaya rijitlik ve estetik kazandırma amacı ile kullanılır.

Renklendiriciler: Ürüne görsel estetik kazandırma amacı ile eklenir.

Dolgu malzemeleri: Darbe dayanımı artırmanın yanında çoğunlukla maliyet düşürme amacı ile kullanılır.

4. Elektromanyetik spektrumda solar ışınları

Elektromanyetik enerji, dalgalar halinde hareket etmektedir. Bu dalgaların geniş aralığı Şekil.1’de görünen elektromanyetik spektrumu oluşturur. 

İnsan gözü, bu spektrumun yalnızca küçük bir bölümü olan 400-700nm dalga boylarındaki görünür ışık adı verilen enerjiyi algılayabilir. Güneş ışınlarının dalga boyları 0,1-3 µm arasında değişir. Güneşten gelen ışınların dağılımının %9’u mor ötesi (ultraviole) bölgede, % 45’i görünür ışık (visible) bölgesinde ve geri kalan %46’sı kırmızı altı (infrared) bölgede yer alır [3]. Güneşten gelen ışınların tamamı yer yüzeyine ulaşmamaktadır. Bu ışınların % 50’si dünya yüzeyine ulaşırken, % 30’a yakını atmosfer tarafından geri yansıtılmaktadır. Güneş ışınlarının %20’si ise atmosfer ve bulutlar tarafından tutulmaktadır [5].

Plastik levha üreticilerini N-IR, UV ve UV-VIS görünür bölge ışınları ilgilendirmektedir. 

N-IR-Işınları; IR ışınlarının temas ettiği yüzeyler tarafından absorplanması ile açığa çıkan enerji ısınmaya sebep olur.

UV-VIS Görünür bölge ışınları; elektromanyetik spektrumda gözle görebildiğimiz ışınlardan oluşur. 

UV ışınları; elektromanyetik spektrumda gözle göremediğimiz, yüksek enerji seviyesi nedeniyle zararlı olabilecek ışınlardır.

5. Polikarbonat polimer tanımı

Termoplastik sınıfından olan polikarbonat mühendislik polimeri olarak literatürde yer almaktadır. Polikarbonat polimerinin molekül yapısı Şekil.2’de verilmiştir. Uzun zincir yapısında fonksiyonel karbonil grupları yer almaktadır.

Şekil 2. Polikarbonat Molekül Yapısı

Polikarbonatlar aromatik difonksiyonlu fenollerin, fosgenle veya aromatik (veya alifatik) karbonik asit diesterlerle reaksiyona sokulmasıyla elde edilir. Örneğin bisfenol-A ve difenil karbonattan üretilen polikarbonatlar ticari değeri yüksek ürünlerdir [2].

Camsı geçiş sıcaklığı (Tg) 1490C ve yoğunluğu (d) 1,20 g/cm3’dir. Amorf yapısı gereği şeffaf optik özelliğine sahiptir. Ayrıca yüksek mukavemet özelliği, yüksek termal dayanımı ve kolay fabrikasyon uygulamaları sayesinde polikarbonat modern endüstriyel alanının pek çok kolunda yer edinmiştir. Karakteristik özellikleri Polimetilmetakrilata benzemektedir. Ancak onu kendi sınıfından ayıran en önemli özelliği yüksek darbe dayanımıdır. Bu özelliğinden dolayı kurşun geçirmez cam yapımında da kullanılmaktadır. 

Ayrıca, termoplastik özelliği sebebiyle %100 geri dönüştürülebilir ve çöp yakma tesislerinde enerji geri kazanımına katkıda bulunabilmektedir.

6. Polikarbonat polimer ile levha üretimi

Polikarbonat hammadde üreticileri dünya genelinde sınırlı sayıdadır. Dünya’nın önde gelen üreticileri arasında Exolon (Almanya), Sabic (Arabistan), Sibur (Rusya) yer almaktadır. 

