Merhabalar degerli web sitesi ziyaretcilerimiz. Bugunku yazimiz
.
Koruyucu Yapılarda Kullanılan Lifler
Kevlar aramid lifi
Kavlar aramid lifi, Du Pont şirketi tarafından 1972’de endüstriyel bir lif olarak piyasaya sürülmüştür. Kevlar Du Pont şirketinin tescilli bir markasıdır. Aramid kelimesi bu lifler için genel bir terimdir. Kevlar lifleri kimyasal olarak poly (p- phenylene terephthalamide, PPD- T) esaslıdır. Bu, para – phenylen ve terephthaloylchloridin bir kondenzasyon reaksiyonundan elde edilir. Para konfigürasyonu, yüksek mukavemet ve yüksek modülü destekleyen sert ve rijit molekül oluşumuna yol açar. Lif yapısı anisotropik bir özellik gösterir. Yani, lif uzunluğu yönündeki mukavemet ve modül, uzunluk yönüne dik yöndekinden daha yüksektir.
Çoğunlukla Kevlar lifi 1.5 den/filament (dpf) civarındadır. Bu filamentler dairesel enine kesite ve 0.012 mm’lik bir nominal çapa sahiptir. Tablo 2.1 de ticari amaçlı geliştirilen Kevlar liflerinin özellikleri verilmiştir.
Tablo 2.1 Ticari olarak geliştirilen Kevlar aramid liflerinin özellikleri
Lif Özellikleri Kevlar
29 Kevlar
49 Kevlar
68 Kevlar
119 Kevlar
129 Kevlar
149
Çekme Mukavemeti
(g/ den) 23.0 23.0 23.0 24.0 26.5 18.0
Çekme Modülü (g/ den) 550 950 780 430 750 1100
Uzama (%) 3.6 2.8 3.0 4.4 3.3 1.5
Yoğunluk (g/ cm³) 1.44 1.45 1.44 1.44 1.45 1.47
Higroskopik Nem (%) 6 4.3 4.3 - - 1.5
Çevre koşullarında bükümlü Kevlar lif ürünlerinin çoğunun yoğunluğu 1.43 – 1.44 g/ cm³ tür. Kevlar aramid lifi yüksek sıcaklıklarda çok düşük bir boyutsal küçülmeye (çekmeye) sahiptirler. Eksenel ısısal genleşmenin yanal ısısal genleşmeden farklı olduğu eşsiz bir izotropik olmayan özelliğe sahiptirler. PPD-T polimer 450ºC’nin üzerindeki sıcaklıklarda kademeli bir şekilde kömürleşir. Kevlar aramid lifi mükemmel ısısal dengeye sahiptir. 500ºC’nin üstündeki sıcaklıklarda şiddetli bozuşmalara karşı dayanım gösterir. Ancak bozulmanın başladığı sıcaklık yükseldikçe polimerin yapısından bazı maddelerin ayrışması sonucu lifte ağırlık kayıpları meydana gelir. Örneğin Kevlar 29 lifinin ağırlık kaybı 350ºC de 1 arasında, 450 ºC de % 4.8, 500ºC de %7, 675 ºC de % 51 kadardır.
Kevlar aramid lifin hidroskopik nem içeriği çok özel bir fiziksel özelliktir. Çünkü bu, yüzeysel davranışa zarar verici çevre koşullarında ısısal dengeye etki eder. Hidroskopik nem miktarı çeşitli Kevlar tipleri için % 1 – 7 arasında değişmektedir.
Kevlar aramid lif yüksek modülünden ve mukavemetinden dolayı dikkate değer bir yüksek performanslı liftir. Dayanımı (doğrusal yoğunluk başına mukavemet) bütün geleneksel liflerinkinden daha yüksektir. Kevlar aramid lifter Kevlar lif tipine göre 26-30 g/den
arasında bir filament dayanımına sahiptir.
İplik ve filament çekme özellikleri arasında yakın bir ilişki vardır Kevlar ipliğinin dayanımı genellikle flament dayanımının %80-85 i kadardır Bu faktör, Kevlar iplik özelliklerinin diğer lif/erin flament özellikleri ile kıyaslanması sırasında dikkate alınmalıdır.
Kevlar ipliği 22-23 g/den lik bir kopma dayanımına sahiptir. Bu değer çelik telin kinden 5 kat, naylon ve cam Iiflerin kinden 2 kat daha fazladır. Kevlar ipliği 475 g/den lik olağan üstü bir modüle sahiptir Bu değer çelik ve cam liflerinkinin 2 katı ve yüksek dayanımlı
naylonunkinin 9 katı kadardır Kopma uzamaları nispeten düşüktür Çeşitli Kevlar lif tiplerine göre bu değer %1.5-4.5 arasında değişmektedir.
Kevlar aramid lifler yüksek gerilme ve nispeten düşük basınç ve kesme özelliklerine sahiptirler. Bu yüzden Kevlar lif tiplerinin çoğu yüksek çekme özellikleri dikkate alınarak dizayn edilir.
Kevlar lifi yüksek kristalin ve izotrop olmayan yapısından dolayı düşük bir sünme değerine sahiptir. Ancak nispeten yüksek gerilme altında kayar.
Kevlar lifi zayıf yanal bağlarından düşük bir aşınma direncine sahiptir. Bir başka lif yada metal yüzeye sürtündüğünde kolayca liflerine ayrılır. Kevlar lif tipleri normal işlemlerde karşılaşacağı aşınmalardan korunmak için az miktarda yağ ile kaplanır.
Kevlar aramid lifleri ultraviole ışınlarından çıkan radyasyona karşı oldukça duyarlıdırlar. Herhangi bir koruma altında bulunmayan Kevlar lifi UV ışınına belirli bir süre maruz bırakıldığında mekaniksel özelliklerinde ve renk tonunda kayıplar meydana gelir. Tablo 2.2 açık havada UV ışınına maruz kalmış bazı Kevlar lif tiplerinin mukavemetindeki kayıpları gösteriyor. Kevlar için kritik bölge 300 – 450 nm dalga boyu arasındaki bölgedir. UV bozunmasını önlemek için Kevlar bu aralıktaki ışıktan korunmalıdır. Flourasan gibi bazı suni ışık kaynaklarında da bu radyasyonun küçük bir miktarı meydana gelebilir. Bu Tablo 2.3’de görülmektedir.
Tablo 2.2 Kevlar lifinin belirli süre UV ışınına maruz bırakılması sonucu mukavemet kaybı
Lif tipi Süre (Ay) Mukavemet Kaybı (%)
Kevlar 29 1 29
Kevlar 49 4 57
Tablo 2.3 Kevlar aramid lifleri üzerine flourasan ışığın etkisi
Flourasan Işığı Uygulama Süresi (Saat) Mukavemet Kaybı (%)
168 9,4
264 5,6
336 16,2
Çoğu organik çözücüler Kevlar lifinin kopma mukavemeti üzerine çok az etki eder. Sulu tuz çözeltilerinin bir etkisi yoktur. Ancak kuvvetli asit ve bazlar yüksek sıcaklık ve konsantrasyonda Kevlar lifine zarar verirler.
Naylon lifi
Naylon ilk sentetik liftir. Yoğunluğu 1.14 g/ cm³ civarındadır. Naylon lifinin % 65 – 85’i kristalin, diğer kısmı ise amorf yapıdadır. Düzgün bir naylon lifinin enine kesit şekli yuvarlaktır. Çubuk formunu andırmaktadır. Yüzeyi pürüzsüzdür ve mükemmel bir aşınma direncine sahiptir. Bu özellik yüzeysel yağlama gibi işlemler ile daha da yükseltilebilir.
Naylon 6 212 – 215ºC arasında, Naylon 66 ise 250 – 265ºC arasında bir erime sıcaklığına sahiptir. Soğuktan etkilenmezler, düşük sıcaklıklarda uzama süresi düşer. Güneş ışığından korunduğu sürece oda sıcaklığında naylonun özelliğinde önemli bir değişiklik olmaz. Naylon 60 ºC’nin üzerindeki sıcaklıklarda sürekli hava ile temas durumunda yüzey rengi bozulur ve vurma mukavemeti düşer.
Güneş ışığına karşı dayanıklıdırlar. UV ışınları ise bu liflere zarar verir. UV ışınları karşısında kopma dayanımlarında düşme olur. Naylon liflerinin özellikleri Tablo 2.4’de verilmiştir.
Tablo 2.4 Naylon liflerinin mekanik özellikleri
Özellikler Naylon 66 Naylon
6
Çekme Mukavemeti (Mpa) 80 76
Kopma Uzaması (%) 80 – 100 100 -200
Özgül Ağırlığı (g/cm³) 1,14 1,13
Naylon liflerine çeşitli özellikleri kazandırıcı katkı maddeleri emdirilmektedir. Bunlar arasında ısı stabilizatörleri, ışık stabilizatörleri, plastik özellik vericiler, yağlar, takviye edici dolgular, pigmentler, mantar öldürücüler, güç tutuşurluk özelliği kazandırıcılar ve vuruş özelliğini modifiye ediciler bulunmaktadır.
Cam lifleri
Cam lifleri uzunluk ve enine yönde eşit elastik modüle sahip olan izotropik yapıdadırlar. Cam lifleri genellikle amorf yapıdadır.
Cam lifleri genellikle eş zamanda çekilmiş 204 filamentten oluşan standart şekilde üretilirler. Lif çapı 5 – 20 µm arasındadır. Lifler ortalama 12µm çapındadır. Camın viskozitesi, sıcaklığı ve çekme hızı piyasada fitil, yarı bükülmüş fitil, bükümlü iplik şeklinde bulunurlar.
