Sempozyum Bildirileri Kitabı

Transkript

1. ULUSAL
PLASTİK
TEKNOLOJİLERİ
SEMPOZYUMU
“Plastikler, Polimer Kompozitler,
Şekillendirme Teknolojileri”
BİLDİRİ KİTABI
15-16 EKİM 2015
İSTANBUL
1. Ulusal Plastik Teknolojileri Sempozyumu (UPTS’2015), 15-16 Ekim 2015 İstanbul
ÖNSÖZ
Önemi her geçen gün artan, metallerle rekabet edebilen, özellikleri gelişmiş, hafif,
ortam şartlarına dirençli polimer esaslı malzemelerin kullanımı oldukça
yaygınlaşmıştır. Bunun ötesinde, plastik esaslı ürünlerin imalatının bel kemiğini
oluşturan kalıp, makine gibi ilgili alanlardaki teknolojik gelişmeler dikkate
alındığında, plastik teknolojileri hem ülkemizde, hem de dünyada yadsınamayacak
kadar büyük öneme sahiptir. Beyaz eşyadan, otomotive, havacılıktan, gıda
sektörüne kadar birçok alanda plastikleri ve polimer kompozitleri görmek
mümkündür. Tüm bunların ışığında, I. Ulusal Plastik Teknolojileri Sempozyumu,
“Plastikler, Polimer Kompozitler, Şekillendirme Teknolojileri” (UPTS’2015)
etkinliğini düzenlemek amacıyla, plastiklere, polimer kompozitlere ve ilgili
teknolojilerine gönül verenler olarak çıktığımız bu yolda, bizimle aynı amacı
paylaşan sizlerle bir arada olmaktan onur duyuyoruz.
Yıldız Teknik Üniversitesi’nde birincisini gerçekleştirdiğimiz bu sempozyum ile
sanayi-üniversite iş birliklerini sağlanmak, sektörel ve akademik alanlardaki
araştırma
ve
gelişmeleri paylaşmak, paylaşarak büyümek
ve
çoğalmak
düşüncesinden yola çıkarak sizlerle bir araya gelmeyi hedefledik. UPTS2015’in
sanayiye, akademik camiaya ve tüm katılımcılara faydalı olmasını dilediğimiz
verimli bir etkinlik olmasını arzu ediyoruz.
Sempozyumun gerçekleştirilmesinde yardımlarını esirgemeyen Danışmanlar ve
Bilim Kurulları’na ve destek veren kuruluşlara katkılarından dolayı teşekkür
ederiz.
I. Ulusal Plastik Teknolojileri Sempozyumu’nun, Yıldız Teknik Üniversitesi,
Beşiktaş Kampüsü, Oditoryum Salonunda yapılmasına olanak sağlayan, destek ve
yardımlarını esirgemeyen Yıldız Teknik Üniversitesi Rektörü Sayın Prof. Dr.
İsmail YÜKSEK’e en içten teşekkürlerimizi sunarız.
I. Ulusal Plastik Teknolojileri Sempozyumu’na hoşgeldiniz, katılımlarınız için
teşekkür ederiz.
Doç. Dr. Mihrigül EKŞİ ALTAN
UPTS Düzenleme Kurulu Başkanı
KURULLAR
Onursal Başkan
Prof.Dr. İsmail Yüksek (Rektör)
Danışmanlar Kurulu
Prof.Dr. Faruk Yiğit (Makine Fakültesi Dekanı)
Prof.Dr. Ayşegül Akdoğan Eker (Makine Mühendisliği Bölüm Başkanı)
Prof.Dr. Hüseyin Sönmez
Prof.Dr. Erhan Altan
Düzenleme Kurulu
Prof.Dr. İsmail Teke
Prof.Dr. Hüseyin Yıldırım
Prof.Dr. Özgen Ü. Çolak Çakır
Doç.Dr. Zehra Yumurtacı
Doç.Dr. Mihrigül Ekşi Altan (Sempozyum Başkanı)
Yrd.Doç.Dr. İbrahim Şahin
Dr. Alper Uysal
Bilim Kurulu*
Hamit Akbulut (Atatürk Üniversitesi)
Armağan Arıcı (Kocaeli Üniversitesi)
Pınar Çamurlu (Akdeniz Üniversitesi)
İsmet Çelik (Dumlupınar Üniversitesi)
Mehmet Ali Gürkaynak (İstanbul Üniversitesi)
Rasim İpek (Ege Üniversitesi)
Ahmet Koyun (Yıldız Teknik Üniversitesi)
Yusuf Menceloğlu (Sabancı Üniversitesi)
Nihan Nugay (Boğaziçi Üniversitesi)
Turgut Nugay (Boğaziçi Üniversitesi)
Mustafa Öksüz (Marmara Üniversitesi)
Mualla Öner (Yıldız Teknik Üniversitesi)
Binnur Sağbaş (Yıldız Teknik Üniversitesi)
Tülin Şahin (Kocaeli Üniversitesi)
Sinan Şen (Yalova Üniversitesi)
Metin Tanoğlu (İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü)
Münir Taşdemir (Marmara Üniversitesi)
Vedat Temiz (İstanbul Teknik Üniversitesi)
Sevgi Ulutan (Ege Üniversitesi)
Deniz Uzunsoy (Bursa Teknik Üniversitesi)
Ahmet Ünal (Yıldız Teknik Üniversitesi)
Hale Berber Yamak (Yıldız Teknik Üniversitesi)
Ülkü Yılmazer (Orta Doğu Teknik Üniversitesi)
*Bilim kurulu, soyadı sıralı olarak listelenmiştir.
Davetli Konuşmacılar
Murat Akyüz (İKMİB)
Zafer Gemici (MİR Ar-Ge)
Oğuzhan Gürlek (PAGDER)
Erkan Ateş (3D Design Technologies)
Metin Bilgili (Arçelik)
Aykut Filiz (Üçgen Yazılım)
Faruk Ünlüuysal (DSM Mühendislik Plastikleri)
DESTEK VEREN KURULUŞLAR
İÇİNDEKİLER
Nano-Kalsit (CaCO3) Dolgulu Termoplastik Kompozitlerin Hazırlanması ve
Karakterizasyonu
Esin Kızıltepe ve Metin Tanoğlu
1
Lazer Sinterleme Yöntemi ile Hızlı Prototipleme Üretiminde Kullanılan Plastik
Tozlar ve Uygulama Alanları
İsmet Çelik, Feridun Karakoç ve Begüm Şengün
11
Üç Boyutlu Yazıcılar İle Polyamid Tozlarından Eğitim Materyalleri Yapılması ve
İmalat Optimizasyonu
İsmet Çelik, Ebubekir Can Güneş ve Feridun Karakoç
19
Poliamid 6/Polipropilen (PA 6/PP) Karışımlarının Yapı ve Özellikleri
Eylem Karadeniz Öz, İdris Karagöz ve Mustafa Öksüz
31
Polipropilen’in Hasar Davranışı Üzerinde Mullin Etkisinin İncelenmesi
Necmi Düşünceli
41
Geri Dönüştürülmüş PET/Polikarbonat Harmanlarının Özelliklerinin Zincir
Uzatıcı Kullanılarak İyileştirilmesi
Okan Gül, Nevin Gamze Karslı, Sinan Yılmaz ve Taner Yılmaz
51
Isıl Yaşlanma ve Takviye Malzemesi Türünün Poli(Eter Eter Keton)
Kompozitlerin Özellikleri Üzerine Etkisi
Şadi Demirkol, Nevin Gamze Karslı ve Taner Yılmaz
59
Vinilester Reçine Sistemlerinde Kürlenme Geciktiricilerin Kürlenme Mekanizması
Üzerine Etkisinin İncelenmesi
Ayşe Begüm Baş, Betül Kahraman, Duygu Gülfem Baydar, Mustafa Doğu, Aylin
Bekem ve Ahmet Ünal
67
Polipropilen (PP) Toz Kaplı E-Camı Elyafların Çekme Özelliklerinin İncelenmesi
Duygu Gülfem Baydar, Aylin Bekem, Mustafa Doğu ve Ahmet Ünal
73
Elyaf Sarma Yöntemiyle Termoplastik Kompozit Üretimi
Burçin Özbay, Aylin Bekem ve Ahmet Ünal
81
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile Boru Ekstrüzyonu Kalıbı Tasarımı
Dilay Serttan ve Mustafa Doğu
91
Otomotiv Sektörüne Yönelik Yüzey Desenli Araç İçi Fonksiyonel Plastik Parça
Enjeksiyon Kalıp Tasarımı
Y. Erdem Ayan, N. A. Serhat Gündoğdu, Gökhan Güven ve İ. Mehmet Palabıyık
99
v
Ekstrüzyon Koşullarının Son Ürüne Etkisi Üzerine Bir Uygulama
Göksenin Kurt Çömlekçi
109
Alçak Yoğunluklu Polietilenin Mor Ötesi Işınlara Karşı Kararlı Kılınması
Güneş Boru İzmirli, Sevgi Ulutan ve Pınar Tüzüm Demir
117
Polimerik Malzemeler için ‘Overstress’ kavramına dayanan viskoplastisite teorisi
(VBOP)
Özgen Ü. Çolak Çakır
127
PE Levhaların Sürtünme Karıştırma Kaynağı ile Birleştirilmesinde Dalma ve
Bekleme Süresinin Etkisi
İdris Karagöz ve Mustafa Öksüz
135
Gün Işığından Yoksun Uzun Süreli Depolanan Polipropilen Blok
Kopolimer/Kalsiyum Karbonat/Tinkal Hibrit Kompozitlerin Çekme Özellikleri
Şenol Şahin, Şeyma Melike Tatas ve Burhan Çeliksöz
141
Mikropartikül Taneli Kolemanit Bor Maddesinin Polipropilen Random Kopolimer
Malzemenin Termal Özelliklerine Etkisi
Tülin Şahin, Ece Cengiz Yücel ve Şenol Şahin
151
Geridönüşüm Poli(Etilentereftalat) (R-PET)-Polipropilen (PP) Harmanlarının
Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi
Tuğba Güven, İsminur Gökgöz Erkoç, Muhammet Sözer, Fatih Yıldırım ve
Mustafa Doğu
161
Kestane Ağacı Talaşı ve Farklı İnorganik Dolgular ilave Edilmiş Dökme
Polimetilmetakrilat Hibrit Kompozitlerin Mekaniksel Özelliklerinin İncelenmesi
İlyas Kartal, Halil Demirer ve Kenan Büyükkaya
167
Karbon/Cam ve Kevlar Kumaşlarla Takviyelendirilmiş Epoksi Hibrit
Kompozitlerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi
İlyas Kartal ve Halil Demirer
175
Yalın ve Karbon Siyahı Katkılı Polipropilen ve Polyamid Malzemelerin Matkapla
Delinmesinde Takım Aşınması
Alper Uysal ve Erhan Altan
181
Polimer Esaslı Kalça Protezlerinin Yüzeylerinde Sürtünmeye Bağlı Oluşan
Sıcaklık Artışının Belirlenmesi
Binnur Sağbaş ve M. Numan Durakbaşa
189
Polimer/Metal Hibrid Yapıların Plastik Enjeksiyon Kalıplama
Şekillendirilmesi
Mihrigül Ekşi Altan ve Burak Yavuz
199
vi
ile
NANO-KALSİT (CaCO3) DOLGULU
TERMOPLASTİK KOMPOZİTLERİN
HAZIRLANMASI VE KARAKTERİZASYONU
Esin Kızıltepea ve Metin Tanoğlub
a
İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği,
İzmir/TÜRKİYE, [email protected]
b
İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği,
İzmir/TÜRKİYE, [email protected]
Özet
Nano partikül dolgulu polimer kompozitler, yüksek mekanik ve termal özellikler yanında,
çözücülere karşı dayanıklı olmaları gibi üstün performansı nedeniyle son yıllarda,
araştırmacıların ve endüstrinin ilgi odağındadır. Bu çalışmada, nano-kalsit (CaCO3) dolgulu
polipropilen (PP) ve polietilen (PE) kompozitler çift vidalı ekstrüder kullanılarak
üretilmiştir. Mekanik test numuneleri enjeksiyon kalıplama yöntemiyle üretilmiştir. Kalsit
ilavesinin saf PP ve PE plastiklerinin fiziksel ve mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir.
Deneyler sonucunda, CaCO3 ilavesi saf PP ve PE ‘nin elastiklik modülü, eğilme modülü ve
eğilme mukavemetinde artış sağlamıştır. En yüksek mukavemet değerleri, yüzey modifiyeli
kalsit içeren kompozitlerde elde edilmiştir.
Anahtar kelimeler: kalsit, nano, termoplastik, ekstruder, enjeksiyon
PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF
NANO-CALCITE (CaCO3) FILLED
THERMOPLASTIC COMPOSITES
Abstract
Nano-sized particle filled polymer composites have been received great attention of
scientists in recent years due to their unique properties, including high mechanical strength,
thermal and solvent resistance. In this study, nano-sized calcite (CaCO3) filled
polypropylene (PP) and polyethylene (PE) composite blends were prepared using a corotational twin screw extruder. Mechanical test coupons were prepared by injection
moulding. The effects of calcite reinforcement on the physical and mechanical properties of
neat polymers were determined. CaCO3 had a positive effect on elastic modulus of
composites. The Elastic modulus of composite specimens reinforced with coated calcite
were higher than those of specimens reinforced with uncoated calcite.
Keywords: calcite, nano, thermoplastic, extruder, injection moulding
1. Giriş
Son yıllarda termoplastik malzemelerden çeşitli üretim yöntemleri ile elde edilen plastik
ürünler; otomotiv sektöründen elektronik ev aletlerine, bilgisayar sistemlerinden beyaz eşya
üretimine, uzay teknolojilerinden sanatsal ekipmanlara kadar birçok alanda
1
kullanılmaktadır. Bu malzemelerin kolay biçim verilebilir olması, metallere oranla düşük
yoğunlukta olması, üstün yüzey kalitesi ve korozyona karşı dayanımı ilgilerin plastiğe
yönelmesindeki önemli etkenlerdendir. Termoplastik malzemelerden başlıca polipropilen
ve polietilen dayanıklılık, sağlamlılık, kolay işlenebilme, dielektrik özelliklerinin üstünlüğü
ve maliyetinin düşük olması sebebiyle günümüzde en çok tercih edilen termoplastik
malzemeler arasında yer almaktadır. Ancak belirtilen tüm bu alanlarda ürünlerden beklenen
özellikleri sağlamak saf haldeki polimerlerle mümkün olmamaktadır. Düşük modül, yüksek
çentik duyarlılığı, düşük darbe dayınımına sahip olmalrı gibi dezavantajları sebebiyle
kullanım alanları sınırlıdır. Bu sebeple polimerler üzerinde çeşitli modifikasyonlar
yapılarak birçok özellikleri istenildiği gibi değiştirilebilmektedir. Böylece bu malzemelerin
mekanik özelliklerinde daha yüksek performans elde edilmekte ve buna bağlı olarak
kullanım alanları genişlemektedir [1].
Yukarıda belirtilen sorunları gidermek amacıyla PP ve PE genelllikle dolgu malzemeleri
kullanılarak kompozit malzeme haline getirilir. Dolgu malzemelerinin üretim maliyetini
düşürmesi, kolay bulunabilmesi, üretim esnasında makinede düşük aşınma ve proses
ekipmanlarına daha az zarar vermeleri kullanımlarını yaygınlaştırmıştır Plastik malzemeler
ile en yaygn olarak kullanılan inorganik dolgu malzemesi kalsiyum karbonat (CaCO 3) ‘tır.
[2]. Kalsitin tanecik boyutu ticari olarak genellikle 1-50 µm arasındadır. Birçok çalışmanın
sonucunda mikron boyuttaki kalsit ile yapılan çalışmalarda mekanik özelliklerin
gelişiminin düşük oranlarda olduğu ortaya çıkmştır. Bunun sebebi polimer ve dolgu
malzemesi arasındaki zayıf etkileşimdir. Ancak kalsit tanecik boyutu mikrondan nano
boyuta doğru düşdükçe polimer ve dolgu malzemesi arasındaki etkileşimin arttığı
gözlemlenmiştir. Molekiller arasındaki etkileşimin güçlenmesiyle beraber mekanik
özelliklerdeki gelişimin arttığı gözlemlenmiştir.
Son yıllarda polimerlerin mekanik özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla nano boyuttaki
CaCO3 kullanımı bilim adamlarının dikkatini çekmektedir. Wang (2003) dolgu malzemesi
olarak kullanılan stearik asit yüzey modifikasyonlu nano- CaCO3 ile PP’nin mekanik
özelliklerinde önemli derecede artış olduğunu gözlemlemiştir[3]. Ma (2005) nano- CaCO3
dolgu malzemesi kullanarak PP ile ürettiği kompozitlerin çentikli darbe dayanımında
yüksek oranda artış olduğunu göstermiştir [4] Yapılan birçok bilimsel araştırma mikron
boyuttaki kalsiyum karbonatın kompozitlerin mekanik özellikleri üzerindeki etkisi
üzerinedir ancak nano boyuttaki kalsiyım karbonatın kompozitlerin mekanik termal ve
morfolojik özellikleri üzerindeki etkisi ile ilgili yapılan çalışmalar sınırlıdır. Bu sebeple bu
çalışmada dolgu malzemesi olarak ağırlıkça farkı oranlarda (ağ.%0-30) nano- CaCO3 ile
PP ve PE polimerleri kullanılarak termoplastik kompozitler çift vidalı ekstruder
kullanılarak üretilmiştir. Standartlara uygun olarak enjeksiyon kalıplama yöntemiyle
üretilen çekme ve eğilme testi numuneleri mekanik testleri yapılmştır Kalsit dolgu
malzemesinin saf polimerin morfolojik, termal ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi
incelenmiştir.
2. Deneysel
2.1 Malzemeler
CaCO3/PE nano kompozit üretiminde polimer matris malzemesi olarak kullanılan PE
‘PETİLEN YY S 0464’ ticari ismi ile PETKİM Petrokimya Holding A.Ş.,Türkiye
tarafından sağlanmıştır. CaCO3/PP nano kompozit üretiminde polimer matris malzemesi
olarak kullanılan PP ‘PETOPLEN MH-418’ ticari ismi ile PETKİM Petrokimya Holding
A.Ş.,Türkiye tarafından sağlanmıştır.
2
Bu çalışmada, dolgu malzemesi olarak kullanılan ‘N1’ ve ‘N1-C’ ticari isimli yüzeyleri
stearik asit ile modifiye edilmiş ve edilmemiş 50 nm tanecik boyutundaki iki çeşit kalsit
tozu ADAÇAL End. Min. A.Ş.,Türkiye tarafından sağlanmıştır.
2.2 Numune Hazırlama
Kalsit (CaCO3) neme karşı duyarlı bir malzemedir. Bu sebeple, ilk olarak 3 saat boyunca 80
o
C sıcaklıkta kalsitin kurutma işlemi gerçekleştirilir. Bu kurutma işlemi Şekil 1’de
gösterilen hava sirkülasyonlu kurutma cihazında gerçekleştirildi.
Şekil 1. Hava Sirkülasyonlu Kurutma Cihazı
CaCO3/PP ve CaCO3/PE nanokompozitler dolgu malzemesi oranı ağırlıkça 0-30 %
(0,5,10,15,20,25,30) olarak ayrı ayrı hazırlanmıştır. Polimer malzeme ile dolgu
malzemesinin birleştirilmesi Şekil 2’de gösterilen çift vidalı ekstruder ‘Thermofisher
(Eurolab 16 mm)’ kullanılarak yapılmıştır. Bu aşamada ekstrüder sıcaklık bölgeleri
CaCO3/PP için 130/ 140/160/170/180/190/200/200/180/180°C olarak ayarlanmıştır. Vida
hızında 125 rpm kullanılmıştır. Ekstruder L/D (boy/çap oranı) 40, D=16 mm ‘dir.
Şekil 2. Thermofisher (Eurolab 16 mm) Çift Vidalı Ekstruder Makinesi
Ekstruderde hazırlanmış, granüle edilmiş numuneler Şekil 3’de gösterilen enjeksiyon
kalıplama makinesi ile çekme ve eğilme test numuneleri standartlara uygun olarak elde
edilmiştir.
Şekil 3. Enjeksiyon Kalıplama Makinesi
3
2.3 Morfolojik Özelliklerin İncelenmesi
Polimer ve dolgu malzemesi arasındaki etkileşimin morfolojik olarak incelenmesi ‘Phillips
XL-30S FEG’ marka elektron taramalı mikroskobu (SEM) kullanılarak yapılmıştır. SEM
için hazırlanan numuneler ilk olarak inert ve geçirgen bir yüzey elde etmek için vakum
altında 40 Ǻ kalınlıkta altınla kaplandı.. Cihaz çalışma gerilimiı 20 kV olarak
ayarlandı.Numunelerden farklı büyütme oranlarında görüntüler alındı.Bu cihaz yardımıyla
elde edilen görüntülerden yapı ve özellikleri arasındaki ilişkiler belirlendi.
