PDF İndir - Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi

Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi Cilt 4 Sayı 1 (2016), 35-41
Journal of Bartin University Engineering and Technological Sciences Vol. 4 Issue 1 (2016), 35-41
Bartın Üniversitesi
Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi
Polimer Matrisli Kompozitlerin Çekme Mukavemetine Nano Katkıların
Etkisi
Alim KAŞTAN1*, Okan ORAL2
1
2
Organize Sanayi Bölgesi Mesleki ve Teknik Anadolu Lisesi, Antalya / TÜRKİYE
Akdeniz Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Antalya / TÜRKİYE
Geliş Tarihi: 18.05.2016 Düzeltme Tarihi: 09.06.2016 Kabul Tarihi: 17.06.2016
Özet
Polimer esaslı malzemelerin kullanım alanları sürekli olarak artmaktadır. Buna bağlı olarak, polimerik malzemelerden istenilen özelliklerde
uygulamaya bağlı olarak değişmektedir. Hedeflenen özelliklerin elde edilebilmesi için endüstriyel gelişim ve akademik çalışmalar artarak
devam etmektedir. Özellikle nano boyuttaki katkılar, polimer esaslı malzemelerin teknik özellikleri üzerinde son derece etkilidir. Genel
olarak, malzemelerin nano boyuttaki özellikleri ile makro boyuttaki özellikleri değişiklik göstermektedir. Bundan dolayı, katkı
malzemelerinin matris’e ilavesinde boyutlar önemlidir. Bu derleme çalışmasında, polimer malzemelere ilave edilen nano katkıların çekme
mukavemetine olan etkisi yapılan çalışmalar taranarak araştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Polimer, Nanokompozit, Çekme Mukavemeti
The Effect of Nano Additives on the Tensile Strength of Polymer-Based Composites
Abstract
Application fields of polymer-based materials are continuously increasing. Accordingly, the desired properties from polymeric materials
also varies depending on the application. Industrial development and academic studies continue to increase in order to achieve the targeted
properties. In particular, nano-sized additives are extremely effective on the technical properties of polymer-based materials. Overall, the
macro properties vary by size in the nanoscale properties of materials. In this review study, the effect of the additives added to the polymer
nano-materials on their tensile strength were investigated by scanning through publications to date.
Keywords: Polymer, Nanocomposite, Tensile Strength
1. Giriş
1900’lü yılların ikinci yarısından sonra kompozit malzemelerin
üretimi ve mekanik özellikleri üzerinde araştırma ve geliştirme
faaliyetleri artarak devam etmiştir. Pek çok farklı kompozit
malzeme ve üretim türü mevcut olup her geçen gün bunlara yenileri
eklenmektedir. [1]. Kompozit malzemeler iki ya da daha fazla
bileşenden oluşan ve bileşenlerine göre daha üstün özellikler
gösteren malzemelerdir. Kompozit malzemeler sayesinde daha
hafif, daha kararlı ve daha ucuz üretim yapmak mümkündür
olmuştur [2]. “Nano” sözcük olarak, bir fiziksel büyüklüğün bir
milyarda biri anlamına gelir. Bir nanometreyse, metrenin bir
milyarda birine eşit uzunluk birimidir. İnsan saç telinin çapının
yaklaşık 100.000 nanometre olduğu düşünülürse ne kadar küçük bir
ölçekten bahsedildiği daha kolay anlaşılır. Yaklaşık 100–1000 atom
bir araya gelerek nano ölçeklerde bir nesneyi oluşturur. Buna nano
yapı denir [3]. Nanokompozit fikri ilk defa 1950 yılında ortaya
atılmış, 1985 yılında da Toyota araştırma grubunun poliamid-kil
karışımları çalışmalarıyla ilerlemeler kaydetmiştir. Günümüzde ise
nanokompozitler polimer sanayinin her kesiminden ilgi
görmektedir. Uygulama alanları da otomotivden paketlemeye,
elektronik aletlerden ev aletlerine ve aleve dayanıklı her çeşit ürüne
uzanmaktadır [4]. Polimerik nano kompozitler (PNC) genelde % 1–
3 oranında nanopartikül içeren, tek bileşen ve tek faz gibi davranan
materyallerdir. PNC‘ler saydamlık, düşük yoğunluk, yanıcılığı
azaltma, düşük geçirgenlik, mekanik özelliklerinin gelişimi gibi
özellikler içerir [5]. Matris içerisine katılan nanopartiküllerin şekli,
boyutları ve oranı üretilen kompozitin özelliklerini etkiler [6]. Şekil
1‘de değişik tip ve boyutlardaki nano katkılar şematik olarak
görülmektedir.
Nano katkı malzemeleri olarak genellikle karbon (örneğin;
fulleren ve türevleri) [7–11], katmanlı kil mineralleri [12], nano
boyutlu metaller ile organik ve inorganik mineraller kullanılır [13].
Nano katkıların geleneksek olarak mikro boyutta kullanılan
Sorumlu Yazar: Kaştan A., +905052598347, [email protected]
katkılara göre üstün özellikleri vardır [14-16]. Bunlardan birincisi
daha yüksek yüzey alanlarının matris ile etkileşimi arttırmasıdır.
Şekil 1. Nano parçacık formları [6]
İkincisi mikro boyuttaki katkılara göre daha az miktarda
kullanılmasıdır. Bu sayede matris malzemesi düşük ağırlık,
süneklik, iyi işlenebilirdik v.b özelliklerini muhafaza eder.