Farklı kompozisyonlarda ve özelliklerde çeşitli cam lifleri mevcuttur. Bunlar içinde en yaygını E ve S – cam lifleridir. Tablo 2.5’de cam liflerinin özellikleri verilmiştir.
E – camı bir kalsiyum – alumina- borsilikat camıdır. S – camı bir magnezyum – alumino – silikat camıdır ve E – camından daha yüksek bir mukavemet elde etmek için geliştirilmiştir.
Tablo 2.5 E ve S – cam liflerinin bazı özellikleri
Tip Çap
(µ) Özgül Ağırlığı (g/ cm³) Termal Genleşme Kat Sayısı (10 6 ºC 1) Young Modülü (GPa) Çekme Mukavemeti (GPa) Erime Sıcaklığı (ºC)
E 12 2,54 5,0 76 3,6 845
S 12 2,48 2,9 86 4,6 968
Cam lifleri yüksek çekme ve darbe dayanımına sahiptirler. Elastik modülleri, yorulma dayanımları ve matrise tutunma özellikleri düşüktür. Sürtünerek birbirlerini aşındırırlar. Mekaniksel özellikleri sıcaklık artışıyla fazla değişmez ve yanmazlar.
Cam liflerinin kimyasal dayanımları yüksektir. Çok güçlü alkaliler ve hidroflorik asit dışında korozyon dayanımları mükemmeldir.
Polietilen lifleri
Etilen gazının polimerizasyonu sonucu elde edilir. Etilen gazının polimerizasyonu ise yüksek basınç ve alçak basınç (Zigler Prosesi, Phillips Prosesi ve Standart Oil Company Prosesi) polimerizasyonu olmak üzere iki şekilde yapılmaktadır. İlk yönteme göre elde edilen liflerin yoğunlukları düşüktür (0.915 – 0. 94 g/ cm³) ve erime sıcaklığı 100 – 200 ºC civarındadır. İkinci yönteme göre elde edilen lifler ise doğrusal bir yapıya sahiptirler. Kristalinitesi, yoğunlukları ve kopma dayanımları yüksektir. Yoğunlukları 0. 945 – 0.96 g/ cm³ arasındadır. Polietilenin birçok çeşit tipi mevcuttur. Bunlar özellikleri bakımından birbirinden farklıdır.
Genel olarak polietilen lifleri yüksek çekme mukavemetine, vurma direncine, kopma uzamasına, patlama direncine ve düşük sünme özelliğine sahiptirler. Polimerlerin UV ışınlarına maruz kalması polimerin bozulmasına neden olur.
Polietilen lifleri oksitlenmiş asitlerden, alkalilerden ve bir çok sulu çözeltilerden etkilenmez.
Karbon lifi
Belli başlı üç tip karbon lifi vardır.
1) PAN esaslı karbon lifleri
2) Rayon esaslı karbon lifleri
Tablo 2.6’da karbon lifine ait özellikler verilmiştir.
Tablo 2.6 Karbon lifinin özellikleri
Özellikler Değerler
Lif Çapı (µ) 7
Lif Yoğunluğu (g/ cm³) 1,77
Çekme Dayanımı (GPa) 3,8
Çekme Modülü (GPa) 234
Kopma Uzaması (%) 1,62
Erime Sıcaklığı (ºC) 1600
Karbon lifleri lif boyunca negatif bir termal genleşme katsayısına sahiptirler. Yüksek sıcaklıklarda mükemmel bir termomekaniksel denge gösterir. Karbon lifi 400ºC’nin üzerindeki sıcaklıklarda oksidasyona karşı duyarlıdırlar. PEEK esaslı grafitize edilmiş karbon lifleri 3650 ºC gibi oldukça yüksek sıcaklıklarda boyutsal dengesi önemli ölçüde etkilenmez. Hızlı sıcaklık değişimlerine karşı dayanıklıdırlar ve erimezler. Sürtünmeye karşı dirençleri zayıftır. Güneş ışığına karşı çok iyi bir dayanıma sahiptirler.
Yüksek konsantrasyon ve sıcaklıklarda dahi asit ve bazlara karşı dayanıklıdırlar. Güçlü oksitleyiciler lifi bozar. Hipokloritlere karşı dirençleri düşüktür.
Kullanılan Kimyasallar
Koruyucu yapılarda kimyasallar, yükün homojen dağıtılması, yapıdaki katların yapıştırılması, lif – lif arası sürtünmenin arttırılması, su iticiliğin kazandırılması, ultraviole ışınlarının negatif etkilerinin ortadan kaldırılması ve kimyasal etkilere karşı dirençlerinin arttırılması amacıyla kullanılmaktadır. Yani lif diğer tekstil yapılarının balistik direncine doğrudan veya dolaylı olarak etki edecek bazı özellikleri iyileştirmek, bazı yeni özellikleri de kazandırmak için kullanılırlar. Balistik alanda en çok kullanılan kimyasallar sıralanmıştır.
Polykarbonat
Epoksi Reçinler
Fenolik
Polyüretan
Polyester Reçinler
Vinilester
Elastomerler
Metaloksidler
Akrilikler
Bunlar arasında epoksi, fenolik, polyester, polyüretan ve elastomerler en yaygın olarak kullanılanlardır.
Epoksi reçineler
Epoksiler, genellikle gelişmiş kompozitlerde tercih edilir ve her tip lifte kullanılabilir. Çok yüksek sıcaklık uygulamaları için uygundur. Üretim şartlarına bağlı olarak epoksi reçineler dayanım, kimyasallara ve çözücülere karşı direnç, esneklik, yüksek mukavemet ve sertlik, sünme, iyi bir lif tutuculuğu, asıl direnç ve mükemmel bir elektriksel özellik gösterirler.
Polyester reçineler
Polyester reçineler yüksek sıcaklığın istenmediği uygulamalarda kullanılır. 100ºC sıcaklığın altında mekanik ve kimyasal dayanım bakımından dengelidir. Özellikle bazik ortamlarda korozyon dayanımları düşüktür. Bünyesine su alarak bozulurlar. Bu reçineleri en belirgin avantajları düşük maliyet, iyi akıcılık ve lif yüzeyini ıslatma için düşük viskozite ve düşük işlem sıcaklığıdır.
Fenolikler
En önemli fenolik, fenol ve formaldehit esaslıdır. Bunlar nispeten düşük maliyetlidirler. İyi bir mekaniksel ve elektriksel özelliğe sahiptirler. Isı ve nem dirençleri yüksektir. Zayıf asit ve alkalilere karşı dayanıklıdırlar.
Poliüretan
Bunlar çoğunlukla bir tekstil materyalini diğer bir tekstil materyaline bağlamak amacıyla kullanılırlar. Yıkama ve kuru temizlemeye karşı oldukça dayanıklıdırlar. Balistik yapı oluştururken özellikle tekstil yüzeylerini bir arada tutmak için kullanılırlar.
Elastomerler
Bunlar çoğunlukla kaplama için kullanılırlar. Koruyucu amaçlı kullanılan bazı liflerin aşınmaya, neme, güneş ışığına karşı dirençleri oldukça düşüktür. Bu zayıf özellikleri telafi etmek için lif yada nihai yapı bu kimyasallar ile kaplanır. Koruyucu esaslı yapılarda en yaygın olarak kullanılan elastomerler şunlardır:
Polyeter, polybutadin, polyisoprene, doğal kauçuk, etilen – propilen kopolimerleri, polyüretan elastomerleri, polyetilen, polyvinilklorid, polyakrilat, polyklofin.
Koruyucu Yapılar
Tekstil lifleri ile elde edilen koruyucu yapılar üretim tekniklerine göre genel olarak yumuşak ve sert yapılar olmak üzere ikiye ayrılırlar. Yumuşak koruyucular çok güçlü liflerden yapılmıştır. Bu yapılarda tehlike sadece çarptığı birkaç lifin şeklini değiştirmekle kalmaz, aynı zamanda bu lifler ile temas halinde olanları da etkiler. Bu koruyucuların üretiminde çoğunlukla,
- Aramid
- Polietilen
- Naylon
liflerinden elde edilen kumaşlar, dokusuz yüzeyler ve bu tekstil yüzeyleriyle oluşturulan esnek kompozitler kullanılmaktadır. Sert koruyucularda ise genellikle
- Seramik
- Cam
- Karbon
lifleri kullanılmaktadır. Ancak bazen Kevlar ve polietilen lifleri sert kompozit koruyucu üretiminde de kullanılabilmektedirler.
Kevlar aramid lifleri oldukça yüksek balistik dirence sahiptirler. Onların bu direnci mükemmel ısısal özellikleri, yüksek düzeyde kristalin ve yönlendirilmiş yapısı ve yüksek çekme özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Yüksek düzeyde kristalin ve yönlendirilmiş yapısı dalga yayılma hızını ve dolayısıyla uzunlamasına deformasyona karşı tepki hızını arttıracak olan yüksek bir modüle sahip olmasını sağlar. Böylece Kevlar lifinin koruyucu amaçlı kullanılmasında üç önemli faktörü neden olarak gösterebiliriz.
1- Yüksek dayanım
2- Yüksek çekme modülü
3- Düşük yoğunluklarıdır
Ancak nemli ortamda Kevlar koruma kapasitesinde % 40’a varan kayıplar görülmektedir. Nemin bu etkisini ortadan kaldırmak için Kevlar ya lif ya da kumaş olarak flourakarbon ile bir kaplama işlemine sokulur.