2.4 Mekanik Özelliklerin Değerlendirilmesi
Enjeksiyonla kalıplamayla elde edilen çekme testi numuneleri ASTM D 412 standardına
uygun olarak ‘Shimadzu AG-I 50 kN’ marka çekme cihazı ile çekme testine tabi tutuldu.
Enjeksiyon kalıplama ile 10’ar adet basılan numunelerin beş tanesi teste tabi tutuldu.Çekme
testi sırasında çekme hızı olarak, 30 mm/dk kullanıldı (Şekil 4). Her bir kompozit seri için 5
adet numune test edilmiştir. Video extensometre yardımı ile stress altında gerilme
ölçülmüştür.
Şekil 4. Çekme Testi Cihazı
Eğilme testi için hazırlanmış olan kompozit numunelerin üç noktadan eğilme testi cihazı ile
tesst edilmiştir. Numunelerin üç noktadan eğme testi, EN ISO-178 test standardına göre 2
mm/dk hızla yapıldı. Yük altındaki test numunesi Şekil 5’te gösterilmiştir.
Şekil 5. Üç Nokta Eğilme Testi
2.5 Termal Ozellikler
Polipropilen ve polietilenin kristalleşme sıcaklığı (Tc) ve erime sıcaklığı (Tm) gibi termal
değerlerinin tayini için Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) yöntemi kullanılarak ‘TA
instrument Q10’ cihazı ile ölçülmüştür. Isıtma hızı 10°C/min olarak ayarlanmıştır. Erime
4
Sıcaklığını ölçmek için polimerler ilk olarak -10°C’den 300°C değerine kadar ısıtılmıştır. 5
dakika bu sıcaklıkta bekletildikten sonra kristalleşme sıcaklığını ölçmek için -10°C
sıcaklığına kadar soğutulmuştur.
Sıcaklık etkisiyle polipropilen ve polietilende meydana gelen kütle kaybı Termogravimetrik
analiz yöntemiyle (TGA) ölçülmüştür. Bu yöntem için kullanılan cihaz ’Perkin Elmer
Diamond thermo gravimetric analyzer’dır. Deneyler 25-600 oC sıcaklıkları arasında
10°C/min ısıtma hızıyla, 50 ml/min nitrojen akımıyla yapılmıştır.
3. Sonuç ve Tartışma
3.1 Mekanik Özellikler
Şekil 6 % CaCO3 içeriğinin. 30 mm/dk hızla çekme testine tabi tutulan CaCO 3/PP
nanokompozitlerin elastik modülüne etkisini göstermektedir. Şekil 7 % CaCO 3 içeriğinin
30 mm/dk hızla çekme testine tabi tutulan CaCO3/PE nanokompozitlerin elastik modülüne
etkisini göstermektedir.
Şekil 6. %CaCO3 içeriğinin CaCO3/PP
nanokompozitlerin elastik modülüne etkisi
Şekil 7. %CaCO3 içeriğinin CaCO3/PE
nanokompozitlerin elastik modülüne etkisi
Şekil 6-7’de gösterildiği üzere yüzeyleri stearik asit ile modifiye edilmemiş CaCO3
yüzeyleri stearik asit modifikasyonlu kalsit tozuna oranla nanokompozitlerin elastik
modülü üzerinde daha düşük bir etkiye sahiptir. CaCO3/PP ve CaCO3/PE nanokompozitleri
için en yüksek değeri %30 CaCO3 içeriği vermiştir. En düşük elastic modül değeri ise %5
CaCO3 içeriğinde gözlemlenmiştir.
Şekil 8. %CaCO3 içeriğinin CaCO3/PP
nanokompozitlerin eğilme modülüne etkisi
Şekil 9. %CaCO3 içeriğinin CaCO3/PE
nanokompozitlerin eğilme modülüne etkisi
5
Şekil 8-9 %CaCO3 içeriğinin CaCO3/PP ve CaCO3/PE nanokompozitlerinin eğilme modülü
üzerindeki etkisini göstermektedir. Şekillerde görüldüğü üzere eğilme modülü %CaCO3
içeriğinin artmasıyla beraber artış göstermektedir.
3.1 Morfolojik Özellikler
Şekil 10(a) ağırlıkça % 5 oranında kalsit tozu içeren CaCO₃/PP nanokompozitlerin 5000
oranında elde edilmiş görüntüsüdür. Şekil 10(b) ise ağırlıkça %30 oranında kalsit tozu
içeren CaCO₃/PP nanokompozitlerin SEM görüntüsüdür.
Şekil 10(a) %5 CaCO₃ içeren CaCO₃/PP
nanokompozitlerin SEM görüntüsü
Şekil 10(b) %30 CaCO₃ içeren CaCO₃/PP
Nano taneciklerin dağılımı kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini büyük oranda
etkilemektedir. Şekil 10(a)’da görülen topaklanmalar birçok nano boyuttaki taneciğin bir
araya gelmesiyle oluşmuştur..SEM görüntüleri doğrultusunda CaCO₃ tanecik boyutu
yaklaşık olarak 50 nm olarak ölçülmüştür.
Şekil 11(a) ağırlıkça % 5 oranında kalsit tozu içeren CaCO₃/PE nanokompozitlerin 5000
oranında elde edilmiş görüntüsüdür. Şekil 11(b) ise ağırlıkça % 30 oranında kalsit tozu
içeren CaCO₃/PE nanokompozitlerin SEM görüntüsüdür.
Şekil 11(a) %5 CaCO₃ içeren CaCO₃/PE
Şekil 11(b) %30 CaCO₃ içeren CaCO₃/PE
3.2 Termal Özellikler
Şekil 12(a-b)’de CaCO₃/PP ve CaCO₃/PE nanokompozitlerin TGA grafikleri
gösterilmektedir. Her iki sistemde 400 °C sıcaklıkta kütle kaybı en düşük seviyededir.
6
5-uc-pe
10-uc-pe
15-uc-pe
20-uc-pe
25-uc-pe
30-uc-pe
100
Weight loss (%)
80
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Temperature (0C)
Şekil 12(a). CaCO₃/PP nanokompozitlerin
TGA grafiği
Şekil 12(b). CaCO₃/PE nanokompozitlerin
TGA grafiği
Yukarıda verilen TGA grafiklerinde görüldüğü üzere saf PP ve PE polimerlerinin ilk
bozunma sıcaklık değerleri kompozitlere oranla daha düşüktür. Dolgu malzemesinin ilave
edilmesiyle beraber kompozitler daha yüksek sıcaklık değerlerinde bozunmaya
başlamaktadır.
Şekil 13(a-b)’de gösterilen grafikler CaCO₃/PP ve CaCO₃/PE nanokompozitlerin DSC
grafikleridir.
35
25
5-uc-pp
10-uc-pp
15-uc-pp
20-uc-pp
25-uc-pp
30-uc-pp
Heat Flow (mW)
15
25
20
10
5
0
-5
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-10
-15
-50
5-uc-pe
10-uc-pe
15-uc-pe
20-uc-pe
25-uc-pe
30-uc-pe
30
Heat Flow (mW)
20
-25
0
50
100
150
200
250
300
-30
-50
350
0
50
100
150
200
250
300
350
Temperature ( oC)
o
Temperature ( C)
Şekil 13(a) CaCO₃/PP nanokompozitlerin
DSC grafiği
Şekil 13(b) CaCO₃/PE nanokompozitlerin
DSC grafiği
Yukarıda verilen DSC grafiklerine göre kristalleşme sıcaklığı değeri kalsit ilavesi ile
artmaktadır. Kalsit tozu ilavesi ile Tm değerlerinde önemli olmayan bir yükselmenin
olduğu tepit edildi. Isıtma esnasında PP 167°C’de, PE ise 137°C’de T m değerini verdiği
belirlendi. PP’in kristalleşme sıcaklığı 109°C, PE’nin ise Tc değeri 118°C olduğu tespit
edildi.
7
4. Sonuç
Bu çalışmada ağırlıkça farklı oranlarda kalsit tozu içeren CaCO3/PP ve CaCO3/PE
nanokompozitleri çift vidalı ekstruder kullanılarak üretilmiştir. Elde edilen granül
şeklindeki kompozit malzemeler enjeksiyon kalıplama yöntemiyle standartlara uygun bir
şekilde çekme ve eğilme test numuneleri haline getirilmiştir. Dolgu malzemesi olarak
kullanılan kalsit tozunun PP ve PE polimerleri üzerindeki morfolojik, termal ve mekanik
özellikleri incelenmiştir.
Deneyler sonucunda, kalsit ilavesi saf PP ve PE ‘nin elastiklik modülü, eğilme modülü ve
eğilme mukavemetinde artış sağlamıştır. En yüksek mukavemet değerleri, yüzey modifiyeli
kalsit içeren kompozitlerde elde edilmiştir. Yüzeyleri stearik asit ile modifiye edilmemiş
CaCO3 yüzeyleri stearik asit modifikasyonlu kalsit tozuna oranla nanokompozitlerin elastik
modülü üzerinde daha düşük bir etkiye sahiptir. CaCO 3/PP ve CaCO3/PE nanokompozitleri
için en yüksek değeri %30 CaCO3 içeriği vermiştir. En düşük elastic modül değeri ise %5
CaCO3 içeriğinde gözlemlenmiştir. %CaCO3 içeriğinin CaCO3/PP ve CaCO3/PE
nanokompozitlerinin eğilme modülü üzerindeki etkisini göstermektedir. Şekillerde
görüldüğü üzere eğilme modülü %CaCO3 içeriğinin artmasıyla beraber artış
göstermektedir. TGA analizlerine göre ilk bozunma sıcaklığı kalsit tozunun etkisiyle
nanokompozitlerde saf polimere oranla daha yüksek değerlerde başladığı
gözlemlenmektedir. DSC analizlerine göre kristalleşme sıcaklığı değeri kalsit ilavesi ile
artmaktadır. Kalsit ilavesinin erime sıcaklığına bir etkisi olmadığı gözlemlenmiştir.
Teşekkür
Çalışmalarımı yönlendiren, araştırmalarımın her aşamasında bilgi, öneri ve yardımlarını
esirgemeyern danışman hocam sayın Prof. Dr. Metin TANOĞLU’na, yüksek lisans
eğitimim süresince her konuda desteklerini ve yardımlarını aldığım araştırma görevlisi
sayın Bertan BEYLERGİL’e ve her zaman yanımda olan aileme en derin duygularla
teşekkür ederim. Ayrıca bu çalışma için gerekli olan ham maddelerin sağlanmasında bana
yardımcı olan ADAÇAL End. Min. A.Ş.’ye ve PETKİM Petrokimya Holding A.Ş.’ye
sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Semboller Listesi
E
Ǻ
Tg
Tm
L/D
ε
σ
°
C
Ef
: Elastiklik Modülü
: Angstron
: Camsı Geçiş Sıcaklığı
: Erime Sıcaklığı
: Boy/Çap Oranı
: Uzama Oranı
: Uygulanan Gerilme
: Santigrat Derece
: Eğilme Modülü
8
Kaynaklar
[1] Yang, J., Yang, Q., Li, G., Sun, Y. and Feng, D. 2006, “Morphology and mechanical
properties of polypropylene/calcium carbonate nanocomposites”, Materials Letters, Volume
60, Page 805
[2] Hanim, H., Zarina R., Ahmad Fuad, MY., Ishak, ZA. and Hassan A. 2008, “The Effect
of Calcium Carbonate Nanofiller on the Mechanical Properties and Crystallisation
Behaviour of Polypropylene”, Malaysian Polymer Journal, Volume 3, Page 38
[3] Wang, K., Wu, J., Ye, L. and Zeng H. 2003, Composites Part , 43, 2981
[4] Ma, C.G., Rong,M.Z. and Friedrich, K. 2005, Polymer Engineering & Science, 529
9
10
LAZER SİNTERLEME YÖNTEMİ İLE HIZLI
PROTOTİPLEME ÜRETİMİNDE KULLANILAN
PLASTİK TOZLAR VE UYGULAMA ALANLARI
İsmet Çelika, Feridun Karakoçb ve Begüm Şengünc
a
Dumlupınar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü,
Kütahya/TÜRKİYE, [email protected]
b
c
Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,Makine Mühendisliği ABD,
Özet
Hızlı prototipleme teknolojileri günümüzde yaygın olarak Ar-Ge ve endüstriyel imalat
alanlarında kullanılmaya başlanan teknolojilerdir. Prototipleme teknolojilerinden en yaygın
kullanılanları SLS (Selective Laser Sintering) – Seçici Laser Sinterleme Yöntemi, 3DP (3
Dimensional Printing) – 3 Boyutlu Yazıcı ve FDM (Fused Deposition Modelling) –
Yığarak Biriktirme Yöntemleridir. Bu bildiri de plastik tozlarının sinterlenerek
birleştirildiği Lazer Sinterleme Yöntemi, bu teknolojide kullanılan tozlar ve toz çeşidine
göre üretilen parçaların fiziksel ve mekanik özellikleri açıklanacaktır.
Anahtar kelimeler: Seçici lazer sinterleme, hızlı prototipleme, 3 boyutlu yazıcı, polyamid
PLASTIC POWDERS WHICH ARE USED IN RAPID
PROTOTYPING BY LASER SINTERING METHOD
AND APPLICATION AREAS
Abstract
Today, rapid prototyping technology is a technology that is started to use at AR-GE and
industrial manufacture area commonly. The common forms of prototyping technology are
SLS (Selective Laser Sintering), 3DP (3 Dimensional Printing) and FDM (Fused
Deposition Modelling). In this paper, laser sintering method which plastic powders are
combined by sintering, powders which are used in this technology and the physical and
mechanical features of produced parts in view of differences of the powders will be
explained.
Keywords: Selective laser sintering, rapid prototyping, 3 dimensional printing, polyamide
1. Giriş
Lazer teknolojisi, birçok üstünlükleri nedeniyle sanayisi gelişmiş ülkelerin endüstrisinde
belirleyici olmaktadır. Lazerli üretim, ölçme, analiz ve muayene yöntemleri birçok
konvansiyonel yöntemin yerine tercih edilmektedir. Lazerli kaynak ve lehim, lazerli kesim,
delme yöntemleri, bilinen konvansiyonel kaynak ve lehim, kesme ve delme yöntemlerin
yerini almıştır. Benzer uygulamalar lazerli ölçme ve muayene yöntemlerinde de
gözlenmektedir. Lazerli multi üretim yöntemleri ile dayanıklı, güvenilir, hafif ve yüksek
11
kaliteli araçlar üretilmektedir. Eskiden konvansiyonel yöntemlerle teknik ve/veya maliyet
acısından mümkün olmayan tasarımlar günümüzde lazerli üretim yöntemleri ile mümkün
olabilmektedir. Dünya pazarlarında rekabet edebilmek için mutlaka bu teknolojik
gelişmeleri, yenilikleri takip etmek, geliştirmek ve uygulamak zorunlu hale gelmiştir.
Lazer teknolojisinin imalat alanında uygulanan en ileri seviyesi sinterleme yöntemidir.
Lazer sinterleme ile polyamid ve metal tozları katman katman birleştirilerek parça inşa
edilir. Üretilecek parça z-ekseninde dilimlere ayrılarak her katmanda bir dilim üretilir.
Katmanlı imalat olarak da adlandırılan bu teknolojinin başlıca üstünlüğü parça
karmaşıklığının sorun teşkil etmemesi ve 0,5 mm et kalınlığına kadar parçaların
üretilebilmesidir. Hem prototip hem de fonksiyonel parçalar üretilebilir. Kullanılan tozlar
yaklaşık 50 µm boyutlarındadır.
Tarihsel geçmişine bakıldığında, 1993 lü yıllarda başlayan Katmanlı İmalat teknolojilerinin
hızla gelişmeye başladığı ve günümüzde 1,500 Milyon Dolar’dan daha fazla Endüstriyel
yatırım yapılacak duruma geldiği görülmektedir[1]. Prototiplemede ve doğrudan
fonksiyonel parça yapımında kullanılan bu yöntem ticaret, araştırma ve eğitim alanlarında
önemli yenilikler getirmektedir. Bu teknolojinin temeli topoğrafya ve heykeltraşcılığa
dayanır[2]. 1972’de başlayan ilk uygulamalarında bir ışın çubuğu ile toz yığma şeklinde
başlamış olan bu teknoloji günümüz ileri tasarım ve imalat alanında, mekanik parça
tasarımı, proses modelleme ve kontrol, biyomedikal uygulamalar gibi bir çok alanda
kullanılmaya başlanmıştır. Üretim serbestliği olan ve serbest imalat olarak da adlandırılan
bu imalat yönteminde, üretilecek parça için herhangi bir geometri kısıtlaması yoktur. Lazer
sinterleme tabanlı hızlı prototipleme teknolojilerinde toz haldeki polyamid, cam esaslı
polyamid, alüminyum esaslı polyamid, karbon elyaflı polyamid, polystren, kobalt-krom,
titanyum, alüminyum, paslanmaz çelik ve altın malzemelerin tozları sinterlenerek parça
imal edilir. Yapılacak araştırma çalışmaları ile diğer elementlerin tozlarının da kullanılması
mümkün olabilir. Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı katmanlı imalat teknolojileri,
imalat alanında çok büyük yenilikleri ve kolaylıkları sunan, ileri imalat teknolojileridir.
Lazer sinterleme ile katmanlı imalatın yapıldığı tozlar hakkında literatür incelemesi
yapıldığında tespit edilen önemli çalışmalardan bazıları aşağıda verilmiştir.
Yan ve arkadaşları SLS teknolojisinde parça yoğunluğuna göre lazer enerji yoğunluğunun
elastikiyet modülü, mikroskobik yapı ve boyutsal doğruluk üzerindeki etkilerini araştırdılar.
Çalışmaları sonunda 0.08 J/mm2’lik enerji yoğunluğu ile en yüksek boyutsal doğruluğun
elde edilebileceğini tespit ettiler ve önerdiler [3]. Polimer tozları termal iletkenlik, termal
difüzyon gibi karakterlere sahip metal tabanlı tozlardan farklı olarak SLS gibi üretimlere ısı
transferi gibi davranışlarında kendine özgü davranışlar gösterirler. Polimerler düşük
sinterlenme sıcaklığı (<200 ⁰C) ve düşük termal iletkenlik (<1 W/m⁰K) gösterirler [4].
Franco ve arkadaşları yaptıkları araştırma sonunda polyamidin sinterlenmesinde 0.015 – 3.3
J/mm2 arasında alan enerji yoğunluğu ile çalışılırken prosesin faal toplam enerji
yoğunluğunun 0.2-0.6 J/mm3 arasında değişen düşük değerlerde olduğunu göstermiştir.
SLS üretim sistemlerinde tozun sinterlendiği üretim hacmi ön ısıtmaya tabi tutulur. En iyi
sonuçlar ön ısıtmanın yapılmadığı durumda 0.02-0.08 J/mm2 enerji yoğunluğu ile elde
edildi. Bir lazer sinterleme sisteminde enerjinin %35 i ön ısıtma odasında, %20 si piston
motorunun step motorunda, %20 si lazerde ve %20 si yuvarlanma motorlarında harcanır
[4].
Slazar ve arkadaşları SLS teknolojisinde kullanılan PA12 (petrol tabanı polyamid) ve
PA11(biyo tabanlı polyamid) tozlarının mekanik performanslarını çeşitli koşullar altında
12
karşılaştırdılar. PA11 tozunun düşük sıcaklılarda daha yüksek dayanıklılık ve süneklik
gösterdiğini ayrıca daha iyi hidrotermal yaşlanma dayanımına ve araştırılan koşullarda daha
iyi yorulma dayanımına sahip olduğunu tespit ettiler [5].
Berretta ve arkadaşları lazer sinterlemede kullanılan tozların çeşidini arttırmak amacıyla
poly (eter eter) ve PEEK (ketone) tozlarının morfolojisini, akışkanlıklarını ve parçacıklar
arası etkileşimini incelediler. Çalışmalarının sonucu olarak ticari olmayan PEEK
sınıflarının temperleme yapılarak ve nano katkılar katılarak optimizasyonlarının
yapılabileceğini belirttiler [6].
Drummer ve arkadaşları çeşitli polimer tozlarının küresel morfolojik yapısını ve partikül
boyutlarını araştırdılar. Yapısı EMS -GRIVORY (Grilamid L20G), Poly (ethylene glycol)
(PEG8000) ve Polyvinyl alcohol (PVA) Mowiflex TC 253 den oluşan PA12 nin partkül
boyutunun ortalama 60 µm; kriyojenik öğütme yoluyla pülverize edilmiş polybutylene
terephthalate (PBT) tozunun ortalama partikül boyutunun 200 µm olduğunu tespit ettiler[7].
Sachs ve arkadaşları polyamid tozu üretimi üzerinde incelemeler yaptılar. Mikro boyutlu
partiküllerin öğütülmesi sırasındaki sapmalar toz malzemenin akışkanlığını kötü etkileyen
sonuçlar ortaya çıkarmaktadır. Bu sorunu aşmak için, tek tek partiküller ısıtılmış bir düşme
reaktörü içinde eritilir ve yüzey gerilmesinin etkisiyle küresel yapılar elde edilir. Reaktör
1600 mm uzunluğunda ve 25 mm çapındadır. Reaktör sıcaklığı işlenmiş malzemenin 100
⁰C üzerinde sıcaklığa ayarlanır. Düşme reaktörünün tasarımı yapılırken partiküllerin
akışının laminer olacak şekilde, birbirlerine ve reaktörün duvarlarına temas etmeden
düşmelerinin sağlanması önemlidir [8].