Üçüncüsü ise mikro katkılara göre olumsuz etkilerinin daha az
olmasıdır. Nanopartiküllerin malzeme içerisindeki dağılımı üretilen
kompozitin özelliklerini direkt olarak etkiler. Ne yazık ki yüksek
yüzey enerjilerinden dolayı nanopartikükleri polimer matris
içerisinde homojen olarak dağıtmak zordur. Bu olumsuzluğu
ortadan kaldırmak için ultrasonik vibrasyon, özel sol-jel ve yüksek
enerji dispersiyon yöntemleri gibi teknikler kullanılmaktadır. Bu
yöntemlerin içerisinde en çok kullanılanı ultrasonik vibrasyon
yöntemidir [17-24]. Nanopartiküllerin matris içerisindeki dağılımı
nanokompozitlerin özelliklerini doğrudan etkiler. Üretim sırasında
mümkün olduğu kadar nanopartiküllerin polimer içerisinde homojen
olarak dağılması istenir. Matris içerisindeki dağılım hataları
kompozitin özelliklerini olumsuz etkiler. Özellikle nanokil katkılı
kompozitlerde kil tabakalarının matris içerisinde ayrışarak düzgün
Kaştan A. ve Oral O. / B.Ü., MUTEB, 4 (1), 2016
bir şekilde dağılması istenir. Şekil 2‘de polimer/kil kompozitlerin
şeması görülmektedir.
36
Kaştan A. and Oral O. / BUJETS, 4 (1), 2016
Srınath vd. [28] naylon 6 matris malzemesine %5 modifiye
edilmiş montmorillonit (organokil) ilave ederek oluşturdukları
polimer blendlerin çekme mukavemetini incelemişlerdir. Şekil 4 de
gerinim-gerilim grafiği görülmektedir. Yapılan deneyler sonucunda
%5 organokilin polimer blendlerin çekme mukavemetini yaklaşık
%14 arttırdığını belirtmişlerdir. Matris içerisindeki nanokatkının enboy oranının artması ile polimer-nanokil arasındaki yapışmanın
arttığını ve bu sayede polimer blendin çekme mukavemetini
arttırdığını belirtmişlerdir.
Şekil 2. Nanokillerin polimer içerisinde dağılımının şematik
gösterimi [25].
Polimerlerden yapılmış ürünler kullanım sırasında değişik
kuvvetlerin (yüklemelerin) etkisinde kalırlar. Örneğin; alışverişte
kullanılan plastik poşetlere, içerisindeki malzemenin ağırlığına bağlı
olarak çekme, plastik yer döşemelerine basıldığında sıkıştırma,
araçlarda kullanılan lastikler sıkıştırma-eğilme yükleri ile karşılaşır.
Mekanik özellikler, polimerlerin hangi tekniklerle işleneceklerine
veya hangi alanlarda yararlı olabileceklerine yönelik bilgiler
sağlarlar. Seramik, metal gibi malzemeler çok geniş süre ve
sıcaklılarda kullanılabilirlerken, polimerlerin mekanik özellikleri
yükün uygulanacağı sıcaklıktan ve uygulama zamanından önemli
oranda etkilenir. Çekme, malzemenin iki ucundan malzeme
yüzeylerine ters yönde uygulanan ve malzemelerin en çok
karılaştığı kuvvet türüdür. Çekme mukavemeti ise malzeme
boyundaki uzama miktarının malzemenin ilk boyuna oranıdır [26].
Bu çalışmada geniş bir literatür taraması yapılarak polimer
malzemelere ilave edilen nano katkıların çekme mukavemetine olan
etkisi incelenmiştir.
Şekil 4. Nylon 6-Nanokil nanokompozitin gerilim-gerinin grafiği
[28]
Rajkumar vd. [29] Acrylonitrile Butadiene Rubber (NBR)
matris malzemesine değişik oranlarda (%3-9) nanografit ekleyerek
hazırladıkları kompozitin çekme deneylerini yapmışlardır. Şekil 5’te
deneylerden elde edilen polimer-nanografitlerin çekme mukavemeti
görülmektedir. Saf NBR’nin çekme mukavemeti 2,4 MPa iken %3
grafit ile bu değer 3,5 MPa, %6 grafit eklenmesi ile 5,2 MPa ve %9
grafit eklenmesi ile de 6,3 MPa olduğunu belirtmişlerdir. NBR’nin
içerisindeki nanografit miktarının artması ile çekme mukavemeti
artış göstermiştir. Deney sonuçları nanografitin NBR’nin çekme
mukavemeti üzerinde çok etkili olduğunu göstermiştir.
2. Polimer Matrisli Kompozitlerin Çekme Mukavemetine
Nano Katkıların Etkisi
Haa vd. [27] yaptıkları çalışmada montmorillonit (MMT)
clay/epoxy nanocompositeslerin çekme mukavemetine olan etkisini
araştırmışlardır. Deneylerde modifiye edilmiş (SM-MMT) ve
modifiye edilmemiş (Na+-MMT) kullanmışlardır. Şekil 3 de
deneylerden elde edilmiş çekme mukavemeti- % nano MMT grafiği
görülmektedir. Yapılan deneyler sonucunda modifiye edilmiş SMMMT’nin çekme mukavemeti üzerinde daha etkili olduğunu tespit
etmişlerdir. Bu durunu MMT’nin modifikasyonu ile tabakalar
arasındaki mesafenin artması ve buraya polimer zincirlerinin daha
kolay girmesi olarak açıklamışlardır. Ayrıca her iki kompozit için
yapıdaki nano MMT’nin artması ile çekme mukavemetinin de
arttığını belirtmişlerdir.