Polikarbonat hammadde ekstrüzyon yöntemi ile eriyik hale getirilerek şekillendirilebilmektedir ve bulunduğu ortamdaki nemi absorbe etme özelliğine sahip hidroskopik yapıda bir malzemedir. Bu nemin ekstrüzyon prosesinde işlenmeden önce hammaddeden uzaklaştırılması gerekir. Bu proses için kuru hava kurutucuları kullanılmaktadır. Kurutulmuş hava vakum sistemleri sayesinde ekstruderin besleme bölgesine taşınır. Besleme bölgesi; belirlenen formülasyonu gravimetrik olarak hazırlar. Bu işlem besleme sistemi tasarımına göre parça-parça (batch) veya sürekli (continuous) yapılabilir. Bundan sonraki aşamada formüle edilmiş hammadde vida-kovan bölgesine aktarılır. Vida-kovan bölgesinde hammaddeler vidanın hatve aralıkları ve kovan arasında ilerler. İlerleme esnasında kovan dışında bulunan ısıtıcılar ve sürtünme enerjisi ile hammadde ergitilir. İhtiyaca göre eriyen hammaddede ortaya çıkan gazların emilmesi için gaz alma işlemi yapılabilir. Vida-kovan bölgesi çıkışında hammadde filtre sisteminden geçer. Adından da anlaşılacağı üzere hammadde içerisinde bulunabilecek yabancı maddelerin tutulması amaçlanır. Filtrenin akabinde dişli pompa ile eriyik hammadde belirli bir basınç ve debide hattın besleme bloğu-adaptör (feedblock) kısmına gönderilir. Feedblock genellikle katman yapılacak ise co-ekstruder ile ana ekstruderin birleşme noktasıdır. Sonraki aşamada kafa (die) bölgesi bulunur. Kafa içerisini krom kaplı, optik levha imalatı yapılan durumlarda ayna parlaklığına getirilmiş bir ekipmandır. Üzerinde bölgelere ayrılmış rezistanslar bulunur. Eriyik hammadde bu süreçten sonra atmosfere direkt açık olarak merdane (roller) sistemine aktarılır. Aynı şekilde merdane sisteminde bulunan merdaneler krom kaplı ve ayna parlaklığındadır. Burada levhanın formlaması yapılır ve kalınlığı ayarlanır. Levha bu süreçten sonra düz ve optik özelliktedir. Bir süre küçük merdanelerde ilerleyerek soğuma işlemi gerçekleşir. Üzerine koruyucu film kaplanır. Genellikle burada polietilen film tercih edilir. Akabinde talep edilen genişlik ve boya göre ebatlama işlemleri sürekli (continuous) bir şekilde devam eder. Dizici sisteminin palet üzerine dizmesi ile birlikte proses tamamlanır.

Cidarlı (çok duvarlı) levha imalatında yukarıdaki optik levha prosesinden farklı olarak; kafa kısmı cidarlardan oluşup çok daha kompleks bir yapıya sahiptir. Kafa içerisinde cidar boşluklarına hava üfleyebilecek tasarım mevcuttur. Optik levha imalatında bulunan merdane sistemi yerine burada kalibratör (calibrating group) sistemi bulunur. Kalibratör düz yapıya sahip, üzerinde vakum kanallarının bulunduğu bir sistemdir. Levhanın formlaması ve kalınlık ayarı bu sistem sayesinde yapılır.

Işık Plastik, granül şeklinde tedarik ettiği polikarbonat hammaddeyi ekstrüzyon yöntemi ile geliştirdiği farklı formulasyonlarla 1-15mm kalınlığında optik özellikli endüstriyel levha olarak işlemektedir. Beraberinde 4-32 mm kalınlıklarında farklı geometrik yapıda çok duvarlı polikarbonat levha üretmektedir. Endüstriyel polikarbonat levhaların teknik özellikleri Tablo 1’de yer almaktadır.

Tablo 1. Polikarbonat levha teknik özellikleri

Endüstriyel optik levhaların uygulama alanları birbirinden farklıdır. Sıklıkla karşımıza çıkan uygulama alanları arasında, dış ortamda çatı kaplamaları, otoban ve yol kenarlarındaki ses bariyerleri, güvenlik malzemeleri yer almaktadır. Şekil 3’de örnek uygulama görselleri bulunmaktadır.

Şekil 3. Polikarbonat levha uygulama alanları örnekleri

Polimer zincirinde bulunan aromatik halkalar sebebiyle dış ortam koşullarına maruz kalan polikarbonat levhada sararma ve zamanla mukavemet kaybı görülmektedir.  Dış ortamda en büyük etkeni solar ışınlar oluşturmaktadır. 