Schmidt ve arkadaşları yaptıkları bir çalışmada mikro partiküllerin düşük sıcaklıkta (-40
⁰C, -80 ⁰C) ve ıslak öğütme ile imal edilebileceğini belirtmektedirler [9].
Yapılan bu çalışmada lazer sinterleme ile katmanlı imalat sistemlerinde dünyada yaygın
olarak tozlar incelenmiştir.
2. Yapılan Çalışma
Lazer sinterleme ile parça üretiminde kullanılan endüstriyel tozlar araştırıldığında petrol
tabanlı polyamid tozlarının (PA12) ve biyo tabanlı polyamid tozlarının (PA11) yaygın
olarak kullanılmakta olduğu görülür. PA11 hindt yağından elde edilmektedir. Günümüzde
ticari uygulamalarda PA11 ve PA12 dışında, polycarbonate (PC), polystyrene (PS),
Polyether-etherketone(PEEK) ve bunların çeşitli türevleri plastik sinterleme tozu olarak
kullanılmaktadır. Bu malzemelerin ergime sıcaklıkları 200 ⁰C’nin altında ve ısı iletim
katsayıları da 1 W/M⁰K in altındadır. Plastik tozlarının ideal boyutlarının 45-90 µm
arasında olması önerilmektedir. Tane boyutunun küçük olması sinterleme sırasında yüzeyde
kılcal çatlaklara neden olmaktadır [10]. Aşağıda lazer sinterlemede yaygın olarak kullanılan
tozlar açıklanmış ve karşılaştırılmaları yapılmıştır.
PA2200: PA12 tabanlı bu beyaz renkli PA 2200 tozu çok iyi dengelenmiş özellikleriyle
çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir. Yüksek rijitlik, sertlik, kimyasal direnç, uzun
dönem kullanımda stabil davranış, yüksek çözünürlük, biyo uyumluluk özellikleri ile ön
plana çıkar. Parçalar üzerinde metal kaplama, sırlama, titreşimli taşlama, fırça ile boyama,
elektrostatik boyama gibi yüzey işlemleri yapılabilir. Uygulama alanları ise fonksiyonel
parçalar, protez gibi medikal uygulamalar, genel enjeksiyon kalıplama ile üretilen parçalar,
hareketli parçalar olarak sıralanabilir (Şekil 1). P2201 ise PA2200 ile benzer özelliklere
sahip ancak biraz daha saydam PA12 tozudur.
13
Şekil 1. PA2200 ile
üretilen parça
Şekil 2. PA1101
ile üretilen parça
Şekil 3. Alumide ile
üretilen parça
Şekil 4. Carbon Mide ile
üretilen
PA1101: Beyaz yarı saydam PA11 tozudur. Yüksek darbe dayanımı ve kopma uzaması
değerlerine sahiptir. Yenilenebilir kaynaklardan elde edildiğinden çevre dostudur. Sıcaklığa
dayanımı PA12’den daha iyidir, geniş bir sıcaklık aralığında mekanik özelliklerini korur.
Yüksek gerilmeler altında parçalanmaz ve kırılmaz. Yüksek darbe dayanımının gerektiği
yerlerde ve yüksek sünekliğin gerektiği fonksiyonel parçalarda kullanımı uygundur. (Şekil
2). Örneğin taşıtlarda yolcu taşıma bölgelerinde önerilir.
Alumide: Metal görünümlü ve daha sonra üzerinde işlemler yapmaya uygun özellikleri ile
öne çıkan metalik gri renkli, alüminyum dolgulu PA12 polyamiddir. Üretilen parçalar
kolayca taşlanabilir, parlatılabilir veya kaplanabilir. Sıcaklığa dayanıklıdırlar, sınırlı termal
iletkenliğe sahiptirler, boyutsal doğrulukları mükemmeldir (Şekil 3).
Carbon Mide: Karbon-fiber dolgulu ve antrasit siyahı renginde PA12 malzemesidir.
Mükemmel sertliğe ve maksimize edilmiş ağırlık-dayanım oranına sahiptir. Fiberlerin
yöneliminden dolayı mekanik özellikler üç eksenli doğrultuda değişkenlik
gösterir. Malzemenin özellikleri; mükemmel dayanım ve sağlamlık, sertlik, hafiflik ve
elektrik iletkenliğidir. Malzemenin uygulama alanları; parçanın kendi ağırlığı göz önünde
bulundurularak optimize edilen gerilme altındaki parçalar ve motor sporları
uygulamalarındaki aerodinamik bileşenlerdir (Şekil 4).
PEEK HP3-Polyetherketone: Bu malzeme lazer sinterleme teknolojisine dünyanın ilk
yüksek performanslı polimerini sunmaktadır. PAEK grubuna ait olan yarı-kristal
termoplastik malzemedir. Lazer sinterlemeli parçalarda 95 MPA’a kadar gerilme dayanımı
ve 4400 MPa’a kadar Young’s modülü elde edilmektedir. Bu değerler şimdiye kadar
piyasaya hakim olan PA12 ve PA11 malzemelerine göre %100 oranında daha yüksektir.
Malzemenin yüksek sıcaklıklarda mükemmel performansı vardır. Yıpranmaya, hidrolize ve
kimyasallara karşı direnci üst düzeydedir. Yangına, dumana ve toksisiteye karşı iyi
performansı vardır. Potansiyel biyolojik uyumluluğu vardır. Sterilize edilebilir. Bu
malzeme tıpta paslanmaz çeliğe ve titanyuma iyi bir alternatiftir. Uzay ve havacılık
endüstrisinde kullanılabilir (Şekil 5).
PA3200GF: Kırılma halinde iyi bir esnemeyle birlikte mükemmel sertlik niteliği taşıyan,
beyazımsı, cam-dolgulu bir polyamid 12 tozudur. Malzemenin özelikleri; üst düzey sertlik,
yüksek mekanik aşınma direnci, gelişmiş termal yüklenebilirlik, mükemmel yüzey kalitesi,
yüksek boyut tutarlılığı ve ayrıntı çözünürlüğü, işlenebilirlik, mükemmel uzun-dönem
tutarlılık davranışıdır. Malzemenin uygulama alanları nihai parçalar için otomobillerin
motor bölgesinde kullanımı, derin-çekme kalıpları, sertlik, yüksek sıcaklığın çarpılma
etkilerine dayanımı ve düşük abrasif aşınma istenen parçalardır (Şekil 6).
14
Şekil 5. PEEK HP3
Şekil 6. PA3200GF
Şekil 7. PA1102 ile
üretilen parça
Şekil 8. PA2202
PA1102: Hint yağından elde edilen siyah renkli bir PA11 tozudur. Elastikliği ve yüksek
darbe dayanımı ile öne çıkar. Hidrokarbonlara, aldehitlere, ketonlara, tuzlara, alkollere,
yakıtlara, deterjanlara, petrol kaynaklı ve hayvansal kaynaklı yağlara mükemmel dirençli
bir malzemedir. Uzun dönem hareketli çalışacak parçalarda, araçlarda çarpamaya maruz
kalabilecek parçalarda, küçük ve ora ölçekli parçalarda, ince kesitli ve ızgara şeklindeki
parçaların üretiminde tercih edilir (Şekil 7).
PA2202: Siyah pigmentler içeren polyamid malzemedir. Parçalar, çizilmeye, aşınmaya ve
kire karşı dirençlidir. Aynı zamanda mekanik gerilmelerin oluşturulduğu ve kirli ortamlarda
çalışan parçalar için idealdir. Siyah renkli polimer, bu parça rengine ilgi duyan sektörlerin
ilk tercihidir. Otomotiv sektöründeki birçok parça, özellikle de kaporta altı parçalarda
kullanımı uygundur. Bu malzeme mekanik gerilemelere karşı çok dirençlidir. Yüksek
sertliğe sahiptir. Fonksiyonel nihai parça olarak yedek parça üretiminde ve kirli ortamlarda
çalışacak parçalarda kullanımı tercih edilir (Şekil 8).
PrimeCast 101: Polistren tabanlı gri toz olan PrimeCast 101, mükemmel boyut doğruluğu
ve yüksek yüzey kalitesi, takma parça olarak kullanıldığında yüksek dayanım özelliklerine
sahiptir. Düşük ayrışma ve sertleşme sıcaklıkları nedeniyle döküm işlemleri için uygundur.
Sıvama ve seramik kabuk döküm işlemlerinde tercih edilir. PrimeCast 101’in diğer
uygulama alanı vakum döküm için mastar kalıpların üretimidir (Şekil 9).
PA2210FR:PA 2210 FR, halojensiz kimyasal alev geciktirici içeren beyazımsı bir PA12
tozudur. Yangın çıkması halinde parçanın yüzeyinde karbonatlaştıran bir katman oluşarak
alttaki plastiği yalıtır. PA 2210 FR, 2 mm’nin üzerinde bir duvar kalınlığından UL 94 / V-0
yangın koruma sınıflandırmasının gerekliliklerini karşılar. Malzemenin özellikleri; iyi
mekanik özellikler ve uzun-vadede mükemmel stabil davranıştır. Malzemenin uygulama
alanları; yüksek kalitede, tam-işlevsel, yük-taşıyıcı plastik parçalar, yangına karşı
korunması daha gerekli olan parçalar, hava araçları ve kamu binalarındaki kullanımdır
(Şekil 10).
Şekil 9. PrimeCast
101 ile üretilen parça
Şekil 10. PA2210FR
15
Şekil 11. PA2241FR
Şekil 12. PA2221
PA2241FR: Halojen tabanlı alev geciktirici içeren PA12 polyamiddir. Geri kazanılabilir
özelliği sayesinde ekonomiktir ve düşük maliyetli parça üretiminde tercih edilir. Havacılık
sektörü için uygundur. Hava kanalları ve çıkış valfleri örnek olarak verilebilir (Şekil 11).
PA2221 (PrimePart PLUS): Düşük büzülme ve düzelme oranının optimize edildiği PA12
tozudur. Ekonomik ve çevre dostu bir malzemedir. Alkollerin dışında gıda maddeleri ile
uyumludur. Doğal renklidir. Yüksek dayanıma ve rijitliğe sahiptir. Yüksek doğrulukta ve
detaylı parçalar üretilebilir (Şekil 12). Son işlem olarak metal kaplama, sırlama, titreşimli
taşlama, fırça ile boyama, yapıştırma, elektrostatik boyama işlemleri yapılabilir.
Yukarıda endüstride yaygın olarak kullanılan tozlar açıklanmıştır. Tozlardan üretilen
parçaların elastikiyet modülleri, gerilme dayanımları, parça yoğunlukları ve ergime
sıcaklıklarını gösteren değerler Tablo 1’de verilmiştir [11].
Tablo 1’den görüldüğü gibi PEEK HP3 tozundan yapılan parçalar çelik dahil olmak üzere
bir çok metalin yerine tıp, havacılık ve motor endüstrisinde kullanılabilecek özelliklere
sahiptir. PA2200 tozu en yaygın kullanılan toz olup fonksiyonel ve kaliteli parçalar
üretmek için kullanılabilir. Siyah renkli CarbonMide yüksek rijitliği, dayanımı ile uzay ve
havacılık araçlarının birçok parçasında kullanılabilir. PA2241 tozundan yapılan parçalar
yukarıda açıklandığı üzere alev geciktirici özelliğe sahip parçalardır.
Tablo 1 Endüstride kullanılan lazer sinterleme tozları ve özellikleri [11]
Çekme
Ergime
Elastikiyet
Parça
Gerilmesi
Toz adı
Modülü
yoğunluğu sıcaklığı
Renk
Dayanımı
(⁰C)
(MPa)
(g/cm3)
(MPa)
PA2200
PA1101
Alumide
CarbonMide
PEEK HP3
PA3200
PA1102
PA2202
PrimeCast101
PA2210 FR
PA2241 FR
PA2221
1700
1600
3800
6100
4250
3200
1560
1850
1600
2500
1900
1650
48
48
48
72
90
51
48
50
5.5
46
49
47
0.93
0.99
1.37
1.04
1.32
1.23
0.99
0.98
0.77
1.06
1.00
0.97
172
201
176
176
372
172
201
176
185
185
185
Beyaz
Beyazımsı
Metalik Gri
Siyah
Metalimsi
Beyazımsı
Siyah
Siyah
Gri
Beyazımsı
Beyaz
Beyaz
3. Sonuç
Hızlı prototipleme olarak bilinen katman eklemeli imalat teknolojileri önemli avantajlara
sahiptir. Bunlardan en önemlisi imalatta şekilsel bir kısıtlama olmamasıdır. Ayrıca tek bir
proses ile parçanın imal edilebilmesi diğer bir üstünlüğüdür. Bu imalat işleminin önündeki
en büyük engel malzeme çeşitliliğinin az olmasıdır. Herhangi bir destek yapısına ihtiyaç
duymadan ve yüksek kalitede parça imal edebilen lazer sinterlemeli prototipleme
teknolojilerinin hammaddesi olan tozlarda sınırlı çeşitte olup, bu konuda ülkemiz tamamen
dışa bağımlıdır. Ulusal kaynaklarla bu tozların imal edilmesinde katkı sağlamak amacıyla,
dünyada en çok kullanılan plastik tozları araştırılmış ve karşılaştırmaları yapılmıştır. Ayrıca
16
bu tozların üretimi alanında yapılan güncel çalışmalar da incelenerek şu tespitler
yapılmıştır. Plastik polyamid tozlarının tane büyüklükleri 45-90 µm arasında ve şekilleri
küresel olmalıdır. Polyamid tozların üretiminde ıslak öğütme sistemleri ile tane boyutları
küçültülmekte ve daha sonra ergime sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta olan düşey
reaktörden geçirilerek homojen küresel boyutlu toz tanecikleri elde edilmektedir.
Teşekkür
Bu çalışma Dumlupınar Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonun 2014-23
no’lu projesinin finansal desteği ve Dumlupınar Üniversitesi İleri Teknolojiler, Tasarım,
Araştırma ve Uygulama Merkezi’nin alt yapısı kullanılarak yapılmıştır.
Kaynakça
[1] Wohlers, T. (2009), “Wohler’s report 2009”, US – TURKEY Workshop On Rapid
Technologies, pp.1-3.
[2] David, L.B., Joseph J.B.J., Ming C.L. and David W.R. 2009. “A brief history of
additive manufacturing and the 2009 roadmap for additive
manufacturing: looking
back and looking ahead”, US-TURKEY Workshop On Rapid Technologies, Volume, Pages
5-11.
[3] Yan, C., Shi, Y., Yang, J., Liu, J., 2010. “Investigation in to the selective laser sintering
of styrene-acrylonitrile copolymer and postprocessing”, International Journal of Advanced
Manufacturing Technologies, Volume 51, Pages 973-982.
[4] Franco, A., Lanzetta, M., Romoli, L. 2010. “Experimental analysis of selective laser
sintering of ployamide powders:an energy perspective”, Journal of Cleaner Production,
Volume 18, Pages 1722-1730.
[5] Salazar, A., Rico, A., Rodriguez, J., Escudero, J.S., Seltzer, R., Martin, F., Cutillas, E.
2014. “Monotonic loading and fatigue response of a bio-based polyamide PA11 and a
petrol-based polyamide PA12 manufactured by selective laser sintering”, Europen polymer
Journal, Volume 59, Pages 36-45.
[6] Berretta, S., Ghita, O., Evans, K.E. 2014.“Morphology of polymeric powders in Laser
Sintering (LS): From Polyamide to new PEEK powders”, Europen Polymer Journal,
[7] Drummer, D., Rietzel, D., Kühnlein, F. 2010. “Development of a characterization
approach for the sintering behavior of new thermoplastics for selective laser sintering”,
Phys Proc.(Part B), Volume 5, Pages 533–42.
[8] Sachs, M., Schmidt, J., Toni, F., Blümel, C., Winzer, B., Peukert, W., Wirth, K.E.
2015. “Rounding of Irregular Polymer Particles in a Downer Reactor”, Procedia
Engineering, Volume 102, Pages 542-549.
[9] Schmidt, J., Sachs, M., Blümel, C., Winzer, B., Franziska, T., Wirth, K.E., Peukert, W.
2015. “A novel process chain for the production of spherical SLS polymer pow ders with
good flowability”, Procedia Engineering, Volume 102, Pages 550-556.
[10] McAlea, K.P., Forderhase, P.F., Booth, R.B. 1998. “Selective laser sintering of
polymer powder of controlled particle size distribution”. Patent US 5817206 A.
[11] http://eos.materialdatacenter.com/eo/standard/main/ds , 2015.
17
18
ÜÇ BOYUTLU YAZICILAR İLE POLYAMİD
TOZLARINDAN EĞİTİM MATERYALLERİ
YAPILMASI VE İMALAT OPTİMİZASYONU
İsmet Çelika, Ebubekir Can Güneşb ve Feridun Karakoçc
a
b
c
Özet
Makine mühendisliği eğitiminde kaliteyi arttırıcı en temel faktörlerden birisi uygulamalı
eğitimdir. Normal şartlarda sınıf ortamında bu mümkün olmayabilir. Ancak günümüzde
sahip olunan 3 Boyutlu Yazıcı teknolojileri ile bu artık olanaklı hale gelmektedir.
Dumlupınar Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünde bu uygulamaya geçilmiş olup,
derslerin anlaşılabilirliği ve öğrencilerin motivasyonu önemli derecede artmıştır. Bu
bildiride eğitim materyallerinin sinterleme teknolojisi ile polyamid tozlarından imal
edilmesi, montajlı üretilen parçalarda montaj boşluklarının optimizasyonu ve parçaların
renklendirilmesi araştırılmış ve açıklanmıştır.
Anahtar kelimeler: Mühendislik eğitimi, plastik eğitim materyali, lazer sinterleme,
polyamid
MANUFACTURING OF EDUCATIONAL
MATERIALS FROM THE POLYAMIDE POWDERS
BY MEANS OF 3D PRINTERS AND THE
PRODUCTION OPTIMIZATION
Abstract
One of the key factor in mechanical engineering education qualification is practical
education. This may not be possible in conventional classroom environment. However
today's 3D printing technologies makes it possible. Dumlupınar University Mechanical
Engineering Department implemented practical education in classroom, thus perceptibility
of courses and students' motivation have significantly enhanced. In this paper,
manufacturing of educational materials from polyamide powder with sintering technology,
optimization of assembled manufactured parts' assembly gaps and coloring of manufactured
parts are investigated and unveiled.
Keywords: Engineering education, plastic educational materials, laser sintering, polyamide
19
1. Giriş
Günümüzde hızla gelişen ve yaygınlaşan üç boyutlu(3B) yazıcıların avantajları çeşitli
alanlarda doğrudan veya dolaylı olarak kullanılmaktadır. Bu alanlar arasında en etkili
olarak kullanılanlardan birisi de eğitimdir. Özellikle görsel-uzamsal algılamanın öne çıktığı
alanlarda 3B yazıcılar kullanılarak üretilmiş somut modeller etkili bir kavrama kolaylığı
sağlamaktadır. Makine mühendisliği eğitimi de üç boyutlu düşünme ve kavrama yetilerinin
önem kazandığı bir alandır. Fiziksel objeleri, örneğin bir makine elemanı, ve bu objelerin
birbiri arasındaki kompleks kombinasyonlarını içeren dersler, makine mühendisliği
eğitiminde öğrencilerin zihinlerinde üç boyutlu uzayda parçaları detaylı ve doğru bir
şekilde hayal etmesini gerektirir. Ancak her öğrenci bu konuda aynı seviyeye
gelememektedir. Bunun için kâğıt üzerinde çeşitli görsel ve teknik resimler kullanılsa da bu
seviyede öğrenciler için yeterli olmamaktadır. Bu sorundan hareketle derslere konu olan
fiziksel parçaların 3B yazıcılarda somut olarak üretilerek sınıf ortamında kullanılması etkili
bir çözüm yöntemidir. Bu konuda literatür incelendiğinde aşağıdaki çalışmalar ön plana
çıkmaktadır.
Virginia Teknik Üniversitesi'nde Ansari, ürün tasarımı derslerinde 3B yazıcı teknolojilerini
kullanarak öğrencilerin pratik tecrübelerinin arttırılması ve ürün tasarımında innovatif ve
eleştirel düşünme yeteneklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Ders kapsamında kullanılan
3B yazıcılar sayesinde öğrenciler tasarım prototipleri geliştirerek varsa hatalarını
gözlemleyip daha etkili ve yenilikçi ürünler geliştirerek bu alandaki pratik ve mental
tecrübelerini arttırmışlardır [1]. Tasarım eğitiminde öğrencilerin sanal ve fiziksel
modelleme yöntemlerini kullandığı çalışmasında Charlesworth karşılaştırmalı bir yöntem
izlemiştir. Fiziksel modelleme yöntemleri (3B Yazıcı) kullanarak tasarım yapan öğrenciler
sadece bilgisayar ortamında sanal modelleme(CAD) yapan öğrencilere göre daha başarılı
olmuştur [2]. Dekker ve Stamper makine mühendisliği laboratuvarı ve tasarım metodolojisi
derslerinde FDM(Fused Deposition Modelling/Ergiterek Biriktirme Yöntemi) teknolojisi
kullanarak derslerin gerçekçiliğinin ve öğrencilerin ilgisinin arttırılmasını amaçlamışlardır.