Şekil 5. Grafit oranının çekme mukavemetine etkisi [29]
Şekil 3. Montmorillonit (MMT)-epoksi nanokompozitlerin çekme
mukavemeti [27]
İsmail vd. [30] yaptıkları çalışmada etilen propilen dien
monomer (EPDM) matris malzemesine haloysit nanotüp (HNT)
ilave ederek oluşturdukları nanokompozitin özelliklerini
incelemişlerdir. Deneylerden elde edilen çekme mukavemeti verileri
şekil 6’da görülmektedir. EPDM içerisindeki HNT oranının artması
ile çekme mukavemetinde artış görülmüştür. Bu artış %30 HNT için
%217,4 ve % 100 HNT için %873,4 olarak ölçmüşlerdir. Çekme
mukavemetindeki artışı EPDM/HNT arasındaki ara yüzeyde uçtan
uca ve kenarlar arasında oluşan zikzak yapılardan ve üç boyutlu
HNT’lerin matris içerisindeki yönlenmelerinden kaynaklandığını
vurgulamışlardır. Ayrıca HNT’lerin yüksek oranlarda bile polimer
matris içerisinde iyi dağılma özelliği ve EPDM’ye mükemmel
yüksek oranlarda katkı konulabilmesinden kaynaklandığını
belirtmişlerdir.
Kaştan A. ve Oral O. / B.Ü., MUTEB, 4 (1), 2016
Kaştan A. and Oral O. / BUJETS, 4 (1), 2016
37
Loos vd. [33] iki farklı sertleştirme çevrimi kullanarak tek
duvarlı
karbon
nanotüp
(SWCNTs)-epoksi
kompozitler
hazırlamışlardır. Birinci metotta epoksi ve SWCNTs-epoksi
nanokompoziti 35 saat oda sıcaklığında beklettikten sonra 24 saat
vakum altında sertleştirmişler. Ürettikleri malzemeleri epoksi 1 ve
kompozit 1 (%0,25 SWCNTs ilaveli) olarak adlandırmışlardır.
İkinci metotta ise epoksi ve SWCNTs-epoksi nanokompoziti 24 saat
oda sıcaklığında beklettikten sonra 135 saat vakum altında
sertleştirmişler, malzemeleri de epoksi 1 ve kompozit 2 (%0,25
SWCNTs ilaveli) şeklinde adlandırmışlardır. Üretilen malzemelerin
çekme değerleri tablo 2’de görülmektedir.
Şekil 6. EPDM/HNT nanokompozitlerin çekme mukavemeti [30]
Safadı vd. [31] Polistiren (PS) çok duvarlı karbon nanotüp
(MWNTs) nanokompozitinden ütermiş oldukları plastik filmlerin
içerisine değişik oranlarda ( %1, 2, 5) MWNTs katarak
malzemelerin çekme mukavemetini incelemişlerdir. Deneylerden
elde edilen çekme mukavemeti değerleri tablo 1’de görülmektedir.
PS içerisindeki MWNTs oranına bağlı olarak nanokompozitlerin
çekme mukavemet değerleri değişmiştir. Katkısız PS’nin çekme
mukavemeti 19,5MPa iken %1 MWNTs ilavesi ile bu değer
24,5MPa’a yükselmiştir. PS içerisindeki MWNTs oranının artması
ile çekme mukavemeti de artmıştır. Araştırmacılar kopma sırasında
iki teori ortaya koymuşlardır. İlk teoride, eğer matris ve nanotüp
arasında ki yapışma zayıf ise, çekme sırasında nanotüplerin yapıda
defekt gibi davranarak olumsuz etki gösterebileceğini, ikinci
teorilerinde matris ve nanotüp arasındaki bağlanma güçlü ise çekme
sırasında nanotüplerin mukavemeti arttıracağını belirtmişlerdir.
Tablo 1. PS-Nanokompzitlerin çekme değerleri [31]
Malzeme adı
Katkısız PS
Çekme mukavemeti (MPa)
19,5 ± 3,0
PS+1% wt. MWNTs
24,5 ± 3
PS+3% wt. MWNTs
25,7 ± 1,2
PS+5% wt. MWNTs
30,6 ± 2,7
Cho vd. [32] çalışmalarında polivinilalkol (PVA) içerisine nano
boyutta (en: 6.96 nm, boy:178 nm) mikrokristalin selüloz (MCC)
ilave ederek ( %1, 3, 5, 7) oluşturdukları nanokompozitin testlerini
yapmışlardır. Nanokompozite ilave edilen %1 MCC çekme
mukavemetinde ters etki yaparak azalmaya sebep olmuştur. Bu
durumu matris ve nanoselüloz arasında çekme sırasında oluşan
gerilmenin düzgün bir şekilde dağılamamasına bağlamışlardır.
Ancak malzeme, çerisindeki nanoselüloz oranının artması çekme
mukavemeti de artmıştır. En yüksek çekme değerini PVA içerisine
% 5 MCC ilave ederek hazırladıkları nanokompozitte elde
etmişlerdir. Saf PVA’ya göre çekme mukavemetinde %28 artış
gözlemlemişlerdir. PVA/MCC nanokompozit içerisindeki MCC
%7’ye çıkarılınca çekme mukavemetinde düşüş gözlemlemiştir. Bu
düşmeye matris içerisindeki MCC miktarının artması ile oluşan
topaklanmanın sebep olduğunu belirtmişlerdir. Şekil 7’de Nano
selüloz oranının PVA nanokompozitin çekme dayanımına etkisi
görülebilmektedir.