Kevlar kumaşlar yüksek çekme özelliği, hafiflik, mükemmel ısıl ve boyutsal değişmezlik, kesme direnci olmak üzere çeşitli bir kullanım özelliklerine sahiptir. Bu özellikler Kevlar kumaşın koruyucu bir giysi olarak kullanımını sağlar. Kevlar kumaşlar aynı zamanda vuruşa karşı yüksek bir direnç gösterir. Dikkatlice dokunmuş bir kumaş Kevlar aramid lifinin çekme mukavemetinin % 90 – 95’ini içerir. Kötü bir şekilde dokunmuş kumaş ise iplik hasarına maruz kalabilir ve çekme mukavemetinin ancak % 75 – 80’ini içerebilir. İplik bitim işlemleri, işlem tipi ve haşıl önemli işlem değişkenleridir. Çünkü bunlar iplikte meydana gelebilecek hasarı engelleme ve dolayısıyla çekme özelliklerine etki etme bakımından etkilidirler. Bilindiği gibi dokuma sırasında lif çeşitli gerilmelere ve sürtünmelere maruz kalmaktadır. Bu etkileşimler arasında lif yapısında mikro kırılmalar oluşmaktadır. Kevlar lifinin yapısındaki bu mikro kırılmalar ne kadar fazla ise UV ışınlarından etkilenmesi ve sonuç olarak mukavemetindeki düşmeler o kadar fazla olur. Mukavemetteki değişikliklerde balistik özelliği etkilemektedir. Görüldüğü gibi Kevlar kumaşlarının balistik direnci lif özelliklerinin, elde edilen kumaşa ne kadar oranda geçtiği ile yakından ilişkilidir. Buda kumaş diyaznına ve dokuma koşullarına bağlıdır. Çünkü Kevlar lifinin yüksek modülü nedeniyle uzamayan özellik göstermesinden dolayı çözgü hazırlamaya ve dokuma işleminin sorunlu olmasına yol açar. Düşük modüllü ipliklerde dokuma yada çözgü işlemi sırasında meydana gelen iplik – iplik gerilim farklılıkları uzayabilme nedeniyle giderilebilmektedir. Ancak böyle bir mekanizma yüksek modüllü ipliklerde hemen hemen yoktur. Bu yüzden daha titiz bir gerginlik kontrolü gereklidir.
Kevlar kumaşlardan koruyucu yapı oluştururken genellikle Kevlar 29 ve 129 liflerinden dokunmuş kumaşlardan yararlanılır. Bu kumaşlar ve genel özellikleri hakkındaki teknik bilgiler Tablo 2.7’de gösterilmektedir. Koruyucu yapı bu kumaşların birkaç katını bir araya getirmek suretiyle oluşturulur ve Kevlar liflerinden üretilen en yaygın koruyucu bu tip katlı yapılardır ve Şekil 2.1’de gösterilmektedir. Kat sayısı, kumaş gramajı ve sonuç katlı yapının gramajı istenilen koruma düzeyine yada diğer bir deyişle tehlike tipine göre tasarlanır edilir. Kevlar kumaşlardan oluşan katlı koruyucu yapının kat sayısı ve koruma etkisi arasındaki ilişki hakkında yapılan araştırmalarda hem katları oluşturan her bir Kevlar kumaşın gramajı hem de kat sayısındaki artış sonucunda tehlikenin koruyucu yapıda meydana getirdiği şekil değişiminin düşük olduğu gözlenmiştir.
Şekil 2.1. Kumaşların katlı şekilde dizilmesiyle oluşan koruyucu yapı
Tablo 2.7 Kevlar 29 ve Kevlar 129 lif tiplerinden elde edilen balistik kumaş tipleri
Sitil No Tip İplik No (Den) Kumaş Konstrüksiyonu İplik Sıklığı (tel/ cm) ÇözgüX Atkı Kumaş Gramajı (g/ m²)
713 29 1000 Bezayağı 12.2x12.2 282
710 29 1500 Bezayağı 9.4x9.4 326
728 29 1500 Bezayağı 6.7x6.7 231
328 29 1420 Bezayağı 6.7x6.7 231
735 29 1500 2x2panama 13.8x13.8 475
748 29 1500 8x8panama 18.9x18.9 669
745 29 3000 Bezayağı 6.7x6.7 475
755 29 3000 4x4panama 7.9x7.9 550
759 29 3000 4x4panama 9.4x9.4 672
703 129 840 Bezayağı 12.2x12.2 231
704 129 840 Bezayağı 12.2x12.2 231
Koruyucu amaçlı oluşturulan katlı yapıda her kattaki kumaş ya birbirlerine bağlanmaksızın bir arada bulunurlar yada birbirine değişik şekilde bağlanarak bir bütün halinde bulunurlar. Kumaş katlarını birbirine bağlama ise dikiş yada kimyasallar (reçineler) vasıtası ile olur. İstenilen koruma düzeyini elde etmek için dikiş yoğunluğu belirli değerler arasında olmalıdır. Birçok araştırmada dikiş tipi ve yoğunluğunun koruma düzeyini etkilediği gözlenmiştir. Dikiş yoğunluğunun istenilen değerlerden az olması durumunda katların daha kırılgan olduğu ve kumaşa çarpan tehlikenin gücünün bitişik alanlara dağılmasının azaldığı; aksi durumlarda ise katların delinmeye karşı direncinin düştüğü saptanmıştır. Yapılan araştırmalar Kevlar için 0.35 – 1.75 cm arasında bir dikiş yoğunluğu ve kilitlemeli dikiş tipini önermektedir. Çünkü, vuruş sırasında malzemede herhangi bir delinme yada yırtılma olursa, bu tür dikiş kullanımıyla hasarın dikişin sonraki hattından ileriye hareketi engellenmiş olmaktadır. Kevlar kumaş katlarını birleştirmede çeşitli matris elemanları da kullanılabilmektedir. Bu şekilde kompozit bir koruyucu yapı elde edilebilmektedir. Kevlar kumaşlar için genellikle bu amaçla hem termoplastik (poliüretan, polietilen, polistiren, poliamit, v.b.) hem de termoset (epoksi, poliester, fenolik v.b) reçineler kullanılmaktadır. Hangi tip reçine kullanılırsa kullanılsın koruyucu yapı tasarımında bunların yüksek hızlı mermi vuruşlarına karşı lifle aynı veya daha hızlı bir elastik tepki göstermesi ve life iyi bir şekilde bağlanabilmeleri istenir. Böylece vurma yükü matris ve lif tarafından beraberce emilerek yanal olarak en büyük alana dağıtılır. Diğer bir değişle matris mermi enerjisini absorbe etme işinde life en azından eşit şekilde ortak olabilme özelliğine sahip olmaktadır.
Kevlar liflerinden dokuma kumaş oluşturulmadan da koruyucu yapı elde edilebilir. Bunun için daha çok Kevlar liflerine laminat tekniği uygulanmaktadır. Bu amaçla lifler önce paralel bir şekilde yerleştirilir ve reçineler yardımıyla bir arada tutturularak elde edilir. Yapının iki katı karşılıklı 0/ 90º olacak şekilde üst üste konur. Isı ve basıncın etkisi ile bu katlar birleştirilir. Böyle bir yapı şematik olarak Şekil 2.2’de gösterilmiştir. Elde edilen bu yapı ısı, nem, aşınma ve diğer ortam şartlarından korunmak için her iki yüzü esnek yada sert, ince, şeffaf bir film ile kaplama yapılır. Kaplama için genellikle polietilen film kullanılmaktadır. Kevlar için kaplama oranı lif ağırlığının % 1 – 0.6 arasında değişmektedir. Meydana gelen bu iki kat birleştirilmiş ve kaplanmış yapı ile koruyucu malzeme oluşturulmaktadır.
Şekil 2.2 Liflerden oluşturulan laminat yapı
Polietilen lifleri (Spectra) hem yumuşak hem de sert koruyucu üretiminde kullanılabilmektedir. Sert veya yumuşak oluşu Kevlar liflerinde olduğu gibi kullanılan matris türüne ve kompozit malzemeyi üretme yöntemine göre değişmektedir. Bu lifin dayanımı Kevlar’dan yüksektir; ancak kopma uzaması daha düşüktür. Yumuşak koruyucu alanında Spectra liflerden dokuma kumaş ve dokusuz yüzey halinde olacak şekilde iki tipte de yararlanılabilir. Bu tekstil yüzeyleri üretim tekniğine göre ya yumuşak ya da sert koruyucu alanında kullanılırlar. Dokusuz yüzey uygulamasında önce lifler yan yana dizilir ve sonra bu lifler tek bir kat ince bir tabaka elde etmek için genellikle kraton reçinesiyle bağlanırlar. Bu şekilde elde edilen iki tabaka birbirine göre 0/90º açı yapacak şekilde üst üste konur. Aşınma direncini arttırmak için bu katlı tabaka her iki yüzünden bir film ile kaplanır. En sonunda kaplanmış olarak elde edilen bu tabakanın birkaçı koruyucu oluşturmak için katlı bir yapı meydana getirecek şekilde üst üste yerleştirilir. Kat sayısı istenilen koruma düzeyine göre belirlenir.