Bu uygulama sayesinde öğrenciler temel 3B üretim ve tasarım yeteneklerini geliştirmişler
ve parametrik tasarımın önemini bu sayede görmüşlerdir [3].
ABD Hava Kuvvetleri Akademisinde tasarım derslerinde hızlı prototipleme
teknolojisi(FDM) kullanılarak eğitim kalitesini iyileştirme çalışmalarını inceleyen Jensen
ve arkadaşları karşılaştırmalı bir metot kullanmışlardır. Hızlı prototipleme kullanılan ve
kullanılmayan sınıfların tasarım ve öğrenme kabiliyetlerini araştırmışlardır. Anket
yöntemiyle öğrencilerden alınan geri dönüşler sayesinde bu yöntemin ne kadar faydalı
olduğu ölçülmüştür. Öğrencilerin anket sonuçlarında bu teknoloji sayesinde, tasarlanan
parçaların dayanımı, kısıtlamalarını, ara yüzlerini, mekanizma etkileşimlerini, malzeme
gerekliliklerini, üretim çözümlerini, diğer bileşenlerle etkileşimlerini ve kullanıcı sorunları
gibi konularda hakkında detaylı bir öğrenim sürecinden geçtiklerini belirtmişlerdir. Ayrıca
üretilen prototiplerin takım çalışmasında iletişime yardımcı olduğu ve gerçek ürün
üretilmeden önce iyileştirilmiş ikinci bir prototip üretmenin yararlı olduğu öğrencilerin
görüşleri arasındadır [4]. Indiana Üniversitesi’nce makine mühendisliği teknolojisi eğitimi
kapsamında Zecher lisans programında birinci sınıf öğrencilerinin aldığı teknik resim ve
bilgisayar destekli tasarım/üretim (CAD/CAM) derslerinde FDM teknolojisi kullanarak
öğrencilere çeşitli prototipler üretme imkânı sunarak bunun olumlu etkilerini
gözlemlemiştir. Öğrenciler 3B yazıcıda döküm kalıbı modeli ürettikten sonra bu sayede
gerçek döküm parçalar üretmişlerdir. Bilgisayar ortamındaki tasarımdan gerçek ürün
üretimine giden süreçte bu teknolojinin gerekli ve faydalı olduğu öğrenciler tarafından
anlaşılmıştır [5].
20
Delft Teknik Üniversitesi'nde Geraedets ve arkadaşları eklemeli imalatı(3B yazıcıları)
akademik olarak öğrencilere nasıl öğretilebileceği konusunda çalışmışlardır. Bu kapsamda
öğrencilerin 3 yıl boyunca devam edebileceği 'İleri Düzeyde Prototipleme' yan dal programı
uygulamaya geçirilmiştir. Bu programda geleceğin tasarım mühendisleri için ürün iletişimi,
ürünün fiziksel tanılaması, doğrulaması ve ayrıntılı tasarımı açısından hayati öneme sahip
prototipleme ve fiziksel model yapımı için gerekli yeteneklerin kazandırılması
amaçlanmıştır. Bu programda öğrencilere nelerin prototiplenebileceği ve en etkili hangi
yöntemle prototiplenebileceği gibi akademik yaklaşımlar kazandırılmaktadır [6]. Snyder ve
arkadaşları 3B yazıcı teknolojileriyle üretilen eğitim materyallerinden olan kristalografik
yapılar hakkında yeni fikirler geliştirmişlerdir. Bu materyallerin öğrencilerin kristal yapıları
ve morfolojilerini, Bravis kafeslerini, uzay-nokta grup simetrilerini ve kristal kusurları
kavramasını kolaylaştırdığı gibi ayrıca Uluslararası Kristalografi Birliği tarafından bu
yapılar hakkında bilgi tabanı oluşturulması amacıyla kullanılabileceğini öne sürmüşlerdir.
Daha önceden kâğıt üstünde veya bilgisayar ekranında ifade edilen kristal yapıların bu
sayede araştırmacılar ve eğitimciler tarafından daha ulaşılabilir olacağı öngörülmektedir
[7]. 3B yazıcı teknolojilerini eğitim müfredatına uzun zaman önce dâhil eden ülkelerden
birisi de Çin'dir. Mühendislik lisans eğitimi seviyesinde kullanılan bu teknoloji sayesinde
öğrencilerin profesyonel hayata geçişlerindeki adaptasyon sorunları ortadan kaldırılması ve
pratik bilgileri yeterli seviyede olan mühendislerin yetiştirilmesi hedeflenmiştir. 3B
modeller evrensel akademik iletişimde etkili bir araçtır. Bu teknolojinin sadece mühendislik
alanında değil ayrıca matematik, fizik ve kimya gibi alanlarda da yenilikçi eğitim aracı
olarak kullanılacağı düşünülmektedir [8].
Üç boyutlu imalat teknolojileri özellikle 2010 yılından sonra ülkemizde yaygın
kullanılmaya başlanmıştır. 2013 yılında Dumlupınar Üniversitesi İleri Teknolojiler
Tasarım, Araştırma ve Uygulama Merkezi bünyesinde lazer sinterleme (SLS), ergiterek
birleştirme (FDM) ve alçı tozunu yapıştırarak imalat yapan 3 boyutlu yazıcı(3DP)
teknolojilerine sahip bir birim kurulmuştur. Makine mühendisliği öğretim elemanlarınca
AR-Ge ve idari işlemleri yapılan merkezin imkanları göz önüne alınarak makine
mühendisliği eğitiminde kullanılabilecek eğitim materyallerinin yapılması gerçekleştirilmiş
ve başarılı uygulamalar yapılmıştır.
2. Yapılan Çalışma
Makine mühendisliği eğitiminde teorik ve pratik bilginin bütünleşmesi çok önemlidir. Bir
makinenin, mekanizmanın ya da sistemin çalışmasını tam anlayamayan bir öğrenciye ne
kadar teorik hesaplamalar verilirse verilsin öğrenicinin bilgisi tam olarak pekişmemekte ve
bilgiler kalıcı olamayabilmektedir. Örneğin Makine Elemanları derslerinde bir lamelli
kavramanın yapısı, bileşenleri ve çalışması, helisel bir dişlinin elips oluşturan normal diş
profilindeki kesiti ve eşdeğer diş sayısının daha fazla olması, helisel ve konik dişlilerdeki
diş kuvvetleri, kardan kavramasının yapısı ve çalışması, bir diferansiyelin yapısı ve
çalışması, planet dişli sisteminden elde edilebilen faklı çevrim oranları, disk yaylar ve
bilezik yaylar gibi parçaların anlatımında öğrencilerin sistemleri tam anlayamadan teorik
hesaplamalara geçtikleri görülmüştür. Benzer şekilde mukavemet derslerinde örneğin
burkulma çubuklarının yapıları ve kritik burkulma boyları, malzeme derslerindeki
dislokasyonların, akışkanlar mekaniği derslerinde francis ve pelton türbin yapılarının, ısı
transferi derslerinde helisel borulu eşanjör yapılarının öğrencilerin birçoğu tarafından tam
kavranamadığı tespit edilmiştir.
Yukarıda adı geçen sorunun çözülebilmesi için birçok yöntem uygulanabilmektedir.
Bunlardan en başlıca olanı doğrudan makinenin gerçeğinin öğrenciye gösterilmesidir.
21
Ancak bu sınıf ortamında he zaman mümkün olmamaktadır. Örneğin gerçek bir kardan
kavraması yada lamelli kavrama sınıf ortamında çok kolay kullanılamamaktadır. Bunun
sebebi ağır olması, büyük olması, yağlı olabilmesi, kesici kenarlar içerebilmesi vs gibi
sebepler olabilmektedir. Demontajları ve montajları da sınıf ortamında mümkün
olmamaktadır.
Diğer bir çözüm CAD programlarından yararlanmaktır ki bu iyi bir seviyeye kadar
öğrencilere görsel sunumlarda fayda sağlamaktadır. Örneğin bir motorun çalışması, bir dişli
sisteminin çalışması gibi alanlarda başarılı uygulamalar yapılabilmektedir.
Bu çalışmada sunulan diğer bir yöntem ise hızlı prototipleme adıyla yaygın olarak bilinen
eklemeli yada diğer adıyla katmanlı imalat teknolojilerinden yararlanmaktır. Dumlupınar
Üniversitesi’nin sahip olduğu bu teknoloji de değerlendirilerek makine mühendisliği
eğitiminde eğitim materyallerinin imal edilmesi ve derslerde kullanılması bu amaçla eğitim
kalitesinin daha da arttırılması amaçlanmıştır. Malzemeler plastik olduğu için doğrudan
sınıf ortamında gösterilmekte, montaj ve demontajları yapılabilmektedir.
Üretim sırasında lazer sinterleme yöntemiyle üretilen parçaların renklendirilmesi, montajlı
sistemlerin yapılması, hareketli parçalar arasında bırakılacak boşlukların değerlendirilmesi
ve üretilen parçaların maliyetleri çıkartılmaya çalışılmıştır.
2.1 İmal Edilen Parçalar
Makine elemanları dersleri için üretilen eğitim materyalleri Şekil 1(a-h) de verilmiştir.
22
Benzer şekilde Mukavemet, İmal Usulleri ve Akışkanlar Mekaniği derslerinde
kullanılabilecek eğitim materyallerinden bazıları Şekil 2(a-f) de verilmiştir.
Tasarlanan eğitim materyalleri lazer sinterleme teknolojisi kullanılarak PA2200 tozundan
imal edilmişlerdir. Lazer sinterleme teknolojisinin boyut doğruluğu, yüzey kalitesi, montaj
boşlukları ve parça dayanım değerleri bu tür imalat işlemleri için yeterli olduğu kanaati
oluşmuştur. Özellikle imalat sırasında destek yapılarına gerek olmaması ve sinterlenmeyen
tozun destek yapısı oluşturması bu teknolojinin avantajı olarak değerlendirilmiştir. Tespit
edilen diğer bir husus üretimden çıkan ve PA2200 malzemesinden yapılan tozun beyaz
olması nedeniyle üretilen modellerin sınıf ortamında el ve çevre temaslarından olumsuz
etkilenmesi olarak görülmüştür. Bu nedenle renklendirme çalışmaları yapılarak görselliği
arttırılmış ve temas ile renk değişimi olmayan yapılar elde edilmeye çalışılmıştır. Ayrıca
montajlı ve hareketli parçalarda montaj boşluklarının optimizasyonu araştırılmıştır. Son
olarak üretilen parçaların maliyetleri tespit edilmiştir.
2.2 Parçaların Renklendirilmesi
Parçaların renklendirilmesinde öncelikle sprey boya kullanılmıştır. Ancak kullanılan sprey
boyaların sadece dışarıdan görülebilen bölgelere uygulanabilmesi ve iç kısımlara
uygulanamaması olumsuz faktörler olarak değerlendirilmiştir. Ayrıca sprey boyanın el ile
yapılması nedeniyle homojen dağılımın sağlanamaması, bir miktarının çevreye yayılması
ve kimyasal olması gibi nedenlerle bu boyama türünden vazgeçilmiştir. Alternatif bir
yöntem olarak kumaş boyaları değerlendirmeye alınmıştır. Çünkü birçok kumaş türü naylon
içermekte ve kumaş boyası ile boyanabilmektedir. Şekil 3’de kullanılan toz kumaş boyaları
görülmektedir.
Boyama işleminde izlenen proses şöyledir: Kumaş boyaları 10-13 gr’lık paketler halinde
piyasadan kolaylıkla temin edilebilir. Her paket yaklaşık 1 litre ılık suda eritilerek
karıştırılır ve karışımın sıcaklığı 90 ⁰C ye çıkartılır. Kırmızı ve sarı renkler hariç 1 gr tuz
ilave edilerek karıştırılır.
23
Şekil 3. Kumaş boyaları
Lazer sinterlemeden çıkan parçalar kaynayan karışımın içine bırakılarak en fazla 10 dakika
bekletilir. Bu süre sarı ve kırmızı renkler için 10 dakika, diğer renkler için 5-6 dk olarak
tespit edilmiştir. Sürenin uzatılması sarı ve kırmızı renklerde bir sorun olmamaktadır ancak
10 dakika yeterlidir. Diğer renklerde ise 6 dakikanın üzerinde kaynayan karışımın içinde
bekletilen parçalarda renk bozulmaları gözlemlenmiştir. 6-10 dakika arasında kaynatılan
parçalar alınır ve temiz bir yerde kurutulduktan sonra soğuk su ile yıkanır. Tekrar kurutulan
parçaların boyanma işlemi tamamlanmış olur.
Şekil 4’de lazer sinterleme ile üretilen ve daha sonra boyanan parça örnekleri
görülmektedir.
Boyama işlemi sonunda herhangi şekilsel ya da boyutsal bir değişim gözlenmemiştir.
Yüzeylerin daha düzgünleştiği gözlemlenmiştir. Yüzeyin pürüzlü olmasının boyama
işlemlerinde avantaj sağladığı görülmüştür. Yüzeylerde düzeltmenin yapıldığı ve pürüzlerin
azaldığı bölgelerde boyanın nüfuz etmediği görülmüştür (Şekil 4(d)).
2.3 Hareket Serbestliği Boşluklarının Optimizasyonu
Makine mühendisliği eğitiminde kullanılan bazı parçaların hareketli olması gerekmektedir.
Örneğin Şekil 5’te verilen motorun motor gövdesi yatağı-krank mili, krank mili-biyel kolu,
biyel kolu-piston pernosu gibi parçaları arasında yeterli boşluklar bırakılarak imalatları
yapılırsa, bu parçalar bir bütün olarak ve hareket serbestliklerine sahip olacak şekilde
üretim gerçekleştirilebilir. Yeteli boşluk bırakılmaz ise parçaların birbirine yapıştığı
görülür.
Lazer sinterleme ile imalat süreci değerlendirildiğinde üretim hacmi içinde imalat
eksenlerinin çok önemli olduğu tespit edilmiştir. Sağ el kuralı ile bulunabilecek eksen
yönlerine göre parçanın yüksekliği Z ekseni, ön yatay eksen X ve yan yatay eksen Y olarak
tanımlanmaktadır (Şekil 6). Lazer sinterleme makinesi imalat alanı ve eksenleri de Şekil
7’de verilmiştir.
24
25
Lazer sinterleme makinesinde Z ekseninde imalat katman kalınlığı 60 µm’ye kadar
inebilmektedir. İmalat sırasında kullanılan Z katman kalınlığı 100 µm’dir. Lazer ışın çapı
500 µm’dir. Lazerin toz üzerinde ergitme yaparken odak çapı 600 µm’ye genişlemektedir.
Tezgah CNC talaş kaldırma işlemlerinde takım kaydırma işlemlerinde olduğu gibi yarı çap
kadar ışın çapını kaydırarak sınırları oluşturmaktadır. X ve Y eksen yönlerinde parça
sınırlarında olan boyutsal sapmanın en yüksek değerinin 300 µm olabileceği
değerlendirilmiştir. Buradan yola çıkarak parçanın imalatı sırasında X, Y ve Z yönlerinde
boyutsal sapmaların olabileceği ve birbirinden faklı görülebileceği değerlendirilmiştir
(Şekil 8).
Yapılan deney çalışmasında –X, +X, -Y, +Y, -Z, +Z ve bunların ara yönlerini temsil
yüzeyler atanmıştır (Tablo 1). Her yöne bakan yüzeyden belirli boşluk bırakılarak 12 mm
çapında 3 mm kalınlığında diskler yerleştirilmiştir. İlk boşluk her disk için 300 µm olarak
atanmış ve daha sonra her aşamada 100 µm arttırılarak parça üzerine boşluklar atanmıştır.
Parçaların üretim alanındaki yerleşimine de dikkat edilmiştir. Hangi boşluk aralığında ve
hangi yönde yapışmaların olabildiği, hangi yönde tezgâhın diskleri yapıştırmadan
ayırabildiği tespit edilmeye çalışılmıştır.
26
Tablo 1 Test parçası yönleri ve kodları
Yüzey Kodu
Yüzey Yönü
Yüzey Kodu
Yüzey Yönü
-X
-X
2
+X-Y+Z
+X
+X
3
+X+Y+Z
-Y
-Y
4
-X+Y+Z
+Y
+Y
5
-X-Y-Z
-Z
-Z
6
+X-Y-Z
+Z
+Z
7
+X+Y-Z
1
-X-Y+Z
8
-X+Y-Z
Test parçası üzerindeki disklerin her üretimde yüzey ile aralarındaki boşlukları tüm
yönlerde birbirlerine eşit olacak şekilde 300 µm, 400 µm, 500 µm ve 600 µm olarak
atanarak 4 adet test parçası imal edilmiştir. İmal edilen parçalar üzerindeki disklerin yüzeye
yapışma ve yapışmama durumların incelenmiş ve elde edilen sonuçlar Tablo 2’de
verilmiştir. Tablo 2’den görüldüğü gibi 300 µm boşluk bırakılması halinde tüm diskler
yapışık halde çıkmış ve ayrılamamıştır. 400 µm boşluk bırakılması halinde –Z ve +Z
yönlerinde ayrılma olmaya başlamaktadır. 500 µm boşluk bırakılan yüzeyler arasında tam
birleşme olmamakta ve hafif darbe ile tüm diskler ayrılabilmektedir. 600 µm boşluk
bırakıldığında tüm diskler el ile kolayca ayrılmıştır.
Test
Parçası
1
2
3
4
Tablo 2 Yüzeyler arasında verilen boşluklar ve disklerin ayrılması
Elle kolay
Hafif darbe ile
Yapışık disk
Ayrık disk
Boşluk
ayrılan disk
ayrılan disk
yönleri
yönleri
yönleri
yönleri
Tüm yönlerdeki
300 µm
diskler
-X,+X,-Y,+Y,
400 µm
-Z, +Z
1,2,3,4,5,6,7,8
-X, +X, -Y, +Y,
500 µm
-Z, +Z
1,2,3,4,5,6,7,8
-X,+X, -Y,
600 µm
1,2,3,4,5,6,7,8
+Y,-Z,+Z
3. Sonuçlar ve Tartışma
Hızlı prototipleme adıyla bilinen teknolojiler katman katman parça ekleyerek imalat
işlemlerini gerçekleştirmektedir. Bu yeni teknoloji ile tasarımı yapılan her şey imal
edilebilmektedir. Makine Mühendisliği eğitimine katkı sağlamak amacıyla bu
teknolojilerden yararlanılarak eğitim materyallerinin üretilmesi ve yapılan materyallerin
sınıf ortamında kullanılması amaçlanmıştır. Birçok hızlı prototipleme teknolojisinden birisi
de lazer sinterleme ile plastik tozlarının birleştirilerek (SLS) parça üretimidir. Destek
yapılarına gereksinim duyulmaması ve boyutsal doğruluğu bu teknolojinin önemli
avantajlarındandır. Lazer sinterleme teknoloji ile plastik eğitim parçalarının üretilmesinde
aşağıdaki hususlar tespit edilmiştir.
27
Makine elemanları, makine mühendisliğine giriş, malzeme, mukavemet, ısı transferi,
akışkanlar mekaniği, motorlar, güç aktarma organları, imal usulleri derslerinde, önceden
imalatı yapılan eğitim materyalleri kullanılmış ve öğretme ve öğrenmede büyük faydalar
görülmüştür.
Lazer sinterleme teknolojisi ile üretilen parçalar tozun rengi ne ise o renkte olmaktadır. Bu
çalışmada PA2200 adı verilen polyamid tozları kullanılmıştır ve rengi beyazdır. Sınıf
ortamında kullanılırken daha görsel olması amacıyla, üretilen parçaların toz kumaş
boyasından yapılan sıvı içerisine belirli şartlarda daldırılarak kolayca boyanması
gerçekleştirilmiştir. Boyama işleminde sıcaklık ve süre değerlerinin renge göre değiştiği
sarı ve kırmızı renklerde 90⁰C-100⁰C de 10 dakika ve diğer renklerde aynı sıcaklıkta 5-6
dakikalık sürenin yeterli olduğu görülmüştür. Boyama işlemi sonunda şekilsel ve boyutsal
bir farklılık oluşmamıştır. PA2200 malzemenin ergime sıcaklığı 172 ⁰C’dir.
Lazer sinterleme ile üretilen parça yüzeylerine boya daha iyi yapışmaktadır. Bunun sebebi
toz sinterleme ile imalat yapıldığı için yüzeyin mikro boyutta pürüzlü yapıda
olmasındandır.
Hareket serbestliği istenen ve montajlı olarak imalattan bütün olarak çıkması istenen
parçalarda yönlerin önemli olduğu ancak ortalama 0.5 mm boşluk verilmesinin uygun
olacağı tespiti yapılmıştır.
