Cam Elyaf Nedir? Nasıl Üretilir?

Bu yazımızda çok iyi bir takviye elemanı olan ve birçok farklı alanda kullanılan özellikle de inşaat sektöründe aranan bir malzeme olan cam elyafı inceleyeceğiz. Cam elyaf temel olarak, eritilmiş haldeki camın çok çok küçük deliklerden eritilerek akıtılıp daha sonrasında ise sertleştirilmesi ile üretilir. İnsanlığın, ileriki yıllarda sanayinin birçok dalında gelişim göstereceği aşikâr. Özellikle havacılık, savunma ve uzay alanındaki gelişim, bizlere yeni ihtiyaçlar doğuracaktır. Bu ihtiyaçlar listesinin başını, malzemeler çekmektedir. İhtiyaç duyulacak malzemelerden beklenen en önemli kabiliyetler: hafif ve yüksek mukavemet göstermesi olacaktır. Hafiflik ve yüksek mukavemete duyulan ihtiyaç, kompozit malzemeler aracılığıyla giderilebilir. Kompozit malzemeler denilince hem kendisi hem de bir takviye elemanı olarak kullanılan cam elyaf, ilk olarak akıllara gelen malzemelerdendir. Cam elyafı daha iyi tanıma serüvenine, cam elyafın tarihçesiyle başlayalım.

Cam Elyafın Tarihçesi

Cam elyafın, ilk olarak hayatımıza girdiği dönemler olan Rönesans döneminde kadehler ve vazoların süslenmesinde kullanılmıştır. Bu süslerde cam teller ile yapılmıştır.
Uzunca bir isme sahip olan Fransız fizikçi Rene-Antoine Ferchault de Reaumur, 1713 yılında ince cam iplerle süslenmiş tekstil ürünlerini piyasaya sürdü.
İngiliz kökenli bir ipek dokumacı 1842’de cam bir kumaş elde etti ve başka bir mucit Edward Libbey, Chicago’daki 1893 Columbian Exposition’da cam dokuma elbiseyi tanıttı. Bu elbise ilk kez döneminin popüler tiyatro oyuncusu Georgia Cayvan tarafından giyilerek gözler önüne serildi.
Rastgele uzunluklardaki elyaf yığınından oluşan cam yünü, 20. yüzyılın başında Avrupa’da, çubuklardan yatay olarak döner bir tambura liflerin çizilmesini içeren bir süreç kullanılarak üretildi. Bundan onlarca yıl sonra, bir eğirme işlemi geliştirildi ve patent alındı. Kısacası, cam elyaf I. Dünya Savaşı sırasında ilk kez Almanya’da üretildi.
Cam elyafın ilk olarak Almanya’da üretilmesi, endüstriyel üretimin de orada gerçekleştiği anlamına gelmemektedir. Peki cam elyafın, endüstriyel üretimi nerede gerçekleştirilmiştir? Bu soruyu cevaplandırmak çok da zor olmasa gerek. Evet Amerika, cam elyafın ilk olarak endüstriyel üretimini 1930’lu yıllarda Amerika’da gerçekleştirdi.
Cam elyaf imalatı üzerine deneyler yapan CorningGlass, cam elyaf pazarının potansiyel büyümesini fark ederek 1920’de Owens-Illinois’e cam elyaf üretiminde ortaklık teklif etti.
Owens-Illinois bu teklifi kabul ederek, günümüzde büyük ve önemli bir pazar olan cam elyaf üretiminde ilk adımlar atılmış oldu.
İlerleyen yıllarda, cam elyaf adına çok önemli bir basamak olan cam elyafın seri üretimi keşfedildi. Bu keşfin mutfağındaki kişi ise Owens-Illinois firmasında bir araştırmacı olarak görev yapan Russell Games Slayter’dı. 1932 yılında erimiş cam yığını üzerine basınçlı hava jetini yönlendirdiğinde, cam elyafının seri üretimi de keşfedilmiş oldu.
Owens-Illinois 1936’da Corning Glass’ın Corning’in New York tesisindeki Corning’deki deneysel cam yünü ve diğer ekipmanlarını kurmasına yardımcı oldu.
Cam yünü ilk olarak Ocak 1936’da Owens-Illinois cam elyaf ürünlerinde Owens-Illinois’ın markası olarak kullanıldı.
1938’de deneysel maliyetler, Owens-Illinois ve Corning Glass’ın ortak girişim faaliyetlerine ayrı bir şirket olarak devam edilmesi sonucunu doğurdu.
Aynı yıl ilk olarak 1935’te başvurulan cam elyaf imalatı patenti Dale Kleist ve Jack Thomas’a verildi. 1 Kasım 1938’de ise Owens- Corning Fiberglas® Corporation’ın kurulduğu açıklandı. Owens-Corning, günümüzde de sektörün önemli bir firması olarak faaliyetlerine devam etmektedir.