Bazı durumlarda Spectra yada Kevlar kumaşların arasına bu tabakaları sandöviçlemeyle koruyucu üretme yoluna da gidilmektedir. Spectra liflerden dokunmuş kumaşlarda koruyucu yapı oluşturmak için katlı halde kullanılırlar. Katlar genellikle birbirinden bağımsız olarak bütünlüğü sağlamak için bir kılıf içerisinde bulunurlar. Ancak Kevlar’da olduğu gibi kumaş katlarının bağlanmak istendiği durumlarda bazı reçineler kullanılabilmektedir. Spectra liflerden elde edilen dokusuz yüzey kompozitleri balistik açıdan nemden etkilenmez. Kimyasallara ve UV ışınlarına karşı da dirençleri yüksektir. Spectra kumaş ya da Spectra liflerden oluşan koruyucular için yanma sıcaklığı 357ºC gibi düşük bir değerdir. Bu yüzden balistik yapı güç tutuşur bir kılıf ile örtülür.
Lif Mekaniği
Koruyucu yapı dizaynında istenilen koruma düzeyini bize sağlayacak bir ürün elde edebilmek için balistik vurma sırasında bir tekstil lifinin nasıl davrandığını iyi bir şekilde anlamamız gerekir. Böylece liften beklememiz gereken özellikleri de tespit etmiş oluruz.
Vurma sırasında lif yapı içerisinde çeşitli yön ve düzlemlerde gerilemelere maruz kalmaktadır ve davranışı daha çok bir çekme olayındakine benzemektedir. Ancak burada lifin üzerindeki çekme dinamik bir karakterdedir. Yani sadece olağan bir lif gerilmesi sırasındaki mekaniği bilmek yeterli değildir. Fakat, vurma mekaniğini anlamaya temel oluşturmak ve lifin istenilen balistik direnci elde edebilmek için nasıl bir özelliğe sahip olması gerektiğini saptayabilmek için öncelikle onun bazı mekaniksel özellikleri ve bunlar arasındaki ilişkileri incelemede yarar vardır. Bu yüzden bu bölümü “Lifin Mekaniksel Özellikleri” ve “Vurma Teorisi” olmak üzere iki kısma ayıracağız.
Liflerin mekaniğinin balistik direnç açısından irdelenmesi
Bir lifin mekaniksel özelliği ile bu liften hazırlanmış olan yapıların balistik direnci arasında direkt bir ilişki yoktur. Ancak, kopma dayanımı, kopma uzaması, kopma işi ve dalga hızı gibi temel özelliklerden elde edilen çeşitli parametreler yapının balistik direnci hakkında yada yapıyı oluşturacak lifin seçimi için bize yardımcı olur. Bu yüzden liflerin bu temel özellikleri ve bu özelliklerin birbiriyle ol an ilişkilerini incelemede yarar vardır.
Lif mukavemeti
Tekstil lifleri için mukavemet birimi tenasite olarak tanımlanır. Birimi g/den veya g/tex dir. Bu özellik genellikle farklı liflerin kopma mukavemetini göstererek değişik incelikteki lifler arasında direkt bir kıyaslama yapabilmemizi sağlar.
Tekstil lifleri yüksek dayanıma sahip olmalarına rağmen lif mukavemetinin ipliğe, iplik mukavemetinin de kumaşa geçişi belirli bir oranda gerçekleşir. Buna özelliklerin transferi denir.
Lif modülü
Bir life bir yük uygulandığında belirli bir miktar uzar. Elastik sınır içerisinde gerilmenin uzamaya oranı modül değerini (g/den) verir. Bu oran küçük bir uzama elde etmek için gerekli olan kuvvetin ölçüsüdür. O halde modül değeri bir tekstil lifinin uzamaya karşı direncini ifade eder. Yüksek bir modül değeri uzamadaki zorluğu ve kırılganlığı, buna göre daha düşük bir modül değeri de uzamadaki kolaylığı ve esnekliği gösterir.
Vurma Teorisi
Balistik teoriye göre, mermiye karşı bir tekstil yapısının balistik direnci balistik vuruş sırasında onun mermideki kinetik enerjiyi absorbsiyonu şeklinde tanımlanır. Balistik vuruş sırasında tekstil lifleri hem uzunlamasına hem de enine yönde gerilme ve deformasyonlara maruz kalır. Dolayısıyla bir tekstil lifinin balistik direnci onun uzunlamasına ve enine yöndeki basit balistik vuruşunun analiziyle açıklanabilir.
Vurma mekaniğini anlamak için ise öncelikle bir tekstil lifinin uzama davranışını incelemede yarar vardır. Bir ucu sabit olarak bir yere tutturulmuş bir tekstil lifi uzunlamasına yönde, sabit bir V hızında belirli bir süre (t), bir kuvvete maruz bırakıldığında kopma noktasına kadar uzar. Bu Şekil 2.3’de gösterilmektedir. Bu uzama sırasında uzunlamasına yönde belirli bir hızda dalga yayılır. Bu dalga hızı ve uzama,
Şekil 2.3 Lifin çekilmesi sırasında oluşan uzama ve dalga hızı
Eşitlikleriyle bulunabilir.
Burada,
C: dalga yayılma hızı
E: lifin modülü
P: lifin özgül ağırlığı
Eğer E g/den ve C m/s olarak ifade edilirse bu durumda (1) ve (2) eşitliği,
Şeklinde yazılabilir. Burada k birim değiştirme faktörüdür. Vuruş sırasında oluşan gerilme ise aşağıdaki bağlantılarda verilmiştir.
Bütün bu eşitliklerden;
Kritik hız (vc) değerine ulaşmamızı sağlayan bir eşitlik elde edilir. Yani bu hızın üstündeki hız diğerlerinde iplik enerji absorbe etmez ve kırılır.
Tekstil liflerinin eni doğrultusundaki balistik olarak vuruşuna gelince durum daha karmaşıktır. Diğer bir deyişle mermi lif eksenine dik olarak çarpmaktadır. Bu vurmanın sonucu lifte Şekil 2.4’de görüldüğü gibi değişim olmakta ve hem uzunlamasına hem de düzlem dışı yönde dalga yayılması gerçekleşmektedir. Oluşan bu dalgalar yayılma ve gösterdikleri nitelik bakımından birbirinden farklıdırlar. Uzunlamasına dalgalar vuruş noktasından lif boyunca dışa doğru (yapı kenarına doğru) hareket etmektedirler. Bu dalganın gerisinde yine lif uzunluğu boyunca bir kütle akışı olmaktadır. Enine (düzlem dışı oluşan) dalgalar ise vuruş noktasından düzlem dışına doğru hareket eder ve şok niteliğindedir.
Şekil 2.4 Bir tekstil lifinin enine vuruşu
Enerji absorblaması lif modülü ile orantılı bir şekilde artar. Ancak, modülün yükselmesi ile lifin tokluğu azalır, belirli bir sertliğe ulaşır, kopma uzamasında düşme meydana gelir ve daha kırılgan olur. Bu da balistik performansı düşürür. Fakat lifin hem modülünün yüksek hem de aynı zamanda dayanımının da yüksek olduğu lif yapıları üzerine çalışmaların sürdürüldüğü gözlenmiştir.
Araştırmacılardan Smith lif modülü, vuruş hızı, uzama ve dalga hızı arasındaki ilişkileri açıklayıcı bağıntılar geliştirmiştir. Böylece balistik yapı dizaynında optimum lif modülünü saptamak yada bu amaçla kullanılacak lifler arasında balistik direnç açısından daha gerçekçi bir kıyaslama yapmak olanağı ortaya çıkarmıştır.
Bütün bu açıklamaların ışığında balistik yapı üretiminde kullanılan liflerin dizayn için gerekli özelliklerinin bir karşılaştırması Tablo 2.8’de yapılmaktadır.
Tablo 2.8 Koruyucu esaslı yapılarda kullanılan yüksek modüllü liflerin özellikleri
Lif Tipi Lif Çapı (µ) Lif Yoğunluğu (g/cm³) Çekme Dayanımı (GPa) Çekme Modülü (GPa) Kopma Uzaması (%) Erime Sıcaklığı (ºC)
Aramid (Kevlar 29) 12 1,43 2,9 70 4 530
Aramid (Kevlar 129) 12 1,45 3,4 99 3,3 530
Naylon 1,14 0,98 5,5 18 255
Polietilen Spectra 1000 28 0,97 2,83 113 2,8 150
Polietilen Spectra 2000 28 0,97 2,83 98 2,8 150
Karbon PAN 7 1,77 3,8 234 1,62 1600
E – Cam 15 2,58 3,44 72,3 4,8 846
S – Cam 15 2,46 4,89 86,9 5,7 1056
Seramik 13 2,5 1,72 152 2 1800
Çelik 100 7,8 7,6 150 2 500
Tehlike Tipleri ve Sınıflandırılması
Koruyucu bir ürünün bir tehdide karşı yeterli bir koruma sağlayıp sağlayamayacağına karar verebilmek için tehdidin tipini ve şiddetini belirlemek gerekir. Balistik bir vuruştan kaynaklanan darbenin büyüklüğü merminin kütlesi, hızı (kinetik enerjisi), şekli ve malzemesi gibi parametreler dikkate alınarak belirlenir. Ancak tehlikenin şiddetini belirlerken sadece koruyucunun delinip delinmediğini bir ölçü olarak almak hata olur. Çünkü, mermi koruyucu yapı tarafından durdurulsa dahi bazen mermi vurma etkisi ile oluşan darbe insan vücudunda ciddi yaralanmalara ve hatta ölümlere neden olabilir. Bu etkiye küt travma (blunt travma) denilmektedir.