Çalışmanın devamında parça imalat maliyeti, parça üretim yönlerine göre yüzey
pürüzlülüklerin ölçülmesi yapılacaktır. Ülkemizin bu alanda en büyük gereksinimi
makinelerin öncelikle sarf malzemelerinin (toz, lazer) yapılması, daha sonra lazer
sinterleme makinelerinin yapılması ve bu alanlarda yapılacak Ar-Ge çalışmalarıdır.
Teşekkür
Bu çalışma Dumlupınar Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonun 2014-23
no’lu projesinin finansal desteği ve Dumlupınar Üniversitesi İleri Teknolojiler, Tasarım,
Araştırma ve Uygulama Merkezi’nin alt yapısı kullanılarak yapılmıştır.
Kaynaklar
[1] Ansari, J. 2007. "Hands-On solid modeling experiences in a course project", 2007
ASEE annual conference, USA
[2] Charlesworth, C. 2015. "Student use of virtual and physical modelling in design
development - an experiment in 3d design education", The Design Journal, Volume 10(1),
Pages 35-45
[3] Stamper, R.E., Dekker, D.L. 2000. “Utilizing rapid prototyping to enhance
undergraduate engineering education", 30th ASEE/IEEE Frontiers in Education
Conference, Kansas City USA.
[4] Jensen, D., Randell, C., Feland, J., Bowe, M. 2002. “A study of rapid prototyping for
use in undergraduate design education", 2002 American Society for Engineering Education
Annual Conference, USA
[5] Zecher, J. 1998. "Integration of a rapid prototyping system in a MET curriculum", 1998
ASEE Annual Conference, USA.
28
[6] Geraedts, J., Doubrovski, Z., Verlinden, J.C., Stellingwerff, M.C. 2012. “Threeviews on
additive manufacturing: business, research, and education", The Ninth International
Symposium on Tools and Methods of Competitive Engineering, Karlsruhe, Germany
[7] Snyder, T.J., Andrews, M., Weislogel, M., Moeck, P., Stone-Sundberg, J., Birkes, D.,
Hoffert, M.P., Lindeman, A., Morrill, J., Fercak, O., Freidman, S., Gunderson, J., Ha, A.,
McCollister, J., Chen, Y., Geile, J., Wollman, A., Attari, B., Botnen, N., Vuppuluri, V.,
Shim, J., Kaminsky, W., Adams, D., Graft, J. 2014. "3D systems’ technology overview and
new applications in manufacturing, engineering, science, and education", 3D Printing and
Additive Manufacturing, Volume1(3), Pages 169-176.
[8] Lin, F., Zhang, L., Zhang, T., Wang, J., Zhang, R. 2015. “Innovative education in
additive manufacturing in China”, International Solid Freeform Fabrication Symposium –
An Additive Manufacturing Conference, Texas, USA.
29
30
POLİAMİD 6/POLİPROPİLEN (PA 6/PP)
KARIŞIMLARININ YAPI VE ÖZELLİKLERİ
Eylem Karadeniz Öza, İdris Karagözb ve Mustafa Öksüzc
a
PolyOne Corporation, Sanayi Mah. Demir Sok. No:1 ISISO San. Sitesi 34538 Esenyurt,
İstanbul/TÜRKİYE, [email protected]
b
Yalova Üniversitesi Yalova Meslek Yüksekokulu Lastik Plastik Teknolojisi Bölümü,
c
Marmara Üniversitesi Teknoloji Mühendisliği Fakültesi Metalürji ve Malzeme
Mühendisliği Bölümü, İstanbul/TÜRKİYE, [email protected]
Özet
PA 6 ile farklı viskozite değerlerinde, cam elyaf, karbon elyaf vb. ile kuvvetlendirilerek,
kauçuk ile modifiye edilerek, ısıl dayanımı yüksek mineral dolgulu ve alev geciktiricililer
kullanılarak farklı amaçlara uygun geniş bir yelpazede ürünler üretilebilmektedir. Bu
çalışmada; poliamid içerisine belirli oranlarda homopolimer polipropilen, maleik anhidritli
polipropilen ve cam elyafı katılarak her bir katkı ve dolgu maddesinin mekanik özellikler
üzerindeki etkisi incelenmiştir. Yapılan incelemelerde cam elyaf katkılı karışımların darbe
ve çekme mukavemetini arttırdığı, mekanik özellikleri olumlu yönde etkilediği,
polipropilen katkıların darbe ve çekme mukavemeti üzerinde çok yüksek bir etkisinin
olmadığı, katkı oranın artmasına bağlı olarak mekanik özelliklerin olumsuz yönde
etkilendiği tespit edilmiştir.
Anahtar kelimeler: Poliamid 6 (PA 6), Cam Elyaf, Homopolimer polipropilen, maleik
anhidritli polipropilen, Polipropilen (PP), Katkı ve dolgu maddeleri
STRUCTURE AND PROPERTIES OF POLYAMID 6 /
POLYPROPYLENE (PA 6 / PP) MIXTURES
Abstract
Polyamide 6 (PA6) has a very wide area of usage in especially automotive, transportation,
electric/electronic, white goods and home appliances as well as construction, furniture,
sport equipments, security materials and medical industry. By using PA6, it is possible to
produce a large variety of products compliant to various purposes in different viscosity
values, by reinforcing with fibers such as glass fiber, carbon fiber, modifying with rubber
and by using mineral fillers with high thermal resistance and flame retardants. In this study,
the effect of additives and fillers on mechanical properties was examined by adding
homopolymer polypropylene, polypropylene with maleic anhydride and glass fiber into
polyamide in various ratios. In the examinations it was found out that impact and tensile
strength was increased in glass fiber reinforced mixtures, that the mechanical properties
were positively affected, that polypropylene additives did not have an important effect on
impact and tensile strength and that mechanical properties were affected negatively due to
increasing ratio of additives.
Keywords: Polyamide 6 (PA 6), glass fiber, homopolymer polypropylene, polypropylene
with maleic anhydride, polypropylene (PP), additive and filler materials
31
1. Giriş
Poliamid 6 (PA 6), başta otomotiv, ulaştırma, elektrik/elektronik, beyaz eşya ve ev gereçleri
olmak üzere inşaat, mobilya, spor ekipmanları, güvenlik malzemeleri ve medikal sanayinde
yaygın olarak kullanılan en düşük kristalinite derecesine sahip olan ve en kolay işlenebilen
poliamid’ tir. Asit ve bazlara karşı dayanıklı olması (kuvvetli asitler hariç), yüksek darbe
dayanımı, yüksek termal dayanım ve mükemmel mekanik özelliklerinin yanı sıra
enjeksiyonla kalıplanabilmesi, PA 6’ nın temel avantajlarını oluşturmaktadır. PA 6
bünyesinde su toplama özelliğine (higroskopik) sahiptir. Bu özelliği PA 6’dan üretilmiş
ürünlerin kullanım esnasında titreşim ve darbelere dayanımı arttırırken, parçaların üretimi
esnasında boyutsal kararlılığa ulaşmayı zorlaştırır. Çentiğe duyarlı olması, düşük
sıcaklıklarda darbe mukavemetinin zayıflaması, UV mukavemeti, yapışma güçlüğü gibi
dezavantajları da vardır [1,2,6].
PA 6 ile farklı viskozite değerlerinde, cam elyaf, karbon elyaf vb. elyaflar ile
kuvvetlendirilerek, kauçuk ile modifiye edilerek, ısıl dayanımı yüksek mineral dolgulu ve
alev geciktiricililer kullanılarak farklı amaçlara uygun geniş bir yelpazede ürünler
üretilebilmektedir [1-6]. Bu çalışmada, poliamid ürünün özelliklerine bağlı olarak içerisine
belirli oranlarda homopolimer polipropilen, maleik anhidritli polipropilen ve cam elyafı
katılarak, farklı özelliklere sahip dolgu ve katkı maddelerinin poliamid’in mekanik
özellikleri üzerindeki etkisi tespit edilmeye çalışılmıştır.
2. Deneysel Çalışmalar
Deneysel çalışmalarda, Domo firmasına ait Domamid 27 marka (yoğunluk: 1,14 g/cm 3,
erime noktası= 221 oC, relativ viskozitesi=2,7) PA 6 kullanılmıştır. Katkı maddesi olarak,
Lukoil firmasına ait Buplen 6531 marka (yoğunluk=0,90-0,91 g/cm3, MFI= 3-5 g/10 dak.,
Izod darbe dayanımı=25 j/m, δç=30 MPa) homopolimer polipropilen (PP-H) ve Polyram
firmasına ait Bondyram 1001 marka maleic anhidritli polipropilen (MA-PP) kullanılmıştır.
MA-PP homopolimer polipropilenin cam ve diğer dolgulu tiplerinde bağ oluşturmasını ve
dolguyu kaplamasını sağlamak amacıyla eklenmiştir. Cam elyafı olarak PPG firmasına ait
PPGCS 3299 marka E-tipi 13,7 μm çapında ve 3 mm uzunluğunda polipropilen cam elyaf
ve E-tipi 13,7 μm çapında ve 4,5 mm uzunluğunda PA 6 cam elyaf kullanılmıştır. Karışıma
ısı stabilizatörü olarak % 0,1 oranında fosfat antioksidant (yoğunluk= 1,03 g/ml, erime
sıcaklığı=180-185oC, moleküler ağırlığı=647 kal/mol)ve antioksidant olarakta %0,1
oranında fenolik antioksidant ilave edilmiştir.
Deneysel çalışmalar PolyOne Tekno Polimer ve Marmara Üniversitesi bünyesinde bulunan
makine ve cihazlarla gerçekleştirilmiştir. Karışımlar 15 kg’lık mikser makinesinde oda
sıcaklığında 10 dakika süreyle 50 devir/dak. ile karıştırılmıştır. Hazırlanan karışım Leistritz
ZSE 27 marka çift vidalı ekstrüzyon makinesinde granül haline getirilmiştir. Cam elyaf
üretim esnasında karışıma makinenin cam elyaf beslemesinden ilave edilmiştir. Bu çalışma
kapsamında Tablo 1’de verilen ekstrüzyon üretim parametreleri ile karışım yüzdeleri Tablo
2’de verilen 10 farklı karışım hazırlanmıştır.
32
Tablo 1 Ekstrüzyon üretim parametreleri
Teknik Parametreler
Karışım Kodu
AG131H
AG153B…AG161B
Sıcaklık (oC)
180-200
235-250
Vida devri (devir/dak.)
800
850
Tork (%)
58
50-51
Kapasite (kg/h)
45
45
Eriyik basıncı (Bar)
48
31-32
Eriyik sıcaklığı (oC)
205
237-239
Granül bıçak devri (devir/dak.)
100
100
Soğutma suyu sıcaklığı (oC)
60
60
Granül açık delik sayısı
3
3
Karışım
Kodu
PA 6
%
AG131H
AG153B
AG154B
AG155B
AG156B
AG157B
AG158B
AG159B
AG160B
AG161B
69,8
55,8
45,3
55,8
45,3
55,8
45,3
55,8
45,3
Tablo 2 Karışımların yüzdelik oranları
Cam Elyaf
(CE)
PP-H
MA-PP
Antioksidant
%
%
%
%
PA 6
PP
69,8
30
0,1
30
0,1
14
30
0,1
24,5
30
0,1
9,4
4,6
30
0,1
16,3
8,2
30
0,1
7
7
30
0,1
12,25
12,25
30
0,1
9,4
4,6
30
0,1
16,3
8,2
30
0,1
Isı Stabilizatörü
%
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
0,1
Tablo 2’de verilen özelliklerde hazırlanan granül halindeki karışımlar Nüve marka etüv
cihazında 80oC’ de 2 saat kurutulmuş ve sonrasında Arburg Allrounder 320K marka
enjeksiyon makinesinde test numuneleri üretilmiştir. Test numunelerinin üretimleri
esnasında enjeksiyonda kullanılan parametre değerleri Tablo 3’de verilmiştir.
Teknik Parametreler
İşleme sıcaklığı (oC)
Kalıp sıcaklığı (oC)
Tablo 3 Enjeksiyon üretim parametreleri
Karışım Kodu
AG131H
AG153B…AG161B
190±10
240±10
50±10
50±15
2.1 Yoğunluk Testleri
Yoğunluk ürünün kontrolünde kullanılan önemli bir parametredir. Ayrıca fiyat açısından
önemli bir özelliktir. Ürünün içerisindeki katkı maddelerinin oranı yoğunluk testlerinin
karşılaştırılmasıyla değerlendirilebilmektedir. Yoğunluk testleri Sartorius marka cihazda
ISO 2781 standardına uygun olarak saf su ile oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir.
Yoğunluk testleri her karışım için üç adet yapılarak ortalaması alınmış ve sonuçlar g/cm 3
cinsinden Tablo 4’de verilmiştir.
33
2.2 Isıl Deformasyon (HDT) Testleri
Testler Ceast marka test cihazında ISO 75A, 1,8 MPa standardına uygun olarak
gerçekleştirilmiştir. Isıl deformasyon deneyi yağ banyosu, ucunda baskı aparatı olan bir
batırma kolu ve batırma kolu üzerinde yer alan iğnenin batma miktarını gösteren bir
düzenekten oluşmaktadır. 4x10x80 mm ölçülerinde hazırlanan dikdörtgen plakalar
aralarında belli bir açıklık olan destek plakaları üzerine yerleştirilmiştir. 50 oC altına
ısıtılmış yağ banyosuna numuneler daldırıldıktan sonra sıcaklık dakikada 2 oC kademeli
olarak arttırılmıştır. Numuneler yağ banyosunda iken 1,8 MPa kuvvet ile numuneler üzerine
baskı uygulanarak ısı ve kuvvet etkisiyle eğilmesi sağlanmıştır. Batma kolu üzerindeki
göstergelerden kontrol edilen eğmenin 0,35 mm olduğu sıcaklık ısıl deformasyon sıcaklığı
olarak belirlenmiş ve sonuçlar oC cinsinden Tablo 4’de verilmiştir. Isıl deformasyon
testinin uygulanışı Şekil 1’de şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 1. Isıl deformasyon deneyinin (HDT) şematik gösterimi
2.3 VICAT Yumuşama Sıcaklığı Testleri
Numunelere karışımların yumuşama sıcaklığı üzerindeki etkisinin tespit edilmesi amacıyla
Ceast marka test cihazında ISO 306 standardına uygun olarak Vicat Yumuşama sıcaklık
testleri uygulanmıştır. Sonuçlar oC cinsinden Tablo 4’de verilmiştir.
2.4 Izod Darbe Testleri
Karışımların dinamik yüklere karşı kırılma enerjisini (darbe direncini) belirlemek için
Zwick marka test cihazında oda sıcaklığında ISO 180/IA standardına uygun olarak izod
darbe testleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlardan karışım oranlarının darbe direnci
üzerindeki etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. Izod darbe deneyi için 4x10x80 mm ölçülerinde
hazırlanan test numunelerine Şekil 2(a)’da gösterildiği gibi kırmayı kolaylaştırmak
amacıyla V-Çentik açılmıştır.
Şekil 2(c)’de deneyin temel prensibi şematik olarak gösterilmektedir. Sarkaç tipi bir cihaz
kullanılan izod darbe deneyinde öncesinde G ağırlığına sahip l uzunluğundaki bir çekiç
potansiyel enerji kazanacağı bir h yüksekliğine çıkartılmıştır. Daha sonra Şekil 2(a)’da
gösterilen şekilde hazırlanan numune çekicin salınım düzlemi ile çentiğin simetri düzlemi
birbiriyle çakışacak şekilde (Şekil 2(b)) yerleştirilmiştir. Numune uygun şekilde
yerleştirildikten sonra sarkaç düzgün bir şekilde çeneler arasına yerleştirilen numuneyi
kırması için serbest bırakılmıştır. Sarkacın numune ile temas ettiği andaki potansiyel enerji
ile numune kırıldıktan sonra sarkaçta kalan potansiyel enerji farkı o numunenin kırılması
34
için gerekli olan kırılma enerjisini (darbe direncini) vermektedir. Kırılma sonrası cihazın
ekranında görünen değer okunarak kırılma enerjisi belirlenmiştir. Sonuçlar kJ/m2 cinsinden
Tablo 4’de verilmiştir.
80
32
4
2
10
R0,25
a)
b)
45o
Çarpma yüzeyi
c)
Mesnet noktası
Sarkaç
Sabit
çene
β
l
α
22
Test
numunesi
Hareketli
çene
h0
G
h
G
Test numunesi
Şekil 2. Izod darbe testi a) Izod darbe test numunesi, b) Test numunesinin çenelere
bağlanması, c) Izod darbe testinin şematik gösterimi
2.5 Çekme Testleri
Çekme testleri, plastik malzemelerin mekanik dayanımını göstermesi açısından oldukça
önemlidir. Bu testlerle kopma mukavemeti, uzama miktarı, uygulanan çekme kuvvetine
bağlı olarak esneklik ve kırılganlık hakkında bilgi elde edilebilmektedir. Çekme testlerinde
kullanılan numuneler ISO 294 standardına uygun olarak hazırlanmıştır. Çekme testlerinde
kullanılan numuneler Şekil 3’te gösterilmektedir.
Test için 20 kN’luk loadcell kullanılmıştır. Test öncesi numuneler enjeksiyonla kalıplama
sonrasında 48 saat bekletilmiş ve 50 mm/dak test hızında, 30 mm/dak çekme modülü tespit
hızı, 30 mm/dak akma hızı ve oda sıcaklığında ISO 527-1 standardına uygun Zwick Z020
marka test cihazında çekme işlemine tabi tutulmuştur. Çekme testine ait sonuçlar çekme
mukavemeti (MPa), çekme modülü (MPa) ve kopma uzaması (%) olarak Tablo 4’te
verilmiştir.
35
10
4
Referans çizgiler
60
İki çene arasında kalan kısım
150
R60
20
Şekil 3. ISO 294’e göre hazırlanmış çekme testi numune ölçüleri
2.6 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) İncelemeleri
Taramalı elektron mikroskobu (SEM), çok küçük bir alana odaklanan yüksek enerjili
elektronlarla yüzeyin taranması prensibiyle çalışır. Karışım numunelerin çekme testine tabi
tutulmasından sonra kırık yüzeylerinden alınan SEM numuneleri Marmara Üniversitesi
Metalürji ve Malzeme Mühendisliği bölümünde bulunan JEOL JSM 541 0 LV marka test
cihazında incelenmiştir. Karışımların birbiri içerisinde dağılımı büyütülerek mikroskop
yardımı ile yüzey morfolojisi incelenmiştir. İncelemeler yapılmadan önce PP ve PA 6 bazlı
karışım kırık yüzeyleri 30 Ao kalınlığında altınla kaplanmıştır.
3. Deneysel Sonuçlar
Deneysel çalışmalara ait sonuçlar toplu olarak Tablo 4’te verilmiştir. Çekme testlerine ait
sonuçlar incelendiğinde, en iyi mukavemet değerine (137,26 MPa) AG153B (%30 PA CE,
%70 PA 6) kodlu karışımın sahip olduğu görülmektedir. AG153B kodlu karışım diğer
karışımlara oranla %18 daha fazla mukavemet değerine sahiptir. Karışım içerisine farklı
oranlarda PP-H ve MA-PP eklenmesi ürünün çekme mukavemetini az miktarda da olsa
düşürmektedir. Bu PA 6 ve PP gibi iki farklı yapıya sahip karışımlar için beklenen bir
durumdur. Tablo 4 incelendiğinde AG153B kodlu karışım dışında kalan diğer karışımların
çekme mukavemet değerlerinin birbirine yakın olduğu görülmektedir. Karışım içerisindeki
PA 6 yüzdesi sabit tutularak, PP-H ve MA-PP yüzdelerinin değiştirilmesi çekme
mukavemeti üzerinde çok fazla bir etki göstermemiştir. Karışım yüzdeleri sabit tutularak
cam elyaf malzemesi değiştirilen karışımlarda da (AG157B – AG161B) büyük farklar
olmadığı tespit edilmiştir.
36
Karışım
Kodu
AG131
H
AG153B
AG154B
AG155B
AG156B
AG157B
AG158B
AG159B
AG160B
AG161B
Yoğunl
uk
(g/cm3)
HDT
(oC )
1,11
127
1,33
1,26
1,19
1,28
1,26
1,30
1,21
1,29
1,25
200
179
177
161
153
159
146
153
150
Tablo 4 Test sonuçları
Test Sonuçları
Çekme
Izod
VICAT
Mukaveme
Darbe
(oC )
ti
(kJ/m2)
(MPa)
135
4,3
61,47
215
190
187
170
160
170
158
165
160
9,8
11,3
10,5
6,9
6,4
5,4
5,8
5,2
6,2
137,26
115,73
88,31
113,57
114,47
110,24
115,09
104,57
114,42
Çekme
Modülü
(MPa)
Kopma
Uzaması
(%)
6930
1,62
8937
7827
7174
9251
8504
8283
8600
9799
8816
3,40
2,78
2,48
2,06
2,50
1,85
2,65
1,59
2,32
Kopma uzamaları karşılaştırıldığında sonuçların oldukça farklı olarak gerçekleştiği
görülmektedir. PP esaslı malzemelerin katılmadığı AG153B kodlu karışımın uzama değeri
diğerlerine göre %30 daha fazla olarak gerçekleşmiştir. Bu aynı tür malzemelerden yapılan
karışımlarda beklenen bir durumdur. Ancak tüm sonuçlar karşılaştırıldığında sonuçların çok
ta istikrarlı olmadığı görülmektedir.