Cam Elyafın Üretim Süreciyle Bilim Tarihinin Benzerliği

Cam elyafın tarihçesine baktığımız zaman, bilim tarihini özetler nitelikte bir süreç görmekteyiz. Modern atomun keşfi, fizik kanunlarının keşfi ve cam elyafın icadı gibi önemli süreçler, tek bir kişi tarafından değil de birçok önemli ve önemsiz kişinin sürece katkıda bulunarak ortaya çıkardığını görmekteyiz. Takım olabilme ya da birbirinden bağımsız gibi görünen ama aslında birbiriyle içli dışlı olan insanların birbirinden aldığı fikirleri benimseyip geliştirerek, bir sonraki kişiye aktarması, bilimin ilerlemesi adına şifre niteliği taşımaktadır. Cam elyafın ortaya çıkışı, gelişimi ve endüstriyel anlamda üretimi de bu tarz süreçlerden geçmiştir. Cam elyafı bu denli önemli kılan etmenler nelerdir? Gibi bir soru yumağının zihninizden geçtiğini düşünerek, yazıya cam elyafın özellikleriyle devam ediyorum.

Cam Elyafın Özellikleri

Çekme mukavemetleri yüksektir.
Yanmazlar ama ısıl dirençlerinin düşük olmasından dolayı yüksek sıcaklıklarda yumuşama meydana gelir.
Takviye elemanı olarak kullanıldığı zaman, maruz kalabileceği kimyasal maddelere karşı direnç gösterir.
Cam elyafın, nemi absorbe edebilme gibi bir kabiliyeti yoktur. Dışardan takviyelerle yani reçineler ya da özel kaplamalar yardımıyla rahatlıkla bu sorun ortadan kaldırılabilir.
Cam elyaflar elektriği iletemezler. Bu ilk başta dezavantaj gibi görünse de bakış açımızda değişikliğe gittiğimizde, elektriğin iletilmemesi gereken yerlerde kullanabileceğimiz bir malzeme olduğunu görmekteyiz. Bir nevi yalıtım malzemesi olarak da düşünülebilir.
Cam elyaflar, çatı ve binaların dış kaplamalarında sıklıkla kullanılır. Bunun altında yatan nedenler ise küfe, paslanmaya, rüzgâra, sıcaklığa ve soğuğa karşı gösterdikleri dirençtir.
Uzun ömürlü olması ve bu malzemenin neredeyse hiçbir bakıma ihtiyaç duymaması, bu malzemeyi önemli kılan etkenlerden birkaçıdır.
Saydığımız özellikleri yan yana koyduğumuz zaman, bence bir malzemeyi önemli kılan en büyük etkenler: hafiflik ve ağırlığına göre gösterdiği dayanıklılıktır. Cam elyafı da bu özellikleri taşıdığından dolayı önemli malzemeler listeme an itibariyle almış bulunmaktayım.

Birbirinden önemli özellikleri bulunan cam elyaflar nasıl mı üretiliyor? Sorusunun cevabıyla yazımıza devam edelim.

Cam Elyaf Üretim Süreci

Cam elyaf temel olarak, eritilmiş haldeki camın çok çok küçük deliklerden eritilerek akıtılıp daha sonrasında ise sertleştirilmesi ile üretilir. Cam elyaf üretiminin, basit anlamda nasıl gerçekleştiğini öğrendiğimize göre beş başlık altında daha detaylı inceleme vakti geldi.

Harmanlama

Cam elyaftan beklenilen kabiliyetlere veya kullanılacağı alanlara göre cam elyafa istenilen özelliklerin kazandırılması amacıyla, takviye elemanlarından yararlanılır. Bu işlem ise harmanlama adı altında gerçekleştirilir. Birkaç örnek ile bu adımı pekiştirelim. Cam elyafın sıcaklığa olan dayanımını arttırmak için cam elyaf ile bor harmanlama işlemine maruz bırakılabilir. Başka bir örnek verecek olursak, cam elyafta çekme dayanımını iyileştirmek isteyen mühendisler, SiO2 ile cam elyafını harmanlayabilirler.