Şekil 7. Nano selüloz oranının PVA nanokompozitin çekme
dayanımına etkisi [32]
Tablo 2. SWCNTs/epoksi nanokompozitlerin çekme mukavemeti
değerleri [33]
Malzeme adı
Çekme mukavemeti (MPa)
Epoksi I
2,2 ± 0,2
Kompozit 1
13,0 ± 0,6
Epoksi 2
8,5 ± 0,5
Kompozit 2
28,2 ± 0,5
Tablo 2 de görüldüğü üzere epoksi matris içerisine ilave edilen
çok küçük orandaki (% 0,25) SWCNTs ile malzemelerin çekme
mukavemetinde önemli değişim olduğu gözlemlenmiştir. Aynı
koşullarda üretilen malzemelerin çekme mukavemetleri, birinci
metotta 2,2 MPa dan 13 MPa’ya (%491 artış), ikinci metotta 8,5
MPa’dan 28,2’ MPa’ ya (% 232 artış) yükselmiştir. Bu artışlar
sırasıyla ve olarak hesaplanmıştır. Araştırmacılar bu artışı
SWCNTs’lerin mükemmel mekanik özelliklerinden, üretim
sırasında matris içerisindeki SWCNTs dağılımımın düzgün olması
ve SWCNT-matris arasında oluşan güçlü yapışma etkisi olarak
açıklamışlardır.
Suresha vd. [34] poliamid 66-poliprppilen (PA 66/PP) polimer
blendin içerisine nanokil (NC), grafit (GR) ve kısa cam fiber (SCF)
ilave ederek kompozit hazırlamışlardır. Bu kompozitlerin testlerini
yaparak katkı maddelerinin malzeme özelliklerine olan eklisini
araştırmışlardır. Oluşturulan kompozitler tablo 3’te görülmektedir.
Araştırmacıların yaptıkları deneyler sonucunda malzeme içerisine
ilave edilen NC, GR ve SCF’nin polimer blendlerin çekme
mukavemetini değiştirdiği görülmüştür. Tablo 3’de üretilen
kompozitlerin deneylerden elde edilen çekme mukavemet değerleri
görülmektedir. Malzeme içerisine ilave edilen 2%NC + 10%SCF
ilave edilmesi ile en yüksek çekme mukavemet değerine
ulaşılmıştır. Hatta bu değer katkısız Poliamid 66’dan bile daha
büyüktür. 8 nolu numunenin %50’sinin PA 66 içermediği göz önüne
alınırsa ulaşılan bu yüksek çekme mukavemetinin önemi daha da iyi
anlaşılır. Araştırmacılar çekme mukavemetindeki bu artışı katkı
maddeleri ile matris arasındaki daha iyi etkileşim ve katkı
maddelerinin
yapı
içerisindeki
üniform
dağılımından
kaynaklanabileceğini belirtmişlerdir.
Peng vd. [35] yapmış oldukları çalışmada Poliviniliden flüorür
(PVDF) içerisine değişik oranlarda (%1, 2, 5) nodifiye edilmiş
nanokil (NC, Nanomer I.34TCN) ekleyerek polimerek
nanokompozitler oluşturmuşlardır. Bu kompozitlerin mekanik ve
aşınma testlerini yaparak ilave edilen nanokilin etkilerin
araştırmışlardır. PVDF/NC kompozitlerin nanokil oranına göre
çekme mukavemet değerlerindeki değişim tablo 4’te görülmektedir
.
Kaştan A. ve Oral O. / B.Ü., MUTEB, 4 (1), 2016
Kaştan A. and Oral O. / BUJETS, 4 (1), 2016
38
Tablo 3. Deneylerde kullanılan malzemeler ve çekme mukavemeti değerleri [34]
Numune
No
1
2
3
4
5
6
7
8
Numune adı
% Karışım oranı
Poliamid 66
Polipropilen
PA66/PP
2%NC-PA66/PP
3%NC- PA66/PP
2.5%Gr-PA66/PP
5%Gr-PA66/PP
2%NC +10%SCF/PA66/PP
PP
100
50
48
47
47,5
45
37,5
PA 66
100
50
50
5
50
50
50
Nano katkı
2(NC)
3(NC)
2,5(Gr)
5(Gr)
2+10(NC+SCF)
Çekme
Mukavemeti
(MPa)
48,94
18,71
30,65
22
21,7
30,65
30,9
49
Tablo 4. PVDF/Nanokil kompoiztlerin çekme mukavemeti değerleri [35]
Numune adı
Çekme Mukavemeti
(MPa)
Katkısız PVDF
PVDF/%1Nanokil
PVDF/%2Nanokil
PVDF/% 5Nanokil
55,1
51,8
53,5
52,2
PVDF içerisine ilave edilen nanokil oranına bağlı olarak çekme
mukavemeti değeri değişmiştir. En yüksek çekme mukavemeti
değerini %3 nanokil eklenen numunede elde etmişlerdir. Ancak
genel olarak PVDF içerisine ilave edilen nanokilin çekme
mukavemetini
düşürdüğünü
tespit
etmişlerdir.