Izod darbe testi sonuçları incelendiğinde MA-PP eklenen karışımların darbe
mukavemetinin düşük olduğu gözlemlenmiştir. Karışım içerisinde PA 6 yüzdesinin yüksek
olması ya da karışıma cam elyaf olarak PA esaslı cam elyafı eklenmesinin darbe
mukavemetini arttırdığı gözlemlenmiştir. PA 6 ve PA cam elyaf içerikli karışımın
(AG153B), PP ve PP cam elyaf içerikli karışıma (AG131B) göre 2,3 kat daha yüksek darbe
mukavemeti gösterdiği tespit edilmiştir.
Karışımların yoğunlukları incelendiğinde; içerisinde yoğunluğunu azaltacak bir katkı
malzemesi olmadığı için AG153B kodlu karışımın yoğunluğunun en yüksek olduğu
görülmektedir. Karışım içerisinde % 69,8 PA 6 ve % 30 PA cam elyaf bulunması nedeniyle
yoğunluğunun yüksek olması beklenen bir durumdur. Çünkü karışımda kullanılan
malzemeler içerisinde yoğunluğu en yüksek malzemeler ortalama 2,5 g/cm 3 ile cam elyaf
ve 1,14 g/cm3 ile PA 6 malzemesidir. Tablo 4’te yer alan karışımlara ait yoğunluk ölçüm
sonuçları incelendiğinde yoğunluk farkının; karışım içerisinde cam elyafın homojen olarak
dağılmamasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Cam elyafın karışım içerisindeki
dağılımına göre farklı bölgelerde farklı yoğunluk değerlerinin elde edileceği
düşünülmektedir.
Termal test sonuçları (HDT, VICAT) incelendiğinde; MA-PP eklenen karışımlarda ısıl
deformasyon sıcaklığı ve yumuşama sıcaklığının düştüğü gözlemlenmiştir. Testler
esnasında genel olarak tüm karışımların performansının PA 6’nın ısıl deformasyon
sıcaklığına kadar çok fazla farklılık göstermediği gözlemlenmiştir. PA 6 ve PP
malzemelerin karşılaştırılması ve kullanımı açısından daha uzun süreli ve daha iyi bir
sıcaklık direnci için PA 6 malzemesi PP’ne göre daha avantajlı ve ekonomik bir seçenek
olarak ortaya çıkmaktadır.
37
Darbe deneyleri kırık yüzeylerinden alınan numuneler üzerinde yapılan mikro yapı
incelemelerinde yer yer elyaf-matris sıyrılmalarına rastlansa da matris ve cam elyaf
arasında uygun bir dağılımın ve bağlantının olduğu gözlemlenmektedir. Şekil 4’te
karışımlara ait 250 büyütmeli mikro yapılar gösterilmiştir.
a) AG131H (x250)
b) AG153B (x250)
c) AG154B (x250)
d) AG155B (x250)
e) AG156B (x250)
f) AG157B (x250)
38
g) AG158B (x250)
h) AG159B (x250)
ı) AG160B (x250)
j) AG161B (x250)
Şekil 4. Karışımların oda sıcaklığında SEM yüzey morfolojisi (x250)
PA6 ve PP malzemelerden başarılı bir şekilde karışımlar elde edilmiştir. Karışımlarda
kullanılan cam elyafın mekanik özellikleri iyi yönde etkilediği, karışım içerisinde PP
oranının artmasının ise mekanik özellikleri düşürdüğü görülmüştür. MA-PP malzemesinin
kullanıldığı PP’li karışımlarda darbe dayanımının düştüğü ve mekanik özelliklerde istenilen
değerlere ulaşılamadığı tespit edilmiştir.
PP cam elyaflı karışımların mekanik özellikleri PA cam elyaflı karışımların mekanik
özellikleriyle karşılaştırıldığında karışım içerindeki elyaf türünden ziyade, karışımda cam
elyaf miktarının önemli olduğu ve iki farklı cam elyaf türü ile aynı değerlerdeki mekanik
özelliklerin elde edilebildiği görülmüştür.
Elde edilen sonuçlar bir önceki çalışmalar ile karşılaştırıldığında, sonuçların uygun olduğu
tespit edilmiştir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar otomotiv, ulaştırma, beyaz eşya,
inşaat, mobilya, spor ekipmanları gibi yüksek darbe dayanımı gerektiren uygulamalarda PA
6 ve PP’dan yapılan karışımlardan oldukça iyi sonuçlar alınacağını ortaya koymuştur.
Ancak inşaat, spor veya iş güvenliği ekipmanları gibi yüksek darbe dayanımına ihtiyaç
duyulan uygulamalarda, karışım içerisindeki MA-PP malzemesinin kullanımına dikkat
edilmesi gerekmektedir.
39
Semboller
F
δç
: Kuvvet (MPa)
: Çekme mukavemeti (MPa)
Kaynaklar
[1]Karadeniz, E., 2006 “Poliamid/Polipropilen (PA/PP) Karışımlarının Yapı Ve
Özellikleri”, Yüksek Lisans Tezi, Marmara üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul,
Türkiye.
[2]Ünal, H., Yetgin, S.H., 2010 “ÇYMAPE Ve PA-6 Mühendislik Polimerlerinin Aşınma
Ve Sürtünme Davranışlarının İncelenmesi”, TUBAV Bilim Dergisi 3(2) . p. 145-152
[3]Krištofič, M., Ujhelyiová, A., 2012 “Compatibilisation of PP/PA Blends”, FIBRES &
TEXTILES in Eastern Europe 2012; 20, 4(93). p.30-36.
[4]Kusmono1, Z. A. Mohd Ishak1*, W. S. Chow1, T. Takeichi2, Rochmadi, 2008
“Enhancement of properties of PA6/PP nanocomposites via organic modification and
compatibilization”, eXPRESS Polymer Letters Vol.2, No.9. p.655–664.
[5]Rybnikar, F., Geil, P. H., 1992 “Melting and Recrystallization of PA-6/PA-66 Blends”
ACRC Project 16 Nylon Refrigerant Tubing Report, Air Conditioning & Refrigeration
Center Mechanical & Industrial Engineering Dept. University of Illinois, USA. p. (217)
333-3115.
[6] Öksüz, M., Yıldırım, H., 2009 “Katkı ve Dolgu Maddelerinin Plastiklere Kazandırdığı
Özellikler”, Yazılmış Yayımlanmamış Ders Notları, Marmara Üniversitesi, İstanbul,
Türkiye.
40
POLİPROPİLEN’İN HASAR DAVRANIŞI ÜZERİNDE
MULLIN ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Necmi Düşünceli
Aksaray Üniversitesi Mühendislik Fakültesi MakineMühendisliği Bölümü, 68100
Aksaray/TÜRKİYE, [email protected]
Özet
Mullin yaklaşık olarak yetmiş yıl önce karbon siyahı ile güçlendirilmiş elastomer üzerinde
yaptığı çevrimsel yükleme deneylerlerinde bir dizi sonuca ulaşmıştır. Bunlar:
a)Deformasyonun her bir adımında yükleme-boşaltma eğrilerinin gerilme-gerinim
seviyeleri birbirinden farklıdır, b) Bir maksimum gerinim ve minimum gerilme seviyesi
arasında çevrim gerçekleştirilirse, artan çevirim sayısı ile maksimum gerilme seviyesinde
azalma, minimum gerinim seviyesinde artma gözlenir, c) Her bir çevirimde numune
ayarlanmış olduğu maksimum gerinim seviyesinin ötesinde adım adım gerilerek yüklenirse,
elde edilen gerilme-gerinim eğrisi ön yükleme yapılmamış numune ile aynı değerlere ulaşır.
Bu çalışmada, polipropilen (PP)’nin hasar davranışı üzerinde Mullin etkisinin sonuçlarını
tartışmak üzere bir dizi tek eksenli çevrimsel yükleme deneyleri gerçekleştirilmiştir.
Değişik gerinim seviyesinde farklı adımlarda çevrimsel yüklemeye maruz bırakılan PP
numune daha sonrasında gevşeme, sünme ve toparlanma deneylerine tabi tutulmuştur.
Nihai noktada gerçekleştirilen sünme, gevşeme ve toparlanma deneylerinde gerinim artışı
ya da gerilme düşümü seviyeleri arasında karşılaştırma yapılarak, Mullin etkisinin olup
olmadığı araştırılmıştır.
Anahtar kelimeler: Polipropilen, hasar davranışı, Mullin etkisi, çevrimsel yükleme
MULLINS-TYPE PHENOMENA ON DAMAGE
BEHAVIOR OF POLYPROPYLENE
Abstract
A set of phenomena conventionally referred to as Mullins’ effect was discovered about 60 years
ago in experiments on carbon black-reinforced rubbers. Observations in uniaxial tensile cyclic
tests show that a) at each cycle of deformation, loading and unloading paths of a stress–strain
diagram differ from each other (hysteresis of energy), b) when oscillations are performed between
a fixed maximum strain and the zero minimum stress, maximum stress decreases and minimum
strain increases with number of cycles (strain-softening), c) when a specimen is stretched beyond
the maximum strain under cyclic pre-loading, the stress-strain curve reaches that for a virgin
sample (fading memory). Experimental data are reported on isotactic polypropylene in multi-cycle
uniaxial tensile cyclic, relaxation and creep tests with progressively increasing maximum strains
and minimum stresses. Observations show that when tensile strain exceeds maximum strain in
previous cycles, the stress–strain curve rapidly reaches that for a virgin specimen (Mullin’s effect).
Moreover, not only loading paths of the stress–strain diagrams, but also corresponding retraction
paths are not affected by deformation history, and this property is independent of whether total
retraction down to the zero stress is performed under unloading.
Keywords: Polypropylene, damage behavior, Mullins effects, cyclic loading
41
1. Giriş
Polimerik malzemelerin deformasyon davranışı üzerinde ön deformasyonun ve yükleme
geçmişinin etkisini araştırmak için yapılan çalışmalar yetmiş yıllık bir geçmişe sahiptir. Bu
çalışmaların en dikkat çekicisi ve başlangıcını oluşturan ise Mullin tarafından karbon siyahı
eklenmiş kauçuk ile yapılanıdır[1]. Bu çalışma ile ortaya konan yükleme geçmişine bağlı
deformasyon davranışı özellikleri (Loading history or fading memory) Mullin’in adına
izafeten “Mullin Etkisi(Mullin Effects)” olarak da isimlendirilmektedir. Mullin karbon
siyahı eklenmiş kauçuk ile yaptığı deney sonuçlarını aşağıdaki gibi özetlemiştir.
1.
2.
3.
Çevrimsel yükleme altında, her bir çevrimdeki yükleme-boşaltma eğrileri
birbirinden farklı gelişir. Bu durum enerjinin histerisiz olmasıyla ilgilidir.
Çevrimsel yüklemeler belirlenmiş olan bir maksimum gerinim seviyesi ile sıfır
gerilme seviyeleri arasında yapılırsa; artan çevrim sayısı ile maksimum gerilme
seviyesinde azalma, minimum gerinim seviyesinde artış gözlemlenir. Bu durum
gerinim yumuşaması (strain softening) olarak isimlendirilir.
Çevrimsel yükleme esnasında numune belirli bir maksimum gerinim seviyesine
kadar yüklenir ve boşaltılırsa; aynı numune bu noktadan tekrar yüklendiğinde ön
deformasyona maruz bırakılmamış numune ile aynı sonuçları verir.
Yukarıdaki özelliklerin ilk ikisi, çevrimsel yükleme altında plastik deformasyonun gelişimi
ile ilişkilidir. Bu davranış geleneksel viskoplastisite teorileri ile açıklanmaya çalışılır. Son
maddede belirtilen deformasyon davranışı ise modelleme ve yapısal olarak açıklanması
açısından birçok zorluklar içerir [2].
Son yıllarda, başta kauçuklar[3-6] olmak üzere termoplastik elastomerler [7,8], çok aşılı
kopolimerler (multi graft copolymer) [9], biyolojik kaslar [10,11], yarı kristalin polimerler
[12,13], çift ağlı hidrojeller [14,15], fiber birleştiriciler [16] gibi malzemelerde Mullin etkisi
gözlemlenmiştir.
Bu tip çalışmalar daha çok tam yüklemeli ve boşaltmalı çevrimsel yüklemeler üzerine
odaklanmıştır. Mullin etkisinin ön deformasyon (çevrimsel yükleme) sonrasında nasıl
geliştiği ve bu ön deformasyon sonrasında viskoelastik özelliklerin belirleyicisi olan sünme,
toparlanma ve gevşeme özelliklerin nasıl değiştiği ile ilgili çalışmalar yapılmamıştır [17].
Diğer yandan deneysel çalışmalar ışığında gözlemlenen Mullin etkisini açıklamak üzere
çeşitli matematiksel modeller ortaya konmuştur. Bu modellerde deformasyon davranışının
üzerinde viskoelastisite, viskoplastisite, hasara birikimi ve yükleme geçmişi göz önünde
bulundurulmuştur. Mullin etkisini açıklamak üzere ortaya konan modellemede karşılaşılan
başlıca zorluklar; deneysel sonuçları sadece niceliksel olarak tarif etmesidir, bu tip
yaklaşımlar genel olarak çoklu çevrimsel yüklemelerin modellenmesinden başarısızlıkla
sonuçlanmaktadır.
Bu bildiride polipropilen (PP) numune üzerinde Mullin etkisini incelemek üzere çeşitli
deneysel veriler ortaya konulmuş ve bu sonuçlar tartışılmıştır. Deneyler üç kısımdan
oluşmaktadır: Birinci kısmında, belirli bir maksimum yükleme seviyesinde çeşitli çevrim
sayılarında yükleme-boşaltmaya maruz bırakılarak ön deformasyon verilmiş numuneler
üzerindeki Mullin etkisi araştırılmıştır. İkinci ve üçüncü kısımda sırasıyla, birden fazla
adımdan değişik gerinim seviyelerine kadar yüklenip, sıfır gerilme seviyesine kadar
boşaltılan numuneler her bir boşaltma adımında gevşeme/sünme deneylerine tabi tutularak
42
ön deformasyona maruz bırakılmıştır, nihai gerilme seviyesinde
azalma/gerinimdeki azalma seviyelerinde farklılar karşılaşılmıştır.
gerilmedeki
İzotaktik Polipropilen, Bormed HD 810 MO ticari markalı (yoğunluk 0.91 g/cm 3, erime
akış indeksi 10 g/dk) Borealis AG Avusturya tarafından üretilmiştir. ASTM D638
standartlarına uygun olarak çekme numuneler hazırlanmıştır. Numuneler Arburg 320C
enjeksiyon makinesinde 10.1 mmx4.2 mm kesitine sahip olacak şekilde kalıplanmıştır.
Tek eksenli çekme testleri oda sıcaklığında, 10 mm/dk gerinim hızında Instron 5569 marka
üniversal test cihazı ile gerçekleştirilmiştir. Test cihazı boylamsal uzamayı elektromekanik
sensörler ile kontrol eden ekipmanlara sahiptir. Numune üzerine uygulanan çekme kuvveti
5 kN yükleme kapasitesine sahip yük hücresi ile ölçülmüştür. Mühendislik gerilmesi (σ)
eksenel kuvvetin numune ilk kesitine oranı ile belirlenmiştir. Deneylerin hepsi aynı çekme
hızında üç farklı çevrimsel yükleme ve boşaltma test programı ile yapılmıştır. Her bir test
için her defasında yeni numune kullanılmıştır ve her bir test uyumluluk açısından en az üç
kez tekrar edilmiştir. Testler üzerinde yapılan gözlemlerde gayet iyi uyumluluklar
gözlemlenmiştir ve her bir numune test sonuçlarında gerilme değerleri arasındaki farkın
%3’ü geçmemesine özen gösterilmiştir.
2.1 Çevrimsel Yükleme Testleri
Polipropilen’in yükleme geçmişine bağlı deformasyon davranışını araştırmak üzere, dört
farklı çevrimsel yükleme test programı gerçekleştirilmiştir ve birbirileri ile karşılaştırılması
yapılmıştır. İlk çevrimsel yükleme test programında tek çevrimli yükleme testi yapılmıştır.
Deney numunesi bir maksimum gerinim seviyesine ε max=0.15 kadar yüklenmiştir ve
minimum gerilme seviyesi σmin=0 MPa kadar aynı hızda boşaltılmıştır. Tek çevrimden
oluşan bu test ön deformasyona uğramamış (yükleme geçmişine sahip olmayan) numune
sonuçlarını görmek ve diğer testleri ile karşılaştırmak amacı ile gerçekleştirilmiştir. Test
sonuçları gerilmeye göre gerinim çizilmiş olarak Şekil 1’de gösterilmiştir.
Şekil 1. Tek eksenli tek çevrim 10 mm/dk çekme hızında εmax=0.15 ve σmin=0 MPa
seviyelerinde yükleme-boşaltma eğrisi
Yükleme ve boşaltma eğrilerinin yüksek oranda lineer olmayan özelliklere sahip olduğu
gözlemlenmiştir. Ayrıca boşaltma esnasında viskoelastik toparlanma meydana gelmiştir.
43
İkinci seri test programı aynı çekme hızında, belirlenmiş olan bir maksimum gerilme
σmax=20 MPa değerine kadar yükleme ve bu gerilme seviyesinden itibaren, bir minimum
gerilme seviyesi σmin=0 MPa değerine kadar boşaltma yapılmıştır. Bu iki gerilme seviyeleri
arasında çeşitli çevrim sayılarında çevrimsel yükleme-boşaltma yüklemeleri yaparak,
numune üzerinde bir ön deformasyon (yükleme geçmişi) meydana getirilmiştir. Ön
deformasyon sonrası test devam ettirilerek, aynı numune ile test en son boşaltma çevirimi
müteakibinde maksimum gerinim seviyesi ε max=0.15 değerine kadar yüklenmiş ve bu
gerilme seviyesine ulaştıktan sonra bir minimum gerilme seviyesi σ min=0 MPa değerine
kadar boşaltma yapılarak her bir test sonlandırılmıştır. Ön deformasyon (yükleme geçmişi)
işlemi σmax=20 MPa ile σmin=0 MPa gerilme seviyeleri arasında üç farklı çevrim
seviyesinde sırasıyla N1=10, N2=50 ve N3=100 olacak şekilde uygulanmıştır.
Çevrimsel ön deformasyona maruz bırakılan numunelerin gerilme gerinim eğrileri
aşağıdaki özellikleri göstermiştir: a) Gerilme-gerinim eğrilerinin yüksek seviyede lineer
olmayan özelliklere sahiptir, b) σmax=20 MPa ile σmin=0 MPa gerilme seviyeleri arasında
uygulanan çevrimsel yükleme sonrasında numuneler, σ min=0 MPa gerilme seviyesinden
hızla ön deformasyona uğramamış numune değerine erişmektedir, c) Numenler maksimum
gerinim seviyesine ulaştıktan sonra, hem yükleme eğrileri hem de boşaltma eğrileri ön
deformasyonsuz numune eğrileri ile çakışmaktadır. Bu testlere ait karşılaştırmalı gerilmegerinim eğrileri Şekil 2’de gösterilmiştir. Bu karşılaştırmada görüldüğü üzere PP
deformasyon davranışı üzerinde çevrimsel yükleme işlemi ile yapılan ön deformasyonun
(yükleme geçmişi) etkisi yoktur. PP’nin mekanik özellikleri çevrimsel yüklemeye bağlı
yükleme geçmişinden bağımsızdır.
Şekil 2. σmax=20 MPa ve σmin=0 MPa seviyelerinde n1=10, n2=50 ve n3=100 tekrar
çevrimsel yükleme-boşaltma eğrileri ve tek çevrim εmax=0.15 ve σmin=0 MPa seviyelerinde
yükleme-boşaltma eğrisi karşılaştırmalı sonuçları
2.2 Gevşeme Testleri
Zamana bağlı davranışı ve zamana bağlı davranışın yükleme geçmişi üzerindeki etkilerini
değerlendirmek üzere ön deformasyonsuz ve ön deformasyona maruz bırakılmış olan
numuneler ile gevşeme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Gevşeme deneyleri üç ayrı program
uygulanarak yerine getirilmiştir ve birbirileri ile karşılaştırılmaları yapılmıştır. Deney
programının ilkinde, ön deformasyonsuz numuneler bir maksimum gerinim seviyesi
εmax=0.15 değerine kadar yüklenmiş, bu gerinim değerinden bir minimum gerilme
seviyesine σmin=0 MPa değerine kadar boşaltılmıştır. Minimum gerilme seviyesine ulaşılan
44
noktada gevşeme testi başlatılmıştır. Gevşeme testi ASTM E-328 protokolü gereğince 20
dakika süresince gerilmedeki azalma zamanın fonksiyonu olarak ölçülmek suretiyle
gerçekleştirilmiştir. Bu tek çevrimli gevşeme deneyine ait gerilme gerinim eğrisi Şekil 3’de
verilmiştir.