Eritme

Harmanlama işleminden çıkan karışımın eritilmesi için ortalama 1400ºC gibi yüksek sayılabilecek sıcaklıkta, doğal gazla çalışan bir fırında eritilme işlemi gerçekleştirilir.
Erimiş haldeki cam, bir rafineriye aktarılır. Bu rafinerinin sıcaklığı ise 1370°C’dir. Erimiş camın, liflere preslenmesi için dört ila yedi kovandan oluşan bir sistem kullanılır. Eritme işleminin gerçekleştirildiği fırının işletilmesi zorlu süreçtir. Bu zorluk, cam eritilmeye başlanıldığı zaman tuğlaların aşınmasıyla görülmeye başlanır. Üretimi yarıda kesip, yeni tuğlalar ekleme işlemi mümkün olmadığından, cam elyaf üretiminde kullanılan tuğlaların ömründe iyileştirmeler yapmak adına birtakım araştırmalar ve deneyler günümüzde de devam etmektedir.

Elyaflaştırma

Eritme işlemi bitti, sıra elyaflaştırma işlemine geldi. Bu aşama sonunda oluşan ürünler ile etrafımızda gördüğümüz kullanıma hazır elyaflar hemen hemen aynı görüntüye sahiptir. Elyaflaştırma işlemi iki basamaktan oluşur. Bunlar ekstrüzyon ve zayıflamadır, sırasıyla bunları da anlamaya çalışalım.

1-Ekstrüzyon

Erimiş haldeki cam, 200 ila 8,000 delikten oluşan bir burçtan geçer. Bu burçtaki deliklerinde çok ince delikler olduğunu söylemekte fayda var. Burç plakaları elektronik olarak ısıtılır ve sabit bir cam viskozitesini korumak için sıcaklıkları tam olarak kontrol edilir. Elektronik olarak ısıtılmasının nedeni ise homojen bir ısınma süreci geçirmesi içindir. Peki viskozite ne demektir? Viskozite, akmaya karşı gösterilen dirençtir. Camlar erimiş bir halde burç deliklerinden çıkarken, devreye su jetleri girer. Su şetlerinin buradaki görevi ise burçtan çıkan çok çok ince yapıdaki camları 1204°C’de iken soğutmaktır.

2-Zayıflama

Elyaflaştırma işleminin son basamağı olan zayıflamada, yüksek hızlı bir sarıcı, erimiş haldeki cam elyaflarını yakalar ve dakikada 2 km-3 km çevresel hızda dönerek toplar. Bu hız erimiş camın burçlardan çıkmasından çok daha hızlıdır.

Burç plakalar pahalı malzemelerdir ve cam elyaf üretiminde çok önemli bir konumdadır. Cam elyaf üretimini verimli bir şekilde gerçekleştirmek istiyorsanız, burç plakalara çok önem vermeniz gerekiyor. Bu denli önemli olan burçlar, araştırılmakta ve nasıl daha verimli yapılabilir? gibi soruların cevapları halen aranmaktadır.

Kaplama

Bu aşamada, kimyasal kaplamalar uygulanır. Kaplama için: yağlayıcılar, polyester reçineler ve epoksi reçineler kullanılır. Kaplama işleminin amaçlarına gelecek olursak, aşınma ve kopmalara karşı direnç kazandırmak (yağlayıcılar ile yapılır), elyaf ile matris arasındaki yapışkan bağı güçlendirmek (bu da reçineler ile yapılır).

Kurutma / Paketleme

Son olarak, boyutlandırılmış filamentler bir demet halinde toplanır. Bu filamentler, makara şeklindeki biçimlendirme tamburu üzerine sarılır. Daha sonrasında ise paketleme işlemi gerçekleştirilip, gönderilmeye hazır bir şekilde bekletilirler.