Mermi hızı ve silah tipine bağlı bir sınıflandırma günümüzde “The US Law Enforcement Agencies” tarafından yapılmıştır. Bu sınıflandırma Tablo 2.9’da ve 2.10’da gösterilmiştir.
Tablo 2.9 Mermi hızına göre tehlike tipinin sınıflandırılması
Mermi Hızı (m/sn) Tehlike Düzeyi
500 Düşük
500 – 1000 Orta
1000’den büyük Yüksek
Tablo 2.10 Silah tipine göre tehlike tipinin sınıflandırılması
Koruyucu Tipi Koruma sınırındaki silah tipi Mermi kütlesi (g) Vuruş hızı (m/s)
1 22 kalibre kurşun
38 kalibre kurşun 2,6
10,2 320 + 12
359 + 15
II – A 357 kalibre kurşun yumuşak uçlu
9 mm tamamen metal kaplı 10,2
8 381 + 15
332 + 15
II 357 kalibre kurşun yumuşak uçlu
9 mm tamamen metal kaplı 10,2
8 425 + 15
358 + 15
III – A 44 kalibre
9 mm tamamen metal kaplı 15,55
8 426 – 838
426
III 7.62 mm tamamen metal kaplı 10 838
IV 30 kalibre zırh delici mermi 10,8 868
Özel Müşteri tarafından tayin edilen özel yapılar Talep Talep
Mermi şeklinin koruyucuların balistik direnci üzerine etkisi hakkında yapılan bir çok araştırmada küt uçludan sivri uçluya kadar olan aralıktaki mermi şekilleri dikkate alınmıştır. İncelemeler için genellikle bu aralığa eğer uçlu, küresel uçlu, yassı uçlu ve konik uçlu mermiler dahil edilmiştir. Şekil 2.5’de farklı geometrideki mermilerin şematik görünümleri verilmiştir.
Şekil 2.5 Farklı uç geometrisindeki mermilerin şematik görünüşü; (1) eyer uç, (2) Küresel uç, (3) yassı uç, (4) sivri uç
İncelemeler mermi şeklinin etkisinin onun hızına, yapının kat sayısına ve mermi ucunun küt yada sivri oluşuna göre değiştiğini göstermiştir. Özellikle T.G. Montgomery ve arkadaşları tarafından yapılan testler sonucunda yüksek mermi hızlarında, sivri uçtan mermilerin küt uçlara gittikçe merminin yavaşlatılmasının daha çabuk olduğu, ancak daha düşük hızlarda bunun tersinin olduğu gözlenmiştir. Bu durumun sivri uçlu mermilerin düşük hızlarda doğrultusundan saparak bir açıyla kumaşa çarpmasından ve bunun sonucu olarak merminin yapıya çarpması sırasında daha fazla ortagonal iplikle temas etmesi yani daha fazla kumaş kütlesinin merminin enerjisini absorbe etmede görev almasından kaynaklandığı belirtilmiştir. Mermi hızı yükseldikçe sivriden küt uçluya kadar bütün mermi tiplerinin oluşturduğu düzlem dışı deformasyonda (enine yönde deformasyon) artma olduğu gözlenmiştir. Ancak küt uçlu mermilerin oluşturduğu bu deformasyon diğerlerine göre daha düşük olmuştur. Çünkü hızlarda merminin küt ucu çarpma esnasında daha fazla dik iplikle karşı karşıya gelmektedir. Dolayısıyla daha fazla kumaş kütlesi mermideki enerjiyi absorbe etme görevinde bulunmaktadır.
Yapılan incelemelerde ayrıca yapıdaki kat sayısı arttıkça mermi şeklindeki değişikliğin enerjinin absorbe edilmesinde ihmal edilebilir bir etkiye sahip olduğu görülmüştür.
Balistik Yapılar İçin Test Teknikleri ve Standartları
Test Teknikleri
Koruyucu bir yapının balistik direncini belirlemede vuruş sonrası yapıda oluşan bozulmanın büyüklüğü veya yapının mermideki enerjiyi absorbe etme miktarı olmak üzere iki parametre göz önüne alınır. İlk parametre yapıyı delmediği (macun testi), ikincisi ise delmenin gerçekleştiği durumlarda belirlenir. Macun testinde koruyucu vuruş hızı ve düzlem dışı (enine) deformasyonun büyüklüğü birbiriyle ilişki kurularak balistik açıdan değerlendirilir. Diğerinde ise mermideki enerji kaybı yada koruyucunun merminin enerjisini absorbe edebilme oranı tespit edilerek bir değerlendirme yapılır. Bu testlerin gerçekleştirilmesi için birçok teknik geliştirilmiştir. Bunlardan en çok kabul gören ve uluslar arası öneme sahip olan metot NIJ (National Institute Of Justice) standartlarınca tanımlanan macun testidir. Şekil 2.6’da macun testi için kullanılan test düzeneklerinden birinin şematik görünüşü verilmiştir. Bu standart mutlak bir değerlendirme yapmaz. Kullanıcıya ya da okuyucuya koruyucu performansı açısından değerlendirmek için yol gösterir.
Şekil 2.6 Macun testi için kullanılan test düzeneklerinden birinin şematik görünüşü
Merminin koruyucu deldiği durumlar için geliştirilen test teknikleri genel olarak Vg – Vç Testi şeklinde adlandırılır. Burada, Vg merminin giriş hızı, Vç merminin çıkış hızını göstermektedir. Bu testlerin temeli merminin koruyucuyu delmesi sırasındaki ve koruyucudan çıktığı andaki hızı tespit ederek aradaki farktan mermide ne kadar bir enerji kaybı olduğunu, dolayısıyla kumaşın merminin enerjisinin ne kadarını absorbe edebildiğini ölçmektedir. Bu testlerin sonucunda delme hızı balistik performansı belirlemede kullanılabilir. Ancak testin tekrarlanmasıyla ortaya istatistiksel bir değer ortaya çıkar. Çünkü bazı atışlarda mermi koruyucuyu delemeyebilir. Kullanma yerine bağlı olarak V50 testi de uygulanabilir. V50 testi, merminin % 50’sinin hedefi deldiği, % 50’sinin hedefin dışında kaldığı durumdaki hızı ölçer. Elde edilen V50 hızı – kumaş parametreleri arasında ilişki kurularak yapının balistik direnci hakkında bir sonuca varabilir.
Koruyucu yapıların standartları
Koruyucu yapılar sivil ve askeri amaçlı olmak üzere iki genel anlamda standartlara ayrılır. Sivil uygulamalar için NIJ (National Institute Of Justice) ve PPAA (Personel Protective Armor Assıcitation) ve askeri uygulamalar için US ARmy Ballistic Research Lab. Materials and Mechanich Natich Research Center tarafından balistik standartlar saptanmaktadır. NIJ öncelikle koruyucuları mermi büyüklüğü ve hızına yada silah tipi ve mermi malzemesine göre sınıflandırarak tanımlamıştır.
Bunların ilk iki tipi yaygın olarak kullanılan tabancalara karşı koruma için hafif ağırlıklı koruyucuları kapsar. Bu koruyucu giysiler devamlı giyim için uygundur. Tip – II koruyucular Tip II – A koruyucuardan daha ağır ve hacimlidirler. Tip III – A koruyucular 9 MM’lik hafif makineli silahlara ve 44 kalibrelik tabancalara karşı korumayı sağlar. Bu koruma yumuşak koruyucular için en yüksek koruma düzeyidir. Tip III ve IV koruyucular muharebe mermileri için bir koruma sağlarlar. Tip III koruyucuları kurşun çekirdekli, yivli mermilerden korumayı, Tip IV ise çelik çekirdekli, yivli mermilerden korumayı sağlarlar.
MATERYAL VE YÖNTEM
Materyal
Çalışmada kullanılan Kevlar Kumaşlar
Çalışmada tekstil esaslı balistik yapıları oluşturmak için günümüzde en yaygın olarak kullanılan Kevlar lifinden üretilmiş olan Kevlar 29 ve Kevlar 129 kumaşlardan yararlanılmıştır. Bu kumaşlara ait özellikler Tablo 3.1’de gösterilmektedir.
Tablo 3.1 Kullanılan Kevlar kumaşlara ait özellikler
Tip Örgü İplik No (tex)
Çözgü atkı Sıklık (tel /cm)
Çözgü atkı Birim Alan Kütlesi (g/m²) Verilen Ölçülen
Kevlar 29 (713) Bezayağı 112,85 111,88 12,3 12,0 270 280
Kevlar 129 (802) Bezayağı 111,50 111,88 8,3 8,3 185 190
Geliştirilen Yapılar
Kumaşın yapısal parametreleri dikkate alınarak dikişli ve dikişsiz katlı yapılar tasarlandı. Yazım kolaylığı açısından dikişsiz yapılar Tip 1(a), (b), (c), (d) ve dikişli yapılar Tip 2(a), (b), (c), (d) şeklinde kodlanmıştır. Bu durumda kodlanan yapılar Tablo 3.2’de belirtilmiştir.