Şekil 3. =10 mm/dk çekme hızında εmax=0.15 ve σmin=0 MPa seviyelerinde yüklemeboşaltma ve 20 dk süreli gevşeme deneyi eğrisi
Gevşeme deneyleri ikinci etap programında maksimum gerinim seviyesi ε max=0.15 değeri 5
eşit parçaya bölünerek ε1=0.03, ε2=0.06, ε3=0.09, ε4=0.12 yükleme-boşaltma çevrimleri ile
her adım sonunda ulaşılan minimum gerilme seviyesinde σ min=0 MPa 5 dakika süreli
gevşeme deneyleri yapılmıştır. Yine bu deneyin son adımında ε 5=0.15 bir önceki deneyde
olduğu gibi 20 dakikalık gevşeme deneyi gerçekleştirilmiştir.
Gevşeme deneyleri son etabında ise ikinci etaptan farklı olarak maksimum gerinim seviyesi
εmax=0.15 değeri sırasıyla ε1=0.015, ε2=0.03, ε3=0.045, ε4=0.06, ε5=0.075, ε6=0.09, ε7=0.105
ε8=0.12 ve ε9=0.135 olacak şekilde 10 eşit parçaya bölünmüştür. Her bir adımda yüklemeboşaltma testleri ile minimum gerilme seviyesi σmin=0 değerlerinde 5 dakika süreli gevşeme
testleri yapılmıştır. Yine bu deneyin en son adımında ε 5=0.15 itibaren minimum gerilme
seviyesine σmin=0 kadar boşaltma ve bu noktada başlatılan 20 dakikalık gevşeme testleri
yapılmıştır. Çevrimsel yükleme ile zamana bağlı ön deformasyonun birlikte yükleme
geçmişine olan etkisini incelemek üzere gerçekleştirilen tek, beş ve on adımlı yüklemeboşatma-gevşeme test grubu adımlarını içeren deney sonuçlarına ait gerilme-gerinim
eğrilerinin karşılaştırmalı sonuçları Şekil 4’de verilmiştir.
45
Şekil 4. 10 mm/dk çekme hızında εmax=0.15 ve σmin=0 MPa seviyelerinde tek, beş ve on eşit
adımlı yükleme-boşaltma gevşeme deneyleri eğrilerinin karşılaştırılması.
PP’nin mekanik davranışına ön deformasyon (yükleme geçmişi) etkisini gözlemlemek
üzere, çevrimsel yükleme-boşaltma-gevşeme deney programının son adımında
gerçekleştirilen 20 dakika süreli gevşeme testlerine ait gerilme-zaman eğrileri Şekil 5’de
verilmiştir. Bu eğrilerin karşılaştırılmasından çıkan sonuca göre yükleme-boşaltma ve
gevşeme testlerini içeren ön deformasyon (yükleme geçmişi) PP’nin viskoelastik
özelliklerini içeren mekanik davranışı üzerinde etkili değildir.
Şekil 5. Tek, beş ve on eşit adımlı 10 mm/dk çekme hızında ε max=0.15 kadar yükleme ve
σmin=0 MPa boşaltma noktasında başlatılan 20 dakikalık gevşeme testleri sonuçları
karşılaştırılması
2.3 Sünme Testleri
Diğer önemli bir viskoelastik özellik olan sünme testinin yükleme geçmişine bağlı etkisini
araştırmak üzere tıpkı gevşeme şartlarındaki deney programları tekrarlanmıştır. Zamana
bağlı davranışı ve zamana bağlı davranışın yükleme geçmişi üzerindeki etkilerini
değerlendirmek üzere ön deformasyonsuz ve ön deformasyona maruz bırakılmış olan
numuneler ile sünme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Sünme deneyleri üç ayrı program
uygulanarak yerine getirilmiştir ve birbirileri ile karşılaştırılmaları yapılmıştır. Deney
programının ilkinde ön deformasyonsuz numuneler bir maksimum gerinim seviyesine
46
kadar εmax=0.15 yüklenmiş, bu noktada bir minimum gerilme seviyesine σ min=0 MPa
boşaltılmıştır. Minimum gerilme seviyesi σ min=0 MPa noktasında sünme testi başlatılmıştır.
Sünme testi ASTM E-328 protokolü gereğince 20 dakika süresince gerilmedeki azalma
zamanın fonksiyonu olarak ölçülmek suretiyle gerçekleştirilmiştir. Bu tek çevrimli sünme
deneyine ait gerilme eğrisi Şekil 6’da verilmiştir.
Şekil 6. 10 mm/dk çekme hızında εmax=0.15 ve σmin=0 MPa seviyelerinde yüklemeboşaltma ve 20 dk süreli sünme deneyi eğrisi
Sünme deneyleri ikinci etap programında maksimum gerinim seviyesi ε max=0.15 değeri 5
eşit parçaya bölünerek ε1=0.03, ε2=0.06, ε3=0.09, ε4=0.12 yükleme-boşaltma çevrimleri ile
her adım sonunda ulaşılan minimum gerilme seviyesi σmin=0 MPa değerinde 5 dakika süreli
sünme deneyleri yapılmıştır. Yine bu deneyin son adımında ε 5=0.15 bir önceki deneyde
olduğu gibi 20 dakikalık sünme deneyi gerçekleştirilmiştir. Deneylerinin son etabında ise
ikinci etaptan farklı olarak maksimum gerinim seviyesi ε max=0.15 değeri sırasıyla ε1=0.015,
ε2=0.03, ε3=0.045, ε4=0.06, ε5=0.075, ε6=0.09, ε7=0.105 ε8=0.12 ve ε9=0.135 10 eşit
parçaya bölünmüştür. Deneyler, her bir gerinim seviyesine kadar yükleme daha sonra
minimum gerilme seviyesine σmin=0 kadar boşaltma çevrimleri ile bu noktada başlatılan 5
dakika süreli sünme testlerini içermektedir. Yine bu deneyin en son adımında ε 5=0.15
itibaren minimum gerilme seviyesine σmin=0 kadar boşaltma ve bu noktada başlatılan 20
dakikalık sünme testleri yapılmıştır.
Çevrimsel yükleme ile zamana bağlı ön deformasyonun birlikte yükleme geçmişine olan
etkisini incelemek üzere gerçekleştirilen tek, beş ve on adımlı yükleme-boşatma-sünme test
adımlarını içeren deney sonuçlarına ait gerilme-gerinim eğrilerinin karşılaştırmalı sonuçları
Şekil 7’de verilmiştir.
47
Şekil 7. 10 mm/dk çekme hızında εmax=0.15 ve σmin=0 MPa seviyelerinde tek, beş ve on eşit
adımlı yükleme-boşaltma gevşeme deneyleri eğrilerinin karşılaştırılması.
PP numune üzerinde ön deformasyonunun (yükleme geçmişi) önemli viskoelastik
özelliklerden biri olan sünme davranışı üzerindeki etkisini gözlemlemek üzere her bir deney
programının son adımında gerçekleştirilen 20 dakika süreli sünme deneyi gerilme-zaman
eğrileri Şekil 8’de verilmiştir. Bu eğrilerin karşılaştırılmasından çıkan sonuca göre
yükleme-boşaltma ve sünme testlerini içeren ön deformasyon (yükleme geçmişi) işlemi
PP’nin viskoelastik özelliklerini içeren mekanik davranışı üzerinde etkili değildir. Diğer bir
ifade ile PP yükleme geçmişini unutmaya meyilli bir malzemedir.
Şekil 8. Tek, beş ve on eşit adımlı 10 mm/dk çekme hızında ε max=0.15 kadar yükleme ve
σmin=0 MPa boşaltma noktasında başlatılan 20 dakikalık sünme testleri sonuçları
karşılaştırılması
3. Sonuçlar ve Yorum
İzotaktik Polipropilen’den elde edilmiş çekme numuneleri kullanılarak, üç farklı tek eksenli
çekme çevrimsel yükleme altında yapılan deney programının sonuçları aşağıdaki gibi
özetlene bilinir. Belirlenmiş olan bir maksimum gerinim seviyesinden, bir minimum
gerilme seviyesine boşaltma yapılması esnasında; daha önceki gerinim seviyelerinde çeşitli
şekillerde yapılacak olan çevrimsel yükleme, gevşeme ve sünme ön deformasyonları
48
polimerik malzemenin nihai mekanik cevabı üzerinde etkili değildir. Bu sonuçlar ışığında,
PP’nin Mullin etkisine dair karakteristik özelliklere sahip olduğu ortaya çıkarılmıştır. Diğer
bir ifade ile PP’nin mekanik özellikleri yükleme geçmişinden bağımsızdır ve yük geçmişi
hafızası yoktur.
Kaynaklar
[1] Mullins L (1947). Effect of stretching on the properties of rubber. Journal of Rubber
Research16, pp. 275–289.
[2] Diani J, Fayolle B, Gilormini P (2009). A review on the Mullins effect. European
Polymer Journal 45, pp. 601–612.
[3] Fukahori Y. (2010). Mechanism of the self-reinforcement of cross-linked NR generated
through the strain-induced crystallization. Polymer 51, pp. 1621–1631.
[4] Ayoub G, Zairi F, Nait-Abdelaziz M, Gloaguen JM (2011). Modeling the low-cycle
fatigue behavior of visco-hyperelastic elastomeric materials using a new network alteration
theory:Application to styrene-butadiene rubber. Journal of the Mechanics and Physics of
Solids 59, pp. 473–495.
[5] MacHado G, Chagnon G, Favier D (2010). Analysis of the isotropic models of the
Mullins effect based on filled silicone rubber experimental results. Mechanics of Materials
42,pp. 841–851.
[6] Merckel Y, Diani J, Brieu M, Gilormini P, Caillard J (2011). Characterization of the
Mullins effect of carbon-black filled rubbers. Rubber Chemistry and Technology 84, pp.
402–414.
[7] Merabia S, Sotta P, Long DR (2008). A microscopic model for the reinforcement and
thenonlinear behavior of filled elastomers and thermoplastic elastomers (Payne and Mullins
effects). Macromolecules 41, pp. 8252–8266.
[8] Drozdov AD (2010). Mullins’ effect and damage accumulation in perfluoroelastomers.
Multidiscipline Modeling in Materials and Structures 6, pp. 438–460.
[9] Serban DA, Maravina L, Silberschmidt V (2012). Behaviour of semi-crystalline
thermoplastic polymers: Experimental studies and simulations. Computational Materials
Science 52, pp. 139–146.
[10] Ehret AE, Itskov M (2009). Modeling of anisotropic softening phenomena:
Application to soft biological tissues. International Journal of Plasticity 25, pp. 901–919.
[11] Pena E, Pena JA, Doblare M (2009). On the Mullins effect and hysteresis of fibered
biological materials: A comparison between continuous and discontinuous damage models.
International Journal of Solids and Structures 46, pp. 1727–1735.
[12] Drozdov AD (2009). Mullins’ effect in semicrystalline polymers. International Journal
of Solids and Structures 46, pp. 3336–3345.
[13] Serban DA, Maravina L, Silberschmidt V (2012). Behaviour of semi-crystalline
thermoplastic polymers: Experimental studies and simulations. Computational Materials
Science 52,pp. 139–146.
[14] Webber RE, Creton C, Brown HR, Gong JP (2007). Large strain hysteresis and
Mullins effect of tough double-network hydrogels. Macromolecules 40, pp. 2919–2927.
[15] Wang X, Hong W(2011). Pseudo-elasticity of a double network gel. Soft Matter 7, pp.
8576–8581.
[16] Wilde TP, McDowell DL, Jacob KI, Aneja AP (2006). A modified Mullins model for
compressive behavior of goose down fiber assemblies. Mechanics of Advanced Materials
and Structures 13, pp. 83–93.
[17] Zhang C, Moore ID (1997). Nonlinear mechanical response of high density
polyethylene. Part I: experimental investigation and model evaluation, Polymer
Engineering and Science 37, pp. 404–413.
49
50
GERİ DÖNÜŞTÜRÜLMÜŞ PET/POLİKARBONAT
HARMANLARININ ÖZELLİKLERİNİN ZİNCİR
UZATICI KULLANILARAK İYİLEŞTİRİLMESİ
Okan Güla, Nevin Gamze Karslıb, Sinan Yılmazc ve Taner Yılmazd
Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü,
Kocaeli/TÜRKİYE, [email protected], [email protected],
b
[email protected], [email protected]
Özet
Önemli mühendislik polimerlerinden biri olan Poli(etilen teraftalat) (PET), yüksek
kimyasal direnci, iyi bariyer özellikleri ve şeffaflığı nedeniyle özellikle içecek şişelerinin
yapımında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak PET şişelerinin yaygın
kullanımlarının sonucunda yüksek miktarda PET atıkları oluşmakta ve bu atıkların bertaraf
edilmesi önemli bir çevre sorunu haline gelmektedir. Polimerik atıklardan kaynaklanan bu
endişelerin üstesinden gelebilmek için PET’in geri dönüşümü önemli bir konu haline
gelmiştir. Diğer taraftan geri dönüştürülmüş PET (r-PET)’in özelliklerindeki bozulma ve
istenilen özelliklerin elde edilmesi konusundaki yetersizlik aşılması gereken bir diğer sorun
olarak ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada, geri dönüştürülmüş r-PET’in Polikarbonat (PC)
ilavesi ile kırılma tokluğu ve mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi hedeflenmiştir.
Öncelikle r-PET/PC karışımları çeşitli kompozisyonlarda ağırlıkça % 90/10, 80/20, 70/30,
60/40 ve 50/50 olacak şekilde hazırlanmıştır. Optimum özellikleri sağlayan harmanın
bileşimi çekme testi ve dinamik mekanik analiz (DMA) sonuçları kullanılarak tespit
edilmiştir. Bu kompozisyona sahip harmanın mekanik, termal ve termomekanik
özelliklerini iyileştirmek için de ağırlıkça % 1 epoksi bazlı bir zincir uzatıcı kullanılmıştır.
Hazırlanan harmanın özellikleri çekme testi, esas kırılma işi (EWF) metodu ve DMA
kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar 70/30 r-PET/PC oranının optimum mekanik özellikleri
sağladığını göstermiştir. Bu bileşimde örneklere zincir uzatıcı ilavesiyle ise kırılma tokluğu
saf r-PET’in kırılma tokluğuna göre yaklaşık %200 artmıştır.
Anahtar kelimeler: Poli(etilenteraftalat), Polikarbonat, zincir uzatıcı, esas kırılma işi
IMPROVEMENT THE PROPERTIES OF RECYCLED
PET AND POLYCARBONATE BLENDS IN THE
PRESENCE OF CHAIN EXTENDER
Abstract
Poly(ethylene terephthalate) (PET) is one of the most significant engineering polymers.
PET is commonly used for drink bottles because of high chemical resistance, transparency
and good barrier properties. However, rapidly aggregating use of PET bottles leads to a
huge amount of PET waste. This situation is becoming an environmental problem. The
issue which resulted from the polymeric wastes, recycling of PET has been become an
important subject for overcoming this cares. Moreover, deterioration the properties of
recycled PET (r-PET) and its incapableness about performing the expected properties come
up as another issue which should be accomplish. In this study, it is aimed to increase the
51
mechanical strength and fractural toughness properties of r-PET by the addition of
polycarbonate (PC). At first, r-PET/PC blends were prepared in various compositions
(90/10, 80/20, 70/30, 60/40 and 50/50 wt. %). The blend composition which provides
optimum properties were determined by using dynamic mechanical analysis (DMA) and
tensile test. In order to improve the mechanical, thermal and thermomechanical properties
of the blend at this composition, 1 wt. % epoxy based chain extender were used. Properties
of prepared blend were investigated by using tensile test, essential work of fracture analysis
and DMA. It has been seen that r-PET/PC (70/30 wt. %) provides optimum mechanical
properties of blend. The addition of the chain extender to samples of this compound
increased fracture toughness about 200% when compared to fracture toughness of pure rPET.
Keywords: Poly(ethylene terephthalate), Polycarbonate, chain extender, essential work of
fracture
1. Giriş
Poli(etilen teraftalat) (PET), şeffaflığı, iyi bariyer özelliği, yüksek kimyasal direnci vb.
özellikleri sayesinde içecek şişeleri başta olmak üzere birçok alanda sıkça kullanılan bir
polimerdir [1-5]. Ancak PET’in kullanım alanının genişliği ve doğada bozunabilen bir
polimer olmaması beraberinde atık problemini de getirir. Bu sebeple PET’in geri
dönüştürülmesi ve tekrar kullanılması bu problemin üstesinden gelebilmek için sıkça
başvurulan bir yöntemdir [2]. Diğer taraftan bu yöntemin de birtakım dezavantajları vardır.
Geri dönüşüm sürecinin sonunda PET’in molekül ağırlığında ve viskozitesinde meydana
gelen azalma bu dezavantajların başında gelmektedir [2,3]. Buna ek olarak molekül ağırlığı
ve viskozitede meydana gelen bu düşüş mekanik özelliklerde de kötüleşmeye sebep
olmaktadır. Bu dezavantajı ortadan kaldırmak için kullanılan yöntemlerden biri de geri
dönüştürülmüş bu polimerin başka polimerlerle harmanlarının hazırlanmasıdır.
Polikarbonat (PC) bu amaçla kullanılabilecek polimerlerden biridir. Geri dönüştürülmüş
PET’e (r-PET) PC ilavesiyle, r-PET organik çözücülere karşı daha dirençli bir hal alırken
boyutsal kararlılığı artar ve eriyik viskozitesi daha kolay kontrol edilebilir bir hal alır. Tüm
bunların yanında en önemlisi r-PET’in darbe dayanımı ve kırılma tokluğu özellikleri
iyileşir [6]. Diğer taraftan PET ve PC harmanlarında aktif arafaz etkileşimleri meydana
geldiği için bu iki polimere kısmi olarak uyumludur denebilir. Ancak bu iki polimer
arasındaki uyumluluğun arttırılmasıyla harmanların özelliklerinde iyileşme elde edilebilir.
Bu çalışmada da geri dönüştürülmüş PET’in mekanik dayanım ve kırılma tokluğu
özelliklerinin PC ve zincir uzatıcı ilavesiyle iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Öncelikle rPET/PC harmanları değişen ağırlıkça bileşim oranlarında hazırlanmıştır ve optimum
özelliği sağlayan harman türüne çekme testi ve dinamik mekanik analiz (DMA) sonuçları
kullanılarak karar verilmiştir. Ardından r-PET/PC harmanlarının mekanik dayanım ve
kırılma tokluğu özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla harmanlara ağırlıkça %1 oranında
Joncryl® ilave edilmiş ve sonuçlar çekme testi, esas kırılma işi (EWF) metodu ve DMA
kullanılarak değerlendirilmiştir.
2. Malzemeler ve Yöntem
Geri dönüştürülmüş PET Bordo Döküman ve Atık Geri Dönüşüm Sistemleri Tic. San. A.Ş.
(Istanbul) firmasından, polikarbonat ise Wonderlite PC 110 ticari ismi ile Kempro
(Istanbul) firmasından temin edilmiştir. Stiren akrilik emülsiyon bazlı zincir uzatıcı
Joncryl® ise BASF firmasından Joncryl® ADR-4300 ticari ismi ile temin edilmiştir.
52
r-PET/PC harmanları laboratuvar tipi mikro harmanlayıcı kullanılarak üretilmiştir. Yine
laboratuvar tipi enjeksiyonla kalıplama cihazı kullanılarak test numuneleri hazırlanmıştır.
Değişen ağırlıkça bileşim oranlarında hazırlanan r-PET/PC harmanlarının bileşim oranları
ve çalışmada adlandırıldıkları kısa isimleri Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1 Harmanların bileşim oranları ve kısa isimleri
r-PET
PC
Joncryl®
r-PET/PC/Joncryl
(Ağırlıkça %)
(Ağırlıkça %)
(Ağırlıkça %)
100
0
0
r-PET
0
100
0
PC
90
10
0
90/10
80
20
0
80/20
70
30
0
70/30
60
40
0
60/40
50
50
0
50/50
70
30
1
70/30_1J
Harmanların çekme testleri Instron marka 4411 model çekme cihazı kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. Esas kırılma işinin analiz edilmesi için kullanılan V-tipi örnekler 2
mm/dk çekme hızında test edilirken çekme dayanımının analiz edilmesi için kullanılan
örnekler 5 mm/dk çekme hızında test edilmişlerdir.
Örneklere uygulanan dinamik mekanik analiz TA Instruments marka Q800 model DMA
cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiş ve harmanların sönümleme faktörü (tanδ) değerleri
kullanılarak camsı geçiş sıcaklığı (Tg) değerleri elde edilmiştir.