Solar ışınlarının UV-A bölgesine denk gelen 340-400nm aralığındaki dalga boylarının levha üzerinde polimer degredasyonu beraberinde getirdiği sararma ve buna bağlı olarak mukavemet kaybı oluşturmaktadır. Bu sararmanın ve zamanla oluşan mukavemet kaybının önüne geçmek için ekstrüzyon işlemi sırasında, levhanın alt ve üst yüzeyine içinde uv-absorber içeren katkının bulunduğu tabaka uygulaması yapılır. UV-absorber malzemeler, belirli dalga boylarındaki ışığı absorplayarak polimerin zarar görmesini engeller. 

6.1 Solar ışınlarını absorplama özellikli polikarbonat levhalar

Günümüzde mimari tasarımlarda şeffaf malzeme kullanımı özellikle çatı uygulamalarında yoğun talep görmektedir. Mimarlar tasarımlarında sadece estetik bakımdan değil aynı zamanda daha yüksek doğal ışık iletimine ve enerji maliyetinde azalmaya da dikkat etmektedirler.

Yüksek solar ısı geçişi, standart şeffaf levhalarda özellikle güneşli günlerde önemli bir konudur. Yüksek miktarda IR ışınının yapı içerisine girmesi ortam ısısının yükselmesine neden olur. Ortamın soğutulmasında harcanan enerji maliyetini yükseltir.

Bu sebeple güneşten gelen 700-2500nm dalga boyu aralığındaki IR ışınlarını özel absorplayıcı katkılar, çatı uygulamalarında tercih edilen levhaların üretiminde kullanılır. Şekil 4’de standart bir polikarbonat levhanın IR bölgesine denk gelen spektrali yer almaktadır. 700-1500nm aralığındaki IR ışınlarının ortalama geçirgenliği %72 olarak görülmektedir.

Şekil 4. Polikarbonat Levha Spektral Analizi

İçeriğinde yaklaşık olarak %2,5 oranında absorplayıcı içeren polikarbonat levhalarda ise bu bölgeye ait geçirgenliğin oldukça azaldığı Şekil 5’de görülmektedir.

Şekil 5. IR absorber içeren polikarbonat Levha Spektral Analizi

Solar özellikli polikarbonat levhaların spektral analizlere göre performans değerlendirmeleri için bazı parametreler belirlenmiştir. Parametre tanımları;

• LSHG (light solar gain ratio), ürünün en önemli performans değeridir. Levhanın yüksek ışık geçirgenliğinin yanı sıra minimum ısı transferinin göstergesidir. 
• SHGC (Solar heat gain coefficent ) ısı kazancı olarak kabul edilir, SHGC değerinin düşük olması ısı geçirgenliğinin az olduğu anlamına gelir.
• Daha iyi bir aydınlatma sağlamak için yüksek ışık iletimine (LT) ihtiyaç duyarsınız. Öte yandan, binaya giren ısıyı azaltmak için, düşük güneş enerjisi (ST) almanız gerekir.

10mm kalınlığındaki solar özellikli polikarbonat levha ile solar özellikli olmayan aynı kalınlıkta iki levha için yapılan ölçümler Tablo 2’de verilmiştir. Ölçümler V-670 spektrofotometre cihazı ile yapılmıştır. Numune levhalarına 470-2500 nm dalga boyuna maruz bırakılarak uygulanan ölçümler. (NIR) IR-A: 700 nm–1400 nm & (MWIR) IR-B: 1400 nm–3000 nm & (LWIR) IR-C: 3000 nm–1 mm olarak tanımlanan IR ışınları. Göz önünde bulundurulan aralık, IR-A 700 nm ve 1400 nm dalga boyu arasındadır. 