Tablo 3.2 Geliştirilen katlı yapıların özellikleri
Dikişsiz Katlı Yapılar Dikişli Katlı Yapılar
Tip Yapı Tip Yapı
Tip 1(a) 14 kat Kevlar 29 Tip 2(a) 14 kat Kevlar 29
Tip 1(b) 14 kat Kevlar 129 Tip 2(b) 14 kat Kevlar 129
Tip 1 ( c) Üst 7 kat Kevlar 129
Alt 2 kat Kevlar 29 Tip 2(c) Üst 7 kat Kevlar 129
Alt 7 kat Kevlar 29
Tip 1(d) Üst 2 kat Kevlar 129
Alt 12 kat Kevlar 29 Tip 2(d) Üst 2 kat Kevlar 129
Alt 12 kat Kevlar 29
Harflerden önce kullanılan 1 rakamı dikişsiz, 2 rakamı ise dikişli yapıyı temsil etmektedir. Tip 2’ye ait bütün balistik yapılarda da kat dizaynı Tip 1’deki ile aynıdır. Ancak burada katlar birçok yönde dikilerek bir arada tutturulmuşlardır. Dikişsiz katlı yapılarda katlar birbirinden bağımsız olarak üst üste yerleştirilmişlerdir.
Dikişli katlı yapılarda kullanılan dikiş ipliği 200 denye naylon ipliğidir ve dikiş tipi düz dikiştir. Bu dikiş yapı üzerinde birçok yönde oluşturulmuştur. Her bir yöndeki dikişler arasındaki mesafeler 3 cm dir. Şekil 3.1’de yapı üzerindeki dikiş yönleri gösterilmektedir.
Şekil 3.1 Dikişli katlı yapıda oluşturulan dikiş yönleri
Meydana getirilen katlı yapıların çeşitli teknik özellikleri Tablo 3.3’de gösterilmiştir. Ayrıca geliştirilen bütün yapıların resimleri Şekil 3.2 – 3.9’da gösterilmektedir.
Tablo 3.3 Geliştirilen balistik yapıların teknik özellikleri
Tip Kat sayısı Balistik yapı Lif Kumaş yönü
(derece) Yapı kalınlığı
(mm) Yapı
En x boy
(mm) Birim Alan Kütlesi (kg/m²)
Tip 1 (a)
(b)
(c)
(d) 14
14
7/7
12/2 Dikişsiz
Dikişsiz
Dikişsiz
Dikişsiz K29
K129
K29/K129
K29/K129 0/90
0/90
0/90
+/-45/0/90 6,0
3,0
5,0
5,0 305x305
305x305
305x305
305x305 4,27
2,87
3,51
3,91
Tip 2 (a)
(b)
(c)
(d) 14
14
7/7
12/2 Dikişli
Dikişli
Dikişli
Dikişli K29
K129
K29/K129
K29/K129 0/90
0/90
0/90
+/-45/0/90 5,0
2,7
4,2
4,0 305x305
305x305
305x305
305x305 4,27
2,87
3,51
3,91
Dikişsiz ve dikişli yapılar lif tipi, kumaş gramajı, kumaş sıklığı, kumaş yönü ve kat sayısı açısından göz önüne alınarak tehlike tipine göre tasarlanmıştır. Bu tasarımda, tehlikenin dış katmanlarda hızının düşürülerek yavaşlatılması, iç katmanlarda ise tehlikeden alınan kinetik enerjinin liflerdeki uzama şeklindeki şekil değişimine dönüştürülmesi amacını içermektedir. Dikişsiz yapıların serbest halde bulunmasının tehlikenin etkilerinin ortadan kaldırılmasındaki rolü ile dikişli yapıların daha integre ve katı şekildeki tasarımının tehlike üzerindeki etkilerini belirlemek üzere tasarlanmıştır.
ASKERİ AMAÇLI KULLANILAN TEKNİK TEKSTİLLER
Tekstil tarihi, binlerce yıl öncesine uzanmasına rağmen, devrim niteliğindeki gelişmeler
son eni yıl içinde gerçekleşmiştir. Bu gelişmelerin çoğu, askeri alanlarda yapılan
araştırmaların sonucunda ortaya çıkmıştır. Fiberglass yapılar, kurşungeçirmez yelekler,
kimyasallara karşı koruyuculuk sağlayan giysiler, uçaklarda kullanılan malzemeler,
nükleer, biyolojik, kimyasal maddelerden koruyan giysiler, güç tutuşan lifler.
Savaşlardaki en önemli unsur insanlardır. Silahları ateşleyen, tankları ve uçakları
kullanan, savaş alanında çarpışan insanların silah güçlerinin yanında, onları tüm dış
etkenlerden koruyacak ve onlar hakkında sürekli bilgi akışı sağlayacak akıllı giysiler
üzerinde çalışmalara başlanmıştır. Yeni yüzyıl askerilerin giysilerinde istenen en önemli
özellikler, giysinin içinde iletişim donanımının olması, giyenin fiziksel durumunun
takip edilmesi, askerin sürekli yerini bildirmesi, çevreden gelen ışığı algılayabilecek ve
buna göre kamuflaj düzenini algılayabilecek, ateşli silahlara, radyasyona, kimyasal ve
biyolojik maddelere karşı koruma sağlayabilecek ve tabii tüm bu özelliklerinin yanı sıra, askerin manevra kabiliyetini kısıtlamayacak tarzda hafif olan giysiler tasarlanmaktadır.
Günümüzde telsiz taşıyan askerlerin en önemli sorunu, telsizin üzerlerinde yarattığı
ağırlıktır. Bu ağırlığın en önemli sebebi de, telsiz içindeki pillerdir. Askeri tekstil
malzemelerine bilgisayar mikroçiplerinin entegrasyonu ve bunların bir ağa bağlanması
sonucu askerler ile birebir bağlantı kurulması sağlanmıştır. Bunun yanında da, GPS
(Küresel Konumlama Sistemi-Global Positiorıing System) adı verilen bir sistemle de,
her bir askerin nerede olduğu uydu yardımı ile anlaşılabilmektedir. Aynı zamanda bazı
tekstil malzemeleri de, vücut ısısı düştüğü zaman, vücuda ısı takviyesi yaparak vücut
ısısının belli bir sınırın altına düşmesini ve donmayı engellemektedir.
Du Pont, Massachusetts Institute of Technology (WT) ile birlikte, askerleri
yararlandıklarında tedavi edecek, kimyasal ve biyolojik silahlara karşı koruyacak
giysiler geliştirmek üzerinde çalışmaktadır. Farklı iplik kesitleri (oval, kare veya üçgen)
kullanılarak, giysiyi giyeni dış ortam sıcaklığındaki değişimlere karşı, genişleyip
daralarak, ısıtan veya soğutan kıyafetler üzerinde araştırmalar yapılmaktadır. Özel
boyanmış iletken lifler kullanılarak, elektrik sinyaliyle renk yansıma kalitesinde değişim
elde edilmekte ve giysi rengi değiştirilebilmektedir. Bu tip bir özellik değişken bitki
örtüsünde savaşan askerlerin arazide kamuf1ajlarına çok uygundur. Askerler için
düşünülen bu tip koruyucu akıllı giysiler, aynı zamanda polis ve itfaiyeciler için de
kıyafetlerin kullanım alanlarına göre uyarlanabilmektedir.
Elektronik ve telekomünikasyon endüstrileri, 21.yüzyılda hayatımızı yönetir hale gelecekler ve bu durumdan konfeksiyon endüstrisi de geniş çaplı etkilenecektir. Gelecekte giysiler sadece gerektiği gibi kişileri sıcak veya serin tutmakla kalmayacak,
aynı zamanda-yetenekleri sayesinde dış etkiler-tehlikeler konusunda kişileri uyarabilecek, zararlı etkilerden koruyabilecek, vücut fonksiyonları hakkında bilgi verebilecek, tedavi amaçlı kullanılabilecek, kaybolduğumuzda bulunduğumuz yeri saptayabilecek ve fiziksel olarak herhangi bir aktiviteyi yerine getiremediğimiz durumlarda başkaları ile iletişim kurmamızı sağlayabilecektir.
Koruyucu Tekstiller
Koruyucu Tekstillerin Gelişimi
Koruyucu tekstillerin tarihi ilk insanlara kadar dayanmaktadır. İlk koruyucu tekstil malzemesi, savaşlarda askerlerin vücudunu korumak için kullandıkları deriden, metallerden yapılmış zırhlardır.
Ateşli silahların kullanılmaya başlanmasından sonra da 19 y.y.'ın sonuna kadar, askeri meydan savaşları yakin mesafelerde yapılmıştır. Dolayısıyla bu dönemde askeri üniformalar, hem alayların tespiti hem de düşmanı korkutmak için, parlak, parıltılı ve renkli olarak tasarlanmışlardır. Kullanılan malzemeler yün, pamuk, ipek, keten, deri, domuz kılı; ayı, fok, kaplan, leopar kürkü; tavuk, tavus kuşu, devekuşu gibi kuşların tüyleri gibi doğal kökenli malzemeler olmuştur.
20. y.y.'da teknoloji ve bilimdeki ilerlemeler; silahların ve görsel izleme donanımlarının da gelişmesine neden olmuştur. Askerleri ve cepheyi arka planla karıştırarak saklamak önem kazanmıştır.
Teknolojik gelişmeler sonucu işyerlerinde ve sanayide olması gereken korunma düzeyi de her geçen gün artmıştır. Elektronik aletlerin, elektriğin ve ısının insan hayatı üzerinde oluşturduğu olumsuz etkinin artması, bu etkenlerin zararlarından korunmak için fonksiyonel tekstiller geliştirilmesini de beraberinde getirmiştir.
Koruyucu Tekstillerin Tüketim Miktarları
Koruyucu tekstiller, ağırlık olarak tüketim miktarı en az olan teknik tekstil sınıflarından
biridir. Ancak; değer olarak tüketim miktarları incelendiğinde, en yüksek oranlardan
birine sahip oldukları görülmektedir.