Cam Elyafın Kullanım Alanları

Cam elyafın ağırlık-mukavemet oranın iyi değerlerde olması ve özellikle ucuz olmasından dolayı plastiğin ön planda olduğu işlerin %90’ında yer almaktadır.
Cam elyaf, sadece kuruyken değil ıslak olduğu zamanlarda da yüksek mukavemet gösteren bir malzemedir. Bu yeteneğinden dolayı ıslak yüzeylerde de kullanılabilir. Cam elyafın özelliklerini anlatırken, kimyasal maddelere de karşı bir dayanım gösterdiğini söylemiştik. O yüzden sadece su borularında değil kimyasal borular ve tanklarda da kullanılmaktadır.
Savunma sanayide, balistik kalkanlarının imalatında kullanılabilir. Burada, ana malzeme olarak değil de en iyi yaptığı iş olan takviye elemanı olarak kullanılmaktadır.
Tekstil sektöründe de yerini alan cam elyaf, kalıp ve parça imalatında kullanılan önemli malzemelerden biridir.
Gemi gövdesi, olta değneği, yay ve ok gibi birçok spor malzemesinin yapımında kullanılır.
Her türlü maddenin taşınmasında ve saklanmasında kullanılan tankların yapım aşamasında takviye elemanı olarak kullanılır.
Cam elyafın en çok kullanıldığı sektörlerden biri şüphesiz ki inşaat sektörüdür. Peki tam olarak nerelerde kullanılır? çatı kaplamalarında, beton ve alçı kalıplarda, banyo küvetinde, mutfak tezgahında ve binalarda ki duvar süslemelerinde sıklıkla kullanılmaktadır.

Cam elyaf kısacası, hafiflik, mukavemet, yalıtım ve kimyasal maddelere dayanım gerektiren hemen hemen her koşulda görevini büyük bir başarıyla yerine getirebilmektedir. Üretim, bir ülkenin geleceğidir. Yazımın sonlarına yaklaşırken Türkiye’deki cam elyaf üretimine bir göz atalım…

Türkiye’de cam elyaf üretimi

1975 yılından beri, ülkemizde cam elyaf üretimi yapılmaktadır. Bu üretimin öncüsü ise Şişecam firmasıdır. Son yıllarda üretim hacmini geliştirmek amacıyla, 2019 yılının ilk aylarında, Balıkesir’de cam elyaf üretim tesisi kuran Şişecam, Avrupa’da da cam elyaf üretiminde önemli bir konumdadır. Şişecam, cam elyaf konusundaki uzmanlığı ile rüzgâr enerjisi, elektronik, otomotiv, inşaat, savunma sanayi, denizcilik ve mühendislik plastikleri gibi birçok sektöre malzeme sağlamakla beraber, ülke ekonomisine de önemli katkılarda yapmaktadır.

Sonuç

Cam elyafın ilk kullanıldığı topluluk Fenikeliler ve Mısırlılar olmuştur. 1930’lu yıllar cam elyaf için altın yıllardı. 1930’lu yıllarda patent başvurularını ve halk arasında üretilen cam elyafın fabrikalara taşınma serüvenini görmekteyiz. 1930’lı yılların bitmesiyle beraber, işi profesyonel bir ortama taşıyan cam elyaf üreticileri, büyük bir Pazar oluşmasına vesile oldu. Günümüzde kullanılan cam elyaf üretim yöntemleriyle eski zamanlardaki üretim yöntemleri arasında çok büyük farklar bulunmamaktadır. Sadece daha verimli ve daha hızlı bir şekilde üretimi gerçekleştirebiliyoruz. Cam elyafın, ağırlık-mukavemet oranın iyi değerlerde olması ve uzun ömürlü olması bu malzemeyi önemli kılan en büyük etkenlerden biridir.

Genellikle takviye elemanı olarak kullanılan cam elyaflar, çok geniş bir kullanım yelpazesine sahip. Bu önemli ve büyük pazarda bizde varız. 1935 yılında kurulan Şişecam’ın, cam elyaf üretiminde 45 yıllık bir tecrübesi bulunmakta. Bu tecrübeyi günümüz teknolojisiyle birleştirerek, Balıkesir’de kurduğu fabrika ile Avrupa’nın önemli cam elyaf üreticileri arasında yerini aldı. Cam elyaf sektörünün çok daha büyük bir pazar olacağı aşikâr. Önemli olan büyük bir hızla gelişen bu pazarda yerimizi alıp, güzel başarılar elde etmek. Yazımı son bir örnekle bitirmek istiyorum. Otobanda hareketsiz duran bir araç olduğumuzu düşünelim, biz kendimize göre ne ileri ne de geri gitmekteyiz ama yanımızdan son süratle geçen araçlara göre sürekli gerilemeye devam ediyoruz, bundan dolayı gelişmeden yerinde sayan toplumlar gerilemeye mahkumdur sözünü benimseyerek buna göre hayatlarımızı şekillendirmemiz gerekmektedir.