Çekme
mukavemetinde meydana gelen bu azalmanın sebebini
anlayabilmek için kopma yüzeylerinin SEM görüntülerini
incelemişlerdir. Şekil 8’de PVDF/nanokil kompozitlerin kopma
yüzeylerinin SEM resimleri görülmektedir. Yapılan incelemelerde
katkısız PVDF’nin kırılma yüzeyinde çok sayıda uzamış liflerin
olduğunu tespit etmişlerdir. Ancak yapıya nanokil eklenmesi ile
kırılma yüzeyindeki liflerin büyük miktarda azaldığını
gözlemlemişlerdir. Nanokillerin tek eksenli yönlenmesinin çekme
mukavemetindeki azalmaya sebep olabileceğini belirtmişlerdir.
a)
değiştiğini tespit etmişlerdir. Her iki katkı da polimerik nano
kompozitin çekme mukavemetini arttırmıştır. Araştırmacılar çekme
değerlerindeki bu artışı nano katkıların geniş yüzey alanlarına sahip
olmaları olarak açıklamışlardır. Deneylerden elde edilen çekme
mukavemeti verileri şekil 9’da görülmektedir. Nano silika için
optimun oran %0,5 iken nano alümina için %1 olarak ölçmüşlerdir.
Nano silikanın nano alüminaya göre düşük oranlarda daha etkili
olmasını yüzey alanının daha geniş olmasına bağlamışlardır. Fakat
matrise %1-1,5 nano alümina ilave edilince en yüksek çekme
mukavemeti elde edilmiştir. Bu duruma, nano alüninanın nano
silikaya göre daha küçük yüzey alanına sahip olması, polimer
içerisinde daha kolay dağılması sonucunda aglomerasyon
oluşmaması olarak açıklamışlardır. Her iki nano katkı için optimum
oranlardan sonra çekme mukavemet değeri düşüş göstermiştir.
Polimer içerisindeki nano katkıların oranının artması ile
aglomerasyonun artması çekme mukavemetini düşürmüştür.
b)
Şekil 9. Nanokatkı oranına göre çekme mukavemetindeki değişim
[36]
Özsoy vd. [37] çalışmalarında epoksi matris içerisine değişik
oranlarda ve değişik boyutlarda (mikro, nano) alüminyum oksit,
titanyum oksit ve nanokil (montmorillonit) ilave ederek
oluşturdukları
polimerik
nanokompozitin
özelliklerini
incelemişlerdir. Deneylerde kullanılan malzemelerinin özellikleri
tablo 5’te görülmektedir.
c)
d)
Şekil 8. PVDF-Nanokompozitlerin kırılma yüzeylerinin SEM
görüntüleri a) katkısız PVDF, b) PVDF % 1 nanokil, c) PVDF/% 2
nanokil, d) PVDF/%5 nanokil [35]
Swain vd. [36] çalışmalarında poliüretan (PU) içerisine değişik
boyutlarda nano silika (7nm) ve nano alümina (13nm) ilave ederek
oluşturdukları polimerik nanokompozitlerin mekanik özelliklerini
incelemişlerdir. Araştırmacılar yaptıkları deneyler sonucunda PU
içerisine ilave edilen nano silika ve nano alümina oranına bağlı
olarak polimerik kompozitin çekme mukavemeti değerinin
Şekil 10’da mikro ve nano epoksi kompozitin çekme
mukavemetinin % katkı oranlarına göre değişimi görülmektedir.
Şekilde görüldüğü gibi mikro katkı oranı arttıkça kompozitlerin
çekme mukavemeti düşmüştür. Fakat nano katkılı kompozitlerin ise
çekme mukavemetine %2,5 katkı oranına kadar artış görülmüştür.
Bu artış TİO2 için %8, Al2O3 için %12 olarak gerçekleşmiştir. Fakat
nanokil mikro katkılara benzer özellik göstererek polimer
kompozitin çekme mukavemetinde azalmaya sebep olmuştur. Bu
durum nanokilin düşük oranlarda bile polimer matris içerisinde
homojen olarak dalmaması sonucunda oluşan aglomerasyonun
çekme sırasında yapıda gerilim konsantrasyonuna sebep olması
şeklinde açıklamışlardır.
Kaştan A. ve Oral O. / B.Ü., MUTEB, 4 (1), 2016
Kaştan A. and Oral O. / BUJETS, 4 (1), 2016
39
Tablo 5. Deneyde kullanılan malzemeler ve özellikleri [37]
Malzemeler
Epoksi reçine (MGSL285)
Alüminyum oksit (Al2O3)
Titanyum dioksit (TiO2)
Uçucu kül
Alüminyum oksit (Al2O3)
Titanyum dioksit (TiO2)
Nanokil (montmorillonit trimetil
stearil amonyum ile modifiye
edilmiş)
Özellikler
Bisfenol A
45 μm
50 μm
45 μm
40 nm
10 nm,anatase
Nanomer
10 μm
Yoğunluk(gr/cm3)
1.178
3.90
4.00
2.00
3.88
3.90
Üretici Firma
Dost ChemiaCo.
Eczacıbası Esan Co.
Sintas Plastic Co.
KutahyaCement Co.
Grafen Chemia Co.
Grafen Chemia Co.