David Rigby Associates'in projeksiyonlarına göre koruyucu tekstiller, 2005-2010 dönemi için %4'lük tahmini büyüme oranı ile 5. sırada yer almaktadır. Bu büyüme oranı ağırlık bazında olup, değer olarak aynı yıllar arasında beklenen büyüme oranı, %6,4 ile tüm teknik tekstil sınıfları arasında 2. sıradadır. Şekil 3'te koruyucu tekstillerin yıllara göre tüketim miktarlarının değişimi, Tablo 8' de dünyadaki teknik tekstil tüketim miktarları, Tablo 9' da ise dünyadaki teknik tekstil tüketiminin değer olarak değişimi görülmektedir.
Şekil 3: Koruyucu tekstillerin yıllara göre tüketim miktarlarının değişimi
Tablo 8: Dünyadaki teknik tekstil tüketim miktarları (1000 ton)
Uygulama alanları 1995 2000 2005 2010 % büyüme 1995 - 2000 % büyüme 2000 - 2005 % büyüme
2005 – 2010*
Koruyucu tekstiller 184 238 279 340 5,3 3,3 4
Tablo 9: Dünyadaki teknik tekstil tüketiminin değer olarak değişimi (milyon US$)
Uygulama alanları 1985 1990 1995 2000 2005 % büyüme 85-95 % büyüme 95 - 05
Koruyucu tekstiller 451 857 1,202 1,643 2,227 10,3 6,4
Gelişen teknoloji sayesinde, hem tekstil sanayiinde, hem de savunma sanayiinde meydana gelen gelişmeler ile savaş ve terörist olay tehditlerinin giderek artması sonucu koruyucu tekstillerin öneminde meydana gelen-artmanın, bunların tüketim miktarlarını da artırması beklenmektedir.
Askeriyede Kullanılan Koruyucu Tekstiller
Askeri amaçlı kullanılan teknik tekstiller aşağıda sınıflandırılmıştır:
1. Balistik koruma
2. Isı ve alevden koruma
3. Kamuflaj
4. Çevre etkilerinden koruma
5. Nükleer, biyolojik, kimyasal ve radyoaktif zararlılardan koruma
Balistik Koruma
Balistik koruma: El bombası, havan topu, top kovanları, mayınlar ve patlayıcı malzemeler gibi parçalanan cisimlerin ve mermilerin vereceği hasara karşı koruma sağlayan tekstil malzemelerini içermektedir. Savaşta, yaralanmaların pek çoğu mermilerden değil, el bombası, havan topu, mayın ve diğer patlayıcı malzemelerden kaynaklanmaktadır. Siviller ve polislerdeki yaralanmaların ana sebebi ise mermilerdir. Mermilerin el silahlarından yakın mesafeden ateşlenmiş, düşük hızlı mermiler ve tüfek, otomatik silah... gibi uzun mesafede kullanılan silahlardan fırlatılan yüksek hızlı mermiler olmak üzere iki tipi bulunmaktadır. Öldürme riski olarak, mermilerin riski, bomba parçalarından daha yüksektir. Yaralanmanın şiddetini, genel olarak merminin kinetik enerjisi, şekli ve yapısı belirlemektedir. Bomba parçaları ise, kişilerin birden fazla bölgesinde yaralanmaya sebep olmakta ve bu yaralanmaların şiddeti, patlamanın kaynağı, şiddeti ve kişinin patlamadan uzaklığı... gibi faktörlere bağlı olarak değişmektedir. Ayrıca bombaların, binaları çöktürmesi, uçakları düşürmesi, gemileri batırması vb. gibi ikincil etkilerinden dolayı da yaralanma veya ölümler meydana gelebilmektedir.
Balistik koruyucu bir giyside, birbiriyle çelişen iki koşulun aynı anda sağlanabilmesi gerekmektedir. Bunlardan birincisi, genellikle hacmin ve kütlenin büyük olmasıyla sağlanabilen balistik performans; ikincisi ise, giyen kişinin rahat hareket edebilmesi açısından hafiflik ve giysi konforudur. Bu faktörler göz önünde bulundurulduğunda, tekstil yapılarının, düşük ağırlığa sahip, esnek ve konfor sağlayabilecek en uygun yapılar oldukları söylenebilmektedir. Kişinin üzerine giydiği koruyucu giysi katmanlarının sayısı arttıkça, korunma şansı da artmaktadır; ancak bu durumda tekstil malzemesinin ağırlığı ve hacmi de artmaktadır ki, bu istenmeyen bir durumdur. Aktif bir bireyin balistik korunması için tüm bu faktörlerin dengeli bir şekilde sağlanması gerekmektedir. Bu nedenle de vücutta en az yer kaplayan ve en hafif bir balistik koruyucunun ağırlığı 2,5-3,5 kg'ın altına düşmemektedir. Eğer buna bir de yüksek hızlı mermilere karşı koruma sağlayan rijit plakalar eklenir ve vücutta kaplanan alan arttırılırsa, ağırlık 13- 15 kg' a ulaşabilmektedir ki, bu rakamlara miğfer, siperlik ve bacak koruyucu kısımlar dahil değildirler.
Tekstilden yapılmış kurşungeçirmez çelik yelekler, düşük hızdaki mermilere ve küçük parçacıklara karşı koruma sağlayabilmekte, ancak özellikle 5,56 mm, 7,62 mm ve 12,7 mm kalibrelik yüksek hız mermileri gibi diğer tehlikelere karşı koruma gerçekleştirememektedir. Tekstilden yapılmış çelik yelekler, savaş başlıkları ve mermi kovanlarının patlaması sonucu yüksek hızda fırlatılan küçük ve keskin parçacıklara karşı da etkili değildirler. Bu tür yüksek hızlı cisimler için tekstil malzemelerinden ziyade, metaller, kompozitler ve seramikler gibi malzemeler kullanılmakta ve bu malzemeler kalp gibi hayati organların üzerine yerleştirilmektedirler.
Balistik Korumanın Mekanizması
Balistik darbe mekaniği, 2. Dünya Savaşı'ndan beri geniş araştırmalara konu olmuştur. Kurşungeçirmez giysilerle balistik korumanın temel prensibi: Birçok yüksek performanslı dokuma kumaşın bir araya getirilmesiyle oluşturulmuş yapıdaki bu giysilere çarpan parçacıkların enerjisinin, ipliklerin koparılması ve esnetilmesi yoluyla dağıtılmasıdır. Bu yapının çok katmanlı olmasının sebebi, kumaş katmanlarının her birinin giysiye çarpan parçacığın enerjisinin azaltılmasında additif bir etki göstermesidir. Her kumaş katmanında enerji, önce parçacığın temas ettiği lifler tarafından absorbe edilmekte, daha sonra da kumaş dokusundaki diğer liflere yayılmaktadır. Bu enerji transferi, atkı ve çözgü ipliklerinin kesiştiği noktalarda meydana gelmektedir. Bu sebeple, kesişme noktalarını arttırabilmek için genel olarak bezayağı yapıdaki dokunmuş kumaşlar tercih edilmektedirler.
Balistik Korumada Kullanılan Tekstil Malzemeleri
Günümüzde balistik koruyucular. Üniforma altına ya da üstüne giyilebilen yelek ve zırhlar, yağmurluklar, rüzgârlıklar ve evrak çantaları gibi birçok farklı şekilde kullanılabilmektedirler. Bir balistik koruyucu giysiyi tasarlarken dikkat edilmesi gereken en önemli tasarım parametreleri: Balistik koruyucu malzemenin seçimi, gereken koruma derecesi (parçacık tipi, kalibresi, darbe hızı), bitmiş giysinin ağırlığı, kişinin konforu ve hareket serbestliğidir. Sivil hayatta balistik giysilerin çoğu gömleğin altına giyilmekte iken, askeri kullanıcıların çoğu için bu durumun tersi geçerli olmaktadır. Sunu da belirtmek gerekmektedir ki, belirli bir darbe hızında bir parçacığa karşı koruma sağlayan bir zırh, darbe hızı arttırıldığında aynı parçacık için koruyucu etkisini yitirebilmektedir.
Balistik koruma, atılmış olan mermi ya da keskin parçacıkları mümkün olduğunca kısa mesafede yakalamayı hedeflemektedir. Buda, çok yüksek mukavemet ve düşük elastikiyete sahip olan yüksek modüllü tekstil liflerinin kullanılmasını gerektirmektedir. Düşük elastikiyet, parçanın darbe anında kumaşta girinti yapmasını ve buna bağlı olarak yaralanmaları engellemektedir. Mümkün olan en düşük bükümde üretilmiş kesiksiz multifilament iplikler, iyi sonuçlar sağlamaktadırlar. Şekil 4'te mermiyi durduran ba1istik tabaka görülmektedir.
Şekil 4: Mermiyi durduran balistik plaka
Alifatik poliamid 6,6 (balistik naylon) lifleri, yüksek modüllü ve kristalleşme dereceleri yüksek, uzama yetenekleri ise düşük olduğundan, geçmiş yıllarda özellikle nispeten düşük hızlı silahlardan koruma amaçlı kurşungeçirmez yeleklerde ve miğferlerde sıklıkla tercih edilmişlerdir. Ancak, yüksek mukavemet ve modüle sahip liflerle çok katlı olarak üretilmiş olan bu yeleklerin dezavantajı, ağırlıklarının fazla olmasıdır. Ayrıca bu yelekler ıslandıklarında mukavemetleri düşmekte ve su buharı geçirgenlikleri azalarak yeleğin içindeki ısı artmaktadır. Balistik koruyucuların ıslandıklarında da performanslarını korumaları istenmektedir.