Tablo 2. Solar özellikli ve standart solar özellikli olmayan levhanın performans değerleri

Işık Plastik Ar-Ge Merkezi, Akdeniz Üniversitesi ile ortak bir proje hayata geçirmiştir. Projede üniversite yerleşkesine her biri yaklaşık 28 m2 taban alanlı 3 adet iki farklı model sera Işık Plastik tarafından kurularak, topraksız tarım ile domates yetiştiriciliği ile geçekleştirilmiştir. Kurulan sera görselleri fotoğraf 1’de yer almaktadır. 3 farklı örtü tipi kullanılarak solar özellikli polikarbonat levhanın performansı değerlendirilmiştir. Kullanılan sera örtüleri;

1. Sera çatı PE film, yan duvarlar standart çok cidarlı polikarbonat levha ile kaplanmıştır.
2. Sera çatısı ve yan duvarlar standart çok cidarlı polikarbonat levha ile kaplanmıştır.
3. Sera çatısı ve yan duvarlar solar özellikli çok cidarlı polikarbonat levha ile kaplanmıştır.

Fotoğraf 1. Üniversite kampüsünde kurulan sera tipleri

Kurulan seralarda, çalışmanın gerçekleştirildiği Antalya iline ait toplam ışınım, PAR, sıcaklık ve bağıl nem gibi parametreler, çalışma süresi (21 ay) boyunca ölçülmüştür. 3 farklı sera için yapılan malzeme sıcaklığı ve dış ortam sıcaklığı arasında oluşan sıcaklık farkları ölçüm değerleri Tablo 3’de verilmiştir. 

Tablo 3. Malzeme sıcaklığı ve dış ortam sıcaklığı arasında oluşan sıcaklık farkları [6]

7. Sonuçlar 

Yapılan spektral ölçümlere göre solar özellikli levhanın LSHG değerinin yüksek olduğu görülmektedir. Standart levhanın değeri 1,0 iken solar özellikli polikarbonat levhanın değeri 1,1 değere ulaşmıştır. Bu artış, levhanın yüksek ışık geçirgenliğinin yanı sıra minimum ısı transferinin göstergesidir. 

Sera kurulumu ile incelenen farklı sera örtü malzemelerinin minimum, maksimum ve ortalama sıcaklık değerlerinin aylar itibarıyla değişimi incelendiğinde farklı sera örtü malzemeleri ile kaplı araştırma seralarında bahsedilen değerlerin solar özellikli (UV+IR) polikarbonat levha ile kaplı 3. Serada, sera iç ortam sıcaklığı değerlerinin diğer araştırma seraları (UV PC+PE ve UV PC) 1. Ve 2.sera iç ortam ortalama sıcaklık değerlerine göre, incelenen aylar ve günün saatleri itibarıyla daha yüksek ve dengeli olduğu görülmektedir. Bu durum çalışmada incelenen sera örtü malzemelerinden UV+IR PC sera örtü malzemesinin bünyesinde bulundurduğu IR absorplayıcı katkı maddesi ile topraktan yansıyan kızılötesi ışınları sera içerisinde tutarak seranın iç sıcaklığının hem diğer sera örtü malzemelerine hem de dış ortama göre çok daha yüksek ve dengeli olmasını sağladığı saptanmıştır. [6]

Yapılan çalışmada solar özellikli polikarbonat levhaların avantajları aşağıdaki iki şekilde belirlenmiştir;

1-  Daha az soğutma ihtiyacı nedeniyle enerji tasarrufudur.

2-  Daha az aydınlatma ihtiyacı sayesinde enerji tasarrufudur.  

8. Kaynaklar

[1] Savran, Ö.H., 2001, “Elastomer Teknolojisi-I”, Kauçuk Derneği Yayınları, İstanbul

[2] https://www.plastik-ambalaj.com/tr/plastik-ambalaj-makale/797-muehendislik-plastikleri- Prof. Dr. Bilsen Beşergil

[3] Güneş Enerjisi ve Uygulamaları ders notları- Yrd. Doç. Dr. Mesut ABUŞKA

[4] https://science.nasa.gov/ems/01_intro

[5] Fotovoltaik sistemlerin tasarımında mevsim değişikliklerinin rolü- Abdulla Alakour

[6] Polikarbonat Sera Örtü Malzemelerinin Bazı Fiziksel ve Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi Değişimlerin Termal Kameralarla Görüntülenmesi ve Bunların Bitki Gelişimi Üzerine Etkisi- Arş. Gör. Candan KORKMAZ

Şenay İskender

Sami Yılmaz

Işık Plastik A.Ş. /Ar-Ge Merkezi