1.90
Sigma Aldrich
Şekil 10. Mikro-nano katkılı epoksi kompozitlerin çekme mukavemeti [37]
düşürdüğünü tespit etmişlerdir. Tablo 6’dan da anlaşıldığı gibi
kompozit içerisindeki nano alümina oranı arttıkça çekme
mukavemeti değeri azalmıştır. Bir başka ifade ile nano alümina
oranı ile çekme mukavemeti değeri ters orantılıdır. Çekme
mukavemetindeki bu azalmayı araştırmacılar, nano alüminanın
matris
içerisinde
aglomerasyonu
sonucunda
gerilim
konsantrasyonuna sebep olması, çekme sırasında nanopartiküllerin
etrafında oluşan yüksek gerilme sonucunda PMMA ve nano
alümina arasındaki bağların kopması şeklinde açıklamışladır.
Sezavar vd. [38] Poli Metil metakrilat (PMMA) içerisine nano
boyutta alünina katarak kompozit hazırlamışlardır. Bu
kompozitlerin deformasyon ve kırılma özelliklerini incelemişlerdir.
Yapılan çalışmada üretilen kompozitlerin detayları tablo 6’da
görülmektedir.
Tablo 6. PMMA/Nonakompozitler ve çekme mukavemeti değerleri
[38]
Numune adı
PMMA
PMMA/5% Al2O3
PMMA/10% Al2O3
PMMA/15% Al2O3
Al2O3
(kütlece%)
0
5
10
15
Çekme mukavemeti
(MPa)
44,7
40,9
39,8
37,0
Kaştan vd. [39] yapmış oldukları çalışmada poliamid 6 (PA 6)
matris malzemesine değişik oranlarda yüksek yoğunluklu polietiken
(HDPE), nanokil (montmorillonit) ve uyumlaştırıcı (ĞE-g-MA)
ilave ederek hazırladıkları polimerik nanokompozitin mekanik
özelliklerini incelemişlerdir. Üretilen kompozitlerin karışım oranları
tablo 7’de görülmektedir.
Araştırmacılar yaptıkları deneyler sonucunda PMMA içerisine
ilave edilen nano alüninanın kompozitin çekme mukavemetini
Tablo 7. Deneylerde kullanılan polimerik nanokompozitler [39]
Numume
Numune Adı
No
Ağırlık ( kütlece %)
PA 6
YYPE
PE-g-MA
Nanokil
1
PA 6
100
-
-
-
2
YYPE
-
100
-
-
3
PA 6/YYPE
80
20
-
-
4
PA6/YYPE/PE-g-MA
80
20
5
5
PA6/YYPE/PE-g-MA/Nanokil
80
20
5
1
6
PA6/YYPE/PE-g-MA/Nanokil
80
20
5
3
7
PA6/YYPE/PE-g-MA/Nanokil
80
20
5
5
8
PA6/YYPE/PE-g-MA/Nanokil
80
20
10
1
9
PA6/YYPE/PE-g-MA/Nanokil
80
20
10
3
10
PA6/YYPE/PE-g-MA/Nanokil
80
20
10
5
Kaştan A. ve Oral O. / B.Ü., MUTEB, 4 (1), 2016
Kaştan A. and Oral O. / BUJETS, 4 (1), 2016
40
Çekme mukavemetindeki değişimin oluşturulan malzemelerin
katkısız, uyumlaştırıcılı, nanokil ilaveli ve bu katkıların oranlarının
değişmesi ile nasıl etkilendiği araştırılmıştır. PA 6/YYPE/PE-gMA(80/20/5) kompozitin çekme mukavemeti 35,3MPa olarak
ölçülmüştür. %1 nanokil çekme mukavemetini 37 MPa’ya
yükseltmiştir. Kompozitteki nanokil oranı %3’e çıkarılınca çekme
mukavemeti 37,8 MPa, %5’e çıkarılınca ise 40,6 MPa olmuştur.
Buradan hareketle yapıya ilave edilen %5 nanokillin çekme
mukavemetinde 13,5 MPa civarında artış meydana getirdiği
görülmektedir. Bu artışın polimer zincirlerinin nanokil tabakalarının
arasına girmesinden, ara yüzeyde yeni bağlar oluşmasından ve
çekme sırasında zincirlerin hareketinin kısıtlanmasından
kaynaklandığı sanılmaktadır.
40
30
20
PA 6/HDPE/PE-gMA/Nanokil (80/20/10/5)
PA 6/HDPE/PE-gMA/Nanokil (80/20/10/3)
PA 6/HDPE/PE-gMA/Nanokil (80/20/10/1)
Malzeme Adı
PA 6/HDPE/PE-gMA/Nanokil (80/20/5/5)
PA 6/HDPE/PE-gMA/Nanokil (80/20/5/3)
PA 6/HDPE/PE-gMA/Nanokil (80/20/5/1)
PA 6/HDPE/PE-gMA(80/20/5)
PA 6/HDPE(80/20)
0
HDPE
10
PA 6
Çekme Dayanımı(MPa)
50
Şekil 11. Polimerik nanokompozitlerin çekme mukavemeti grafiği [39]
3.
Sonuçlar
Yapılan incelemeler sonucunda nano katkıların polimerlerin
çekme mukavemetini doğrudan etkilediği görülmüştür. Bu etkinin
farklı sebepleri vardır. Bunlardan birincisi polimer matrise ilave
edilen nano katkının oranı ile ilgilidir. Çekme mukavemeti için
optimum oran genellikle % 2-5 aralığıdır. Bu oranın değişmesi ile
nano katkının çekme mukavemeti üzerindeki etkinliği azalmaktadır.