Daha hızlı ve tehlikeli silahlara karşı korunma gerekliliği, yüksek performanslı liflerin ve esnek kompozitlerin gelişimini sağlamıştır. Günümüzde balistik koruma için en fazla kullanılan lifler: Aramid (Kevlar, Technora, Twaron) lifleri, ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen (UHMWPE) (Spectra, Dyneema, Tekmilon) lifleri ve sıvı kristal polimer esaslı (Vectran) liflerdir. Tablo 10' da balistik korumada kullanılan lifler görülmektedir.
Tablo 10: Balistik korumada lifler
Para – aramid lifleri, yüksek mukavemet ve yüksek enerji absorbsiyonu gibi özellikleri kombine ettiklerinden, özellikle kurşungeçirmez yeleklerde ve miğferlerde çok kullanılmaktadırlar. Bu lifler, yeleğin ağırlık ve hacmini azaltırken, balistik performansını arttırmaktadırlar. Sonuç olarak, aramid liflerinden yapılan yelek ve miğferler günümüzde çelik miğferlerin ve poliamidden yapılmış yeleklerin yerini almaktadırlar. Şekil 5’te para – aramid ve meta – aramidin kimyasal yapıları görülmektedir.
Şekil 5: Para – aramid (Kevlar) ve meta – aramid (Nomex)’in kimyasal yapıları Şekil 6’da Kevlar, Şekil 7’de ise Twaron lifleri görülmektedir.
Şekil 5: Kevlar lifleri
Şekil 7: Twaron lifleri
Ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen lifleri: Düşük yoğunluk, iyi aşınma direnci ve kimyasallara karşı yüksek dayanım... gibi özellikleri sayesinde bu alanda tercih edilmektedirler. Miğfer olarak kullanılacak olan kompozit malzemelerin yapımında bu lifler kullanıldığında, birim alan ağırlığı bakımından balistik poliamide nazaran %45'lik azalma sağlanabileceği görülmüştür. Bilindiği gibi malzeme ne kadar hafif olursa, kişinin hareket kabiliyeti de o kadar artmaktadır. Mukavemette düşüşe yol açmadığı sürece kişinin hareket kabiliyetinin artması ise balistik performansı arttırmaktadır. Bu nedenle, bu liflerin yüksek mukavemetleri ve olağanüstü mukavemet/ağırlık oranları, bunları balistik tekstiller için son derece uygun lifler yapmaktadır. Spectra Shield, iki kat lif tabakasının polimerik reçineyle emdirilmesiyle oluşan nonwoven esaslı bir kompozit zırh yapısıdır. İstenen sayıda Spectra Shield katmanı bir arada preslenerek, farklı balistik uygulamalar için gerekli kalınlık ve ağırlıkta zırhlar elde edilebilmektedir. Bu malzeme, esnek, ince ve hafif zırhların elde edilebilmesine de olanak vermektedir.
Sıvı kristal polimer esaslı lifler de: Yüksek mukavemet, sertlik, düşük nem absorbsiyonu, düşük genleşme ve kimyasallara karşı yüksek dayanım... gibi özellikleri sayesinde balistik koruma ürünlerinin yapımında tercih edilen lifler arasında yer almaktadırlar.
Balistik koruma sistemlerinde, hibrid yapıların kullanımı da her gün biraz daha artmaktadır. Aramid kumaşlar ile bir matrikse emdirilmiş ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen nonwoven kompozitlerin kombine edilmesiyle elde edilmiş olan yapılar, kumaşların sağladığı esneklik ve konfor özellikleriyle, nonwoven kompozit materyallerin yüksek performans özelliklerini bünyesinde birleştirmektedir.
Balistik uygulamalar için nonwoven keçeler de mevcut olmakla birlikte, en çok hacimli ve gevşek dokunmuş bezayağı konstrüksiyonlar kullanılmaktadır. Bu amaçla kullanılmış ilk malzemelerden biri dokunmuş ipek malzemelerdir. Ayrıca örümcek ipeğiyle yapılmış çalışmalar da bulunmaktadır. Kurşungeçirmez yeleklerde esnek kompozitlerin kullanımı, bunların dokuma kumaşlara göre sahip oldukları esneklik, hafiflik, daha iyi balistik performans... gibi üstün özellikler sebebiyle, her geçen gün biraz daha artmaktadır.
Şekil 8' de örümcek ipeğinin üretildiği organcıklar ve lifin normal, 5 kat gerilmiş ve 10
kat gerilmiş görüntüleri görülmektedir.
Kumaşların gevşek dokunması, giysi kısımları için uygun olan hafif ve esnek bir
yapının oluşturulmasını sağlamaktadır. Ancak bu durumda merminin iplikler arasından
geçmesi olasılığı ortaya çıkmaktadır. Balistik koruma yapıları genellikle 5-20 kat
kumaştan imal edildiklerinde iyi bir performans göstermektedirler. Kurşungeçirmez
yeleklerde her kat birbirinden bağımsız hareket edebilmelidir. Bu katmanlar çizgi ya da
kare şeklindeki kapitonelerle birbirlerine tutturularak esneklik ve kişinin vücut
hareketlerine uyum sağlanmaktadır. Balistik kumaşlar nem ve güneş ışığı (UV) etkilerinin balistik performansı düşürmemeleri için, hafif, sıkı ve su geçirmez bir kaplama içine alınmalıdırlar.
Balistik yelek ve miğfer sistemleri, vücuttaki hayati kısımları korumak için bir arada çalışmalıdırlar. Balistik yelekler, 13 kat Kevlar ile bir kat balistik poliamidden üretilmiş kumaşın kombine edilmesiyle üretilebilmektedirler. Günümüzde balistik koruyucu miğferlerde kompozit yapıların kullanımı, bayan ve erkekler için farklı ölçülerde miğfer yapılabilmesine olanak sağlamıştır. Miğferlerde kullanılacak bir balistik koruyucu kompozit, 19 kat Kevların, polivinilbutiral ve fenolformaldehit reçineleriyle basınçlı kalıplama tekniğine göre muamelesiyle elde edilebilmektedir. Bu tip miğferler, 1970'lerin sonlarından itibaren çelik miğferlerin yerini almaya başlamışlardır.
Tüm vücut ve kafanın korunması için en son tasarlanmış olan giysi sistemi EOD (Explosive Ordnance Disposal Clothing) olarak adlandırılmaktadır. EOD giysisi 16 kat Kevlar' dan üretilmektedir. Giysinin farklı ağırlıkta ve beden ölçüsünde olan türleri mevcuttur. Ceket giyen kişiye komple koruma sağlarken, pantolon önde koruma sağlamaktadır. EOD miğferi, 12 veya daha fazla kat Kevlar'dan oluşmaktadır.
Balistik Tekstil Malzemelerine Uygulanan Testler
Balistik malzemeler, standart ağırlık ve boyuttaki mermilerle farklı atış menzillerinde denenmektedirler. Testlerde, kalite kontrol ölçüsü olarak V50 kullanılabilmektedir. V50, penetrasyon olasılığının 0,5 olduğu, yani atılan mermilerden %50 sinin balistik malzemeye girdiğini ve %50 sinin ise girmediği mermi hızı (m/s) olarak ifade edilebilmektedir. Atış denemeleriyle, her bir balistik malzeme ve her bir mermi cin V50 değeri elde edilmektedir. Bir diğer ölçüm parametresi de VC ya da V0 olarak ifade edilen "kritik hız" dır. Kritik hız, delip geçmenin olmadığı en yüksek hız değerini göstermektedir. Balistik malzemelerin amacı insan vücudunun hasar görmesini önlemek olduğu için, bu önemli bir parametredir.
Yüksek Sıcaklık ve Alevden Koruma
Yüksek sıcaklıktan koruma tekstilleri. 200"C sıcaklığa sürekli maruz kaldığı halde fiziksel özelliklerini koruyarak herhangi bir bozunma göstermeyen tekstiller olarak tanımlanabilirler. Yüksek sıcaklıklara karşı dayanım: Kontakt, radyasyon ve konveksiyon ısıtmaya maruz kaldığında liflerin özelliklerinin değişmemesidir. Güç tutuşur tekstiller, aleve veya yüksek sıcaklıklara maruz kaldığında tutuşmayan, tutuşsa bile kendi kendine sönebilen tekstillerdir.
Güç Tutuşur Lifler
Güç tutuşurluk özelliğine sahip lifler iki sınıfla incelenebilmektedirler:
1- Güç tutuşurluğun, liflerin normal yapısı sayesinde sağlandığı: Aramidler, modakrilik,
polibenzimidazol (PBI), yarı-karbon (okside edilmiş akrilik) ve fenolik (Novaloid)
lifler... gibi kendiliğinden güç tutuşur lifler kullanılarak üretilen kumaşlar;
2- Kimyasal modifikasyonla güç tutuşur özellik kazandırılan lifler (Trevira CS, Heim,
Pneumacell... gibi).
Güç tutuşurluk özelliğine sahip liflere örnekler aşağıda verilmektedir:
* Meta-aramid. Nomex, TeijinConex; Bu lifler tutuşma özelliği göstermeyip, eriyip damlama yapmamaktadır. Meta-aramid lifleri, yüksek sıcaklık ve alev karşısınd