Matris içerisindeki nanokatkının artması ile polimer zincirlerinin
oluşumunu olumsuz yönde etkilediğinden, kompozitin çekme
mukavemetini azalttığı düşünülmektedir. Diğer yandan matrise
ilave edilen nanokatkının yetersiz olması durumunda ise
nanokatkıların polimer zincirlerinin hareketlerini yeterince
etkileyemediğinden
çekme
mukavemetini
değiştiremediği
sanılmaktadır. Çekme mukavemetini etkileyen bir diğer
parametrede nano katkıların boyutlarıdır. Artan nanokatkı boyutu ile
genellikle çekme mukavemetine olan olumlu etki azalmaktadır.
Burada nano katkının büyüklüğünün yanında en/boy oranının da
çekme mukavemetini etkilediği tespit edilmiştir. Nano katkıların
çekme sırasında matris ile oluşturdukları ara yüzeyler, polimer
zincirlerinin tabakalar arasına girmesi, matris malzeme ile
aralarında yeni bağlar oluşturması ve yüzey alanlarının geleneksel
makro boyuttaki katkı maddelerine göre büyük olması da çekme
mukavemetini etkileyen diğer önemli özellikleridir.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Kaynaklar
1.
2.
3.
4.
5.
Pul, M., Çalın, R., Çıtak, R., Ulvi Şeker, U., Düşük Takviyeli
MgO-Al Kompozitlerin Vakumlu İnfiltrasyonunda Takviye
Oranının İnfiltrasyon Davranışına Etkisi. Politeknik Dergisi
Cilt:12 Sayı: 3 s. 173-177, 2009
M.E. Tuttle, Structural Analysis of Polymeric Composite
Materials, Marcel Dekker, Inc., 2004.
Çıracı, Si, Özbay, E., Gülseren., O., Demir, H, V., Bayındır,
M., Oral, A., Senger, T., Aydınlı, A., Dana, A., Türkiye‘de
Nanoteknoloji, Bilim ve Teknik Dergisi, Ağustos Sayısı, 4-23,
2005.
Kaya, M., Plastik Nanokompozitler, Pagev Plastik Dergisi,
Mart-Nisan Sayısı, 84, 2003.
Saçaklı, Y., Değişik Partikül Boyutlarındaki Mg(Oh)2 Katkılı
Polipropilen
(Pp)
Nanokompozitinin
Özelliklerinin
12.
13.
14.
15.
16.
İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü,
Marmara Üniversitesi, İstanbul, 2011.
Sheng, N., Boyce, M, C., Parks, D, M., Rutledge, G, C., Abes,
J, I., Cohen, R,E, Multiscale micromechanical modeling of
polymer / clay nanocomposites and the effective clay particle.
Polymer, Vol. 45, 487-506, 2004.
Olad, A., Nanotecnology and Nanomaterials‖ Advences in
Direrse industrial Applications of Nanocomposites. ISBN 976953-307-202-9, 2011.
Sokolov, V. I., and Stankevich, I. V., The fullerenes-New
allotropic forms of carbon: Molecular and electronic structure,
and chemical properties. Russ. Chem. Rev., 62(5) 419–435,
1993.
Nie, B., and Rotello, V., Attachment of fullerenes to materials:
The importance of backbone-fullerene interactions. J. Phys.
Chem. Solids, 58 (11) 1897–1899, 1997.
Ginzburg, B, M.,
Shibaev, L, A., Kireenko, O, F.,
Shepelevskii, A, A, Melenevskaya, E, Y., Ugolkov, V, L.,
Thermal degradation of fullerene containing polymer systems
and formation Of tribo polymer films. Polym. Sci.,A47(2) 160–
174, 2005.
Pesetskii, S, S., Zhdanok, S, A., Buyakov, I, F., Bogdanovich,
S, P., Solntsev, A, P., Krauklis, A,V., Structure and properties
of polyamide 6 modified in melt with carbon nanomaterials.
DokladyNatsionalnoi Academi, Nauk Belarusi (Reports of
National Academy of Science of Belarus), 48(6) 102–107,
2004.
Ke, Y, C., and Stroeve, P, Polymer-Layered Silicate and Silica
Nanocomposites, 3989780080457581, Elsevier, Amsterdam,
2005.
Pomogailo, A, D., Rozenberg, A, S., Ufliand, I, E., Metal
nanoparticles, in Polymers, Khimia, Moscow,(Russian
translation), 2000.
Rong, M, Z., Zhang, M, Q., Liu, H., Zeng, H, M., Wetzel, B..
Friedrich, K., Microstructure and Tribologica lbehavior of
polymeric nanocomposites, Ind.Lubr. Tribol., 53 72–77, 2001.
Rong, M, Z., Zhang, M, Q., Zheng, Y, X., Zeng, H, M.,
Friedrich, K, Improvement of tensile properties of nanoSiO2/PP composites in relation to percolation mechanism.
Polymer, 42 3301–3304, 2001.
Zhang, H., Zhang, Z., Friedrich, K., Eger, C., Property
improvements of in situ epoxy nanocomposites with reduced
Kaştan A. ve Oral O. / B.Ü., MUTEB, 4 (1), 2016
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
interparticle distance at high nanosilica content. Acta Mater., 54
1833–1842, 2006.
Kuo, M, C., Tsai, C, M., Huang, J, C., Chen, M., PEEK
composites reinforced by nano-sized SiO2 andAl2O3
particulates. Mater. Chem. Phys., 90 185–195, 2005.
Chisholm,. N., Mahfuz, H., Rangari, V, K., Ashfaq, A., Jeelani,
S., Fabrication and mechanical characterization of carbon/SiCepoxy nanocomposites. Compos. Struct., 67 115–124, 2005.
Evora, V, M, F., and Shukla, A., (Fabrication, characterization,
and dynamic behavior ofpolyester/TiO2 nanocomposites. Mater.
Sci. Eng. A, 361 358–366, 2003.
Lam, C, K, K., and Lau, T., Localized elastic modulus
distribution of nanoclay/epoxy composites by Using nano
indentation. Compos. Struct., 75 553–558, 2006.
Lin, J, C., L., Chang, C., Nien, M, H., Ho, H, L., Mechanical
behavior of various nanoparticle filled composites at lowvelocity impact. Compos. Struct., 74 30–36, 2006.
Matejka, L., Dukh., O., Kolarik, J., Reinforcement of
crosslinked rubbery epoxies by in situ formed silica. Polymer,
41 1449–1459, 2000.
Wetzel, B., Haupert, F., Zhang, M, Q., Epoxy nanocomposites
with high mechanical and tribological performance. Compos.
Sci. Technol. 63 2055–2067, 2003.
Wetzel, B., Rosso, P., Haupert, F., Friedrich, K., Epoxy
nanocomposites – fracture and toughening mechanisms. Eng.
Fract. Mech., 73 2375–2398, 2006.
Alexandre, M., and Dubois, P., Polymer layered silicate
nanocomposites: preparation, properties and uses of a new class
of materials. Materials Science and Engineering, 28 1-63.
Saçak M., Polimer Teknolojisi, ISBN 975-8895-82-6, 2005.
Haa, S, R., Ryub, S, H., Park S, J., Rheed, K, Y., Effect of clay
surface modification and concentration on the tensile
performance of clay/epoxy nanocomposites, Materials Science
and Engineering A 448 264–268, 2007.
Srınath G., and Gnanamoorthy, R., Effect of nanoclay
reinforcement on tensile and tribo behaviour of Nylon 6,
Journal of Materıals Science 40 2897 – 2901, 2005.
Rajkumar, K., Kumari, N., Ranjith, P., Chakraborty, S, K.,
Thavamani, P., Pazhanisamy., P.Jeyanthi, P., High Temperature
Resistance Properties of NBR Based Polymer Nanocomposites,
International Journal of ChemTech Research, Vol. 3-.3, 13431348, 2011.
41
Kaştan A. and Oral O. / BUJETS, 4 (1), 2016
30. Ismail, H., Pasbakhsh, P., Fauzi, M, N, A., Bakar, A.,
Morphological, thermal and tensile properties of halloysite
nanotubes filled ethylene propylene diene monomer (EPDM)
nanocomposites. Polymer Testing 27 841–850, 2008.
31. Safadı, B., Andrews, R., Grulke, E, A., Multiwalled Carbon
Nanotube Polymer Composites: Synthesis and Characterization
of Thin Films. Journal of Applied Polymer Science, Vol. 84
2660–2669, 2002.
32. Cho, M, J., and Park, B, D., Tensile and thermal properties of
nanocellulosereinforced poly(vinyl alcohol) nanocomposites.
Journal of Industrial and Engineering Chemistry 17 36–40,
2011.
33. Loos, M, R., Pezzin, S, H., Amico, S, C., Bergmann, C, P.,
Coelho, L, A, F., The matrix stiffness role on tensile and
thermal properties of carbon nanotubes /epoxy composites. J
Mater Sci 43.6064–6069, 2008.
34. B. Suresha a., B.N. Ravi Kumar., M. Venkataramareddy., T.
Jayaraju., Role of micro/nano fillers on mechanical and
tribological properties of polyamide 66/polypropylene
composites. Materials and Design 31 1993–2000, 2010.
35. Peng, Q, Y., Cong, P, H., Liu, X, J., Liu, T, X., Huang, S., LI,
T, S., The preparation of PVDF/clay nanocomposites and the
investigation of their tribological properties. Wear 266 713–
720, 2009.
36. Swain, S., Sharma, R, A., Bhattacharya, S., Chaudhary, L.,
Effects of Nano-silica/Nano-alumina on Mechanical and
Physical Properties of Polyurethane Composites and Coatings.
Transactıons On Electrıcal And Electronıc Materıals Vol. 14,
No. 1, Pp. 1-8, 2013.
37. Ozsoy, I., Demirkol, A., Mimaroglu, A., Unal, H., Demir, Z.,
The Influence of Micro- and Nano-Filler Content on the
Mechanical Properties of Epoxy Composites. Journal of
Mechanical Engineering 61 10 601-609, 2015.
38. Sezavar, A., Zebarjad, S., Seyed M., Sajjadi, A., A Study on the
Effect of Nano Alumina Particles on Fracture Behavior of
PMMA.
Technologies.
3,
94-102;
doi:10.3390technologies3020094, 2015.
39. Kaştan, A., PA 6/ PE / Nano-Kil Kompozitlerin Özelliklerinin
İncelenmesi. Doktora Tezi, 2015.
40. Pul, M., Çalın, R., Çıtak, R., Ulvi Şeker, U., Düşük Takviyeli
MgO-Al Kompozitlerin Vakumlu İnfiltrasyonunda Takviye
Oranının İnfiltrasyon Davranışına Etkisi. Politeknik Dergisi
Cilt:12 Sayı: 3 s. 173-177, 2009