3. Bulgular ve Tartışma
Çalışmanın ilk aşamasında optimum özelliği veren harman türüne karar vermek için
ağırlıkça % 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 ve 50/50 oranlarında hazırlanan r-PET/PC
harmanlarına uygulanan çekme testi sonucunda elde edilen çekme dayanımı sonuçları Şekil
1’de ve dinamik mekanik analiz sonucunda elde edilen camsı geçiş sıcaklığı değerleri
Şekil 1. r-PET/PC harmanlarına ait çekme dayanımı grafiği
53
Tablo 2 r-PET/PC harmanlarının DMA sonucunda elde edilen Tg değerleri
r-PET
PC
Sıcaklık Farkı
Örnek Türü
(Tg)
(Tg)
(°C)
77,1
156,4
79,3
88,6
136,8
48,3
90r-PET/10PC
91,2
149,7
58,5
80r-PET/20PC
70r-PET/30PC
92,5
133,2
40,6
88,9
140,4
51,5
60r-PET/40PC
87,8
144,4
56,6
50r-PET/50PC
Şekil 1 incelendiğinde harmanların çekme dayanımı değerlerinin birbirine yakın olduğu
bununla birlikte 70/30 ve 60/40 oranlarında hazırlanan r-PET/PC harmanlarının en yüksek
çekme dayanımı sonucunu verdiği görülmektedir.
Tablo 2 incelendiğinde ise tüm harman türlerinde r-PET ve PC’ye ait iki farklı T g değeri
elde edildiği görülmektedir. Bu durum kısmi olarak uyumlu polimer harmanlarında
beklenen bir durumdur [7]. Diğer taraftan iki polimere ait camsı geçiş sıcaklıkları değişen
ağırlık oranlarıyla birlikte değişmekte, r-PET’e ait Tg değeri artarken PC’ye ait T g değeri
azalmaktadır. Dolayısıyla tan delta eğrisinde iki pik birbirine yaklaşmakta ve bir pik
genişlemesi meydana gelmektedir. İki pikin birbirine yaklaşması ve pik genişlemesi
meydana gelmesi durumunun uyumluluğun artışı olarak yorumlandığı göz önünde
bulundurulduğunda piklerin birbirine en yakın olduğu bileşimin 70r-PET/30PC kodlu örnek
türü olduğu ve dolayısıyla en uyumlu bileşim oranının da 70/30 olduğu sonucuna varılabilir
ki bu sonuç çekme testi sonucu ile de örtüşmektedir.
Optimum özellikleri sağlayan r-PET/PC oranının 70/30 olduğuna karar verilmesinin
ardından ağırlıkça %1 oranında Joncryl® zincir uzatıcısı ilavesinin harmanların kırılma
tokluğu ve çekme dayanımı özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Zincir uzatıcı içeren
örneklere uygulanan çekme testi sonucunda elde edilen çekme dayanımı değerlerini
gösteren grafik Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 2. Joncryl® içeren harmanların çekme dayanımı grafiği
Şekil 2 incelendiğinde 70/30 oranında hazırlanan harmana ağırlıkça %1 oranında Joncryl ®
ilavesiyle harmanların çekme dayanımı değerinin azaldığı ancak yine de saf r-PET
değerinin altına düşmediği görülmektedir.
54
Ağırlıkça %1 oranında Joncryl® içeren harmanların dinamik mekanik analiz sonucunda elde
edilen camsı geçiş sıcaklığı değerleri diğer örneklerin camsı geçiş sıcaklığı değerleri ile
birlikte Tablo 3’de verilmiştir.
Tablo 3 Joncryl® içeren harmanların DMA sonucunda elde edilen Tg değerleri
r-PET
PC
Sıcaklık Farkı
(Tg)
(Tg)
(°C)
Örnek Türü
77,1
156,4
79,3
88,6
136,8
48,3
90r-PET/10PC
91,2
149,7
58,5
80r-PET/20PC
92,5
133,2
40,6
70r-PET/30PC
88,9
140,4
51,5
60r-PET/40PC
87,8
144,4
56,6
50r-PET/50PC
70r-PET/30PC_1Joncryl
97,0
127,3
30,3
Tablo 3 incelendiğinde r-PET ve PC’ye ait tan delta pikleri arasındaki en düşük sıcaklık
farkının Joncryl® içeren örnekte elde edildiği görülmektedir. Daha önce de bahsedilen tan
delta piklerinin birbirine yakınlaşmasının ve pik genişlemesinin uyumluluğun bir göstergesi
olduğu görüşü göz önünde bulundurulduğunda ağırlıkça %1 oranında Joncryl ® ilavesinin
harmanların uyumluluğunu arttırdığı yorumu yapılabilir.
EWF yöntemi sünek malzemelerin kırılma toklukları hakkında bilgi verir. EWF yöntemine
göre, sünek yapıda çentikli bir örneğe yük uygulandığı zaman çentik alanının çevresinde
plastik olarak akma oluşur ve gerçek çatlak ilerlemesinin oluştuğu proses alanı ile bu proses
alanını çevreleyen plastik deformasyon alanı arasında ayrılma meydana gelir [8]. Sonuç
olarak, bu iki tip proses alanı göz önünde bulundurulduğunda çentikli bir örneği kırmak için
gereken toplam iş iki bileşene ayrılabilir:
Wf
We
Wp
(1)
Denklem (1)’de Wf toplam kırılma işini ifade ederken We asıl çatlak ilerlemesinin meydana
geldiği proses alanında harcanan esas kırılma işini ifade eder. Wp ise plastik deformasyon
alanında tüketilen plastik (esas olmayan) kırılma işini ifade eder [9]. W e yüzeye bağlı bir
enerji terimidir ve değeri çentik açılmayan bölgenin alanı (Lt) ile orantılıdır. Diğer taraftan
Wp hacme bağlı bir enerjidir ve değeri akan bölgenin hacmi ile orantılıdır (L 2t) [10].
Böylece We ve Wp terimleri aşağıdaki şekilde yazılabilir:
We
Wp
we Lt
(2)
2
wp L t
(3)
Eğer denklik (2) ve (3), denklik (1)’de yerine yazılırsa ve elde edilen denklik düzenlenirse
denklik (4) elde edilir:
wf
we
wp L
(4)
55
Denklik (4)’de wf spesifik toplam kırılma işini, we spesifik esas kırılma işini, wp spesifik
plastik işi, L çentik açılmayan bölgenin uzunluğunu, t örnek kalınlığını, β plastik
deformasyon alanı ile bağlantılı olan şekil faktörünü ifade eder [10]. Denklik (4)
incelendiği takdirde görülecektir ki bu bir doğru denklemidir ve farklı L uzunlukları için
wf’nin L ile değişimi grafiği çizildiğinde elde edilen doğrunun wf eksenini kestiği nokta
EWF’ye göre malzemenin tokluk değeri olan we terimini verecektir [10].
Tablo 4’de harmanların EWF analizi sonucunda elde edilen tokluk değerleri verilmiştir. Bu
değerler incelendiğinde r-PET’in tokluk değerinin PC eklenmesiyle azaldığı görülmektedir.
Ancak 70r-PET/30PC harmanlarına ağırlıkça %1 oranında Joncryl® eklenmesiyle
harmanların kırılma tokluğunun saf r-PET ile karşılaştırıldığında yaklaşık %200 arttığı
görülmektedir.
Tablo 4 r-PET/PC harmanlarının kırılma tokluğu değerleri
we
wpβ
Örnek Türü
(kJ/m2)
(MJ/m3)
12.04
14.02
r-PET
52.22
3.12
PC
-20.74
4.92
70r-PET/30PC
38.58
12.27
70r-PET/30PC_1Joncryl
R2
0.95
0.94
0.53
0.94
4. Sonuçlar
Çalışmanın ilk aşamasında yapılan çekme testi sonucunda optimum özellikleri sağlayan rPET/PC bileşim oranına karar verebilmek için bileşenlerin değişen ağırlık oranlarında
katılmasıyla hazırlanan harmanlara çekme testi ve dinamik mekanik analiz uygulanmıştır.
Test sonuçları optimum özellikleri sağlayan bileşim oranının 70r-PET/30PC olduğunu
göstermiştir. İkinci aşamada, 70r-PET/30PC harmanına ağırlıkça %1 oranında Joncryl ®
zincir uzatıcısı ilavesiyle harmanların çekme dayanımı, kırılma tokluğu ve camsı geçiş
sıcaklıklarındaki değişim incelenmiştir. 70r-PET/30PC harmanına zincir uzatıcı ilavesiyle
çekme dayanımı değerinin düştüğü ama yine de saf r-PET’in değerinden daha düşük bir
değer sergilemediği ama bunun yanı sıra zincir uzatıcı içeren harmanların kırılma
tokluğunun saf r-PET’in kırılma tokluğuna oranla %200 daha fazla olduğu sonucuna
varılmıştır. Tüm sonuçlar bir arada değerlendirildiğinde, saf r-PET’in çalışmada belirlenen
oranlarda PC ve Joncryl® zincir uzatıcısıyla harmanlanması halinde çekme dayanımından
ödün vermeden kırılma tokluğunun önemli ölçüde artabileceği ve böylece kullanım alanının
genişleyebileceği sonucuna varılabilir.
Kaynaklar
[1] Mouzakis, D. E., Papke, N., Wu, J. S., Karger-Kocsis, J. 2001. "Fracture toughness
assessment of poly(ethylene terephthalate) blends with glycidyl methacrylate modified
polyolefin elastomer using essential work of fracture method", Journal of Applied Polymer
Science, Volume 79, Pages 842-852.
[2] Awaja, F., Pavel, D. 2005. "Recycling of PET", European Polymer Journal, Volume 41,
Pages 1453-1477.
[3] Torres, N., Robin, J. J., Boutevin, B. "Chemical modification of virgin and recycled
poly(ethylene terephthalate) by adding of chain extenders during processing", Journal of
Applied Polymer Science, Volume 79, Pages 1816-1824.
56
[4] Tang, X., Guo, W., Yin, G., Li, B., Wu, C. 2007. "Reactive extrusion of recycled
poly(ethylene terephthalate) with polycarbonate by addition of chain extender", Journal of
[5] Karayannidis, G. P., Psalida, E. A. 2000. "Chain extension of recycled poly(ethylene
terephthalate) with 2,2'-(1,4-phenylene)bis(2-oxazoline)", Journal of Applied Polymer
Science, Volume 77, Pages 2206-2211.
[6] Pesetskii, S. S., Jurkowski, B., Filimonov, O. V., Koval, V. N., Golubovich,,V. V. 2011.
"PET/PC Blends: Effect of Chain Extender and Impact Strength Modifier on Their
Structure and Properties", Journal of Applied Polymer Science, Volume 119, Pages 225–
234.
[7] John, B.,, Varughese, K. T., Oommen, Z., Pötschke, P., Thomas, S. 2003. "Dynamic
Mechanical Behavior of High-Density Polyethylene/Ethylene Vinyl Acetate Copolymer
Blends: The Effects of the Blend Ratio, Reactive Compatibilization, and Dynamic
Vulcanization", Journal of Applied Polymer Science, Volume 87, Pages 2083–2099.
[8] Mouzakis, D. E., Papke, N., Wu, J. S., Karger-Kocsis, J. 2001. “Fracture Toughness
Assessment of Poly(ethylene terephthalate) Blends with Glycidyl Methacrylate Modified
Polyolefin Elastomer Using Essential Work of Fracture Method”, Journal of Applied
Polymer Science, Volume 79, Pages 842-852.
[9] Bárány, T., Czigány, T., Karger-Kocsis, J. 2010. “Application of the essential work of
fracture (EWF) concept for polymers, related blends and composites: A review”, Progress
in Polymer Science, Volume 35, Pages 1257-1287.
[10] Mehrabi Mazidi, M., Razavi Aghjeh, M. K., Abbasi, F. 2012. “Evaluation of fracture
toughness of ABS polymers via the essential work of fracture (EWF) method”, Journal of
Materials Science, Volume 47, Pages 6375-6386.
57
58
ISIL YAŞLANMA VE TAKVİYE MALZEMESİ
TÜRÜNÜN POLİ(ETER ETER KETON)
KOMPOZİTLERİN ÖZELLİKLERİ ÜZERİNE
ETKİSİ
Şadi Demirkol1,2,a, Nevin Gamze Karslı2,b ve Taner Yılmaz1,2,c
1
Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Polimer Bilimi ve Teknolojisi,
Kocaeli/TÜRKİYE, [email protected]
2
Kocaeli/TÜRKİYE, [email protected], [email protected]
Özet
Poli(eter eter keton) (PEEK) yarıkristalin özellikte yüksek performans polimerlerinden
biridir. PEEK ve PEEK’in cam elyaf (CE) ya da karbon elyaf (KE) takviyeli kompozitleri,
yüksek ısıl ve kimyasal dirençleri ve üstün mekanik özellikleri sayesinde otomotiv,
havacılık ve biyomedikal başta olmak üzere birçok alanda sıkça kullanılmaktadırlar. Ancak
polimerik matrise elyaf ilavesi ile elyaf-matris ara yüzeyinde meydana gelen yapısal
değişiklikler sebebiyle kompozit özelliklerinde birtakım değişiklikler meydana gelir. Elyafmatris ara yüzeyinin yapısı kompozite uygulanacak birtakım ısıl işlemler yardımıyla
değiştirilebilir ve böylece kompozitin performansı iyileştirilebilir. Bu çalışmada da CE ve
KE takviyeli PEEK matrisli kompozitlere su verme (quenching) ve ısıl yaşlandırma (aging)
işlemleri uygulanarak bu işlemlerin kompozitlerin tribolojik, termomekanik, termal ve
morfolojik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Bu amaçla abrazif aşınma testi, dinamik
mekanik analiz (DMA), diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizi ve taramalı elektron
mikroskopisi (SEM) analizleri gerçekleştirilmiştir. Tribolojik test sonuçları en fazla aşınma
oranının KE takviyeli kompozitlerde elde edildiğini ancak ısıl yaşlanma işleminin
kompozitlerin aşınma oranını azalttığını göstermiştir. DSC analizi sonucunda ısıl işlem
görmüş örneklerin kristalinite miktarlarının arttığı sonucu elde edilmiştir. DMA sonucunda
en iyi elyaf-matris arayüzey yapışmasının ısıl işlem görmüş kompozitlerde elde edildiği
sonucuna varılmıştır. SEM mikrografları ise KE takviyeli kompozitlerin daha fazla aşındığı
ve her iki takviye malzemesi için de ısıl yaşlanmış örneklerin daha az aşınmaya uğradığı
sonucunu desteklemiştir.
Anahtar kelimeler: Poli(eter eter keton), ısıl yaşlandırma, abrazif aşınma, DSC, DMA,
SEM
THERMAL AGING AND REINFORCEMENT TYPE
EFFECTS ON THE PROPERTIES OF POLY(ETHER
ETHER KETONE) COMPOSITES
Abstract
Poly(ether ether ketone) is one of the semicrystalline high performance polymers. PEEK
and its glass fiber (GF) and carbon fiber (CF) reinforced composites are widely used in
automotive, aviation, biomedical industries due to their superior properties such as high
thermal and chemical resistance, exceptional mechanical performance etc. However, some
alterations occur in the composite properties due to the structural alterations at the fiber-
59
matrix interface with the fiber addition to polymeric matrix. Structure of fiber-matrix
interface can be change with the some kind of thermal processes and thus, performance of
composite can be improved. In this study, quenching and thermal aging processes were
applied to glass fiber and carbon fiber reinforced PEEK composites and effects of these
processes on the tribological, thermomechanical, thermal and morphological properties
were evaluated. For this purpose, abrasive wear test, dynamic mechanical analysis (DMA),
differential scanning calorimeter (DSC) analysis and scanning electron microscopy (SEM)
analysis were performed. Abrasive wear test results revealed that the highest wear rate were
observed for carbon fiber reinforced composites, however thermal aging process decreased
the wear rate of composites. It was observed from DSC analysis results that crystallinity
rate of thermally aged composites increased. DMA results indicated that the best fibermatrix interface adhesion was observed for thermally aged composites. SEM micrographs
supported the other test results and showed that carbon fiber reinforced composites
exhibited more wear rate and thermally aged composites exhibited less wear rate when
compared to other kind of composites.
Keywords: Poly(ether ether ketone), thermal aging, abrasive wear, DSC, DMA, SEM
1. Giriş
Poli(eter eter keton) (PEEK) yüksek performanslı yarı kristalin polimerlerden biridir [1-3].
Diğer polimerler ile karşılaştırıldığında sergilediği yüksek ısıl direnç, kimyasal direnç ve iyi
mekanik ve aşınma özellikleri sayesinde otomotiv, havacılık ve biyomekanik başta olmak
üzere yüksek performanslı malzeme kullanımı gerektiren alanlarda yaygın olarak
kullanılmaktadır [1,4,5]. Tüm bu özelliklerin yanı sıra elyaf ilavesi de PEEK’in mekanik
özelliklerini daha da iyileştirmek için kullanılan bir yöntemdir. Bu amaçla cam elyaf ve
karbon elyaf sıkça kullanılan elyaf türleridir ve literatürde bu elyaf türleriyle takviye
edilmiş PEEK’in özellikle mekanik ve aşınma özelliklerinin incelendiği birçok çalışma
bulunmaktadır [1-13].
Polimerik bir matrise elyaf ilavesi, elyaf-matris ara yüzeyinde birtakım kimyasal ve fiziksel
değişikliklere sebep olur ve bu değişiklikler de kompozitin bu bölgedeki morfoloji ve
kristalinite gibi mikroyapısal özellikleri ile ilişkilidir. Çünkü polimer içine ilave edilen
elyaf heterojen çekirdeklenme ajanı gibi davranır ve elyaf-matris arayüzeyi boyunca
kristallenmeyi tetikler. Elyaf-matris arayüzeyinde oluşan bu kristalin tabakaya
“transkristalin tabaka” adı verilir. Bu tabakanın oluşumu ve yapısı, elyaf-matris arayüzeyi
ve buna bağlı olarak da kompozitin mekanik özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir
[14-17]. Bu bilgiden yola çıkarak elyaf takviyeli PEEK kompozitlerinin elyaf-matris
arayüzeyindeki kristalinite özelliklerinin uygun ısıl işlem şartlarının seçilip uygulanmasıyla
kontrol edilebileceği sonucuna varılabilir. Böylece, uygun ısıl işlemin uygulanmasıyla
transkristalin tabakadaki değişikliğin mekanik, tribolojik, ısıl vb. özellikler üzerine etkisi
incelenebilir [18].
Bu çalışmada, karbon elyaf ve cam elyaf takviyeli PEEK matrisli kompozitlerde, ısıl
yaşlanma prosesinden doğan mikroyapısal değişikliklerin tribolojik, ısıl, termomekanik, ve
morfolojik özellikler üzerine etkisi incelenmiştir. Tribolojik özelliklerin incelenmesi için
abrazif aşınma testi yapılırken ısıl özellikler diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizi
ile, termomekanik özellikler dinamik mekanik analiz (DMA) ile ve morfolojik özellikler ise
taramalı elektron mikroskopisi (SEM) analizi ile incelenmiştir.
60
2. Malzemeler ve Yöntem
Çalışmada kullanılan karbon elyaf ve cam elyaf takviyeli PEEK kompozitler “VICTREX
PEEK 450CA30” ve “VICTREX PEEK 450GL30” ticari isimleriyle Victrex’den temin
edilmiştir.
Isıl işlem sürecinde karbon elyaf ve cam elyaf takviyeli PEEK kompozitler önce bir fırında
10 °C/dk ısıtma hızıyla 360 °C’ye kadar ısıtılıp bu sıcaklıkta 10 dakika bekletilmişlerdir.
Ardından fırından çıkarılan kompozitler hızlıca buzlu suya daldırılmışlardır [18]. Bu
yönteme “su verme” (quenching) adı verilir ve bu yöntemin uygulandığı kompozitler
çalışmada “Q” ile belirtilmiştir. Bu işlemin ardından su verilen örneklerin yarısı analiz için
ayrılırken diğer yarısı ise yine bir fırında 10 °C/dk ısıtma hızıyla 310 °C’ye kadar ısıtılıp bu
sıcaklıkta 60 dakika bekletilmişler ve ardından 10 °C/dk soğutma hızıyla 25 °C’ye
soğutulmuşlardır. “Isıl yaşlanma” (thermal aging) adı verilen bu yöntem uygulanan
kompozitler ise çalışmada “A” ile belirtilmiştir. Bu süreçlerin ardından çalışmada analiz
edilecek tüm örnek türleri ve örneklerin adlandırıldıkları kısa isimleri Tablo 1’de
verilmiştir.
Tablo 1 Kompozitlerin kısa isimleri
Malzemenin
Kısa Adı
CA30
CA30-Q
CA30-A
GL30
GL30-Q
GL30-A
Karbon Elyaf
Cam Elyaf
+
+
+
Su Verme
Isıl
yaşlanma
+
+
+
+
+
+
+
DSC analizi TA Instruments marka Q200 model DSC cihazı kullanılarak
gerçekleştirilmiştir ve analiz sonucunda kompozitlerin camsı geçiş sıcaklığı (T g), erime
sıcaklığı (Tm) ve erime entalpisi (ΔHf) değerleri elde edilmiştir. Analiz 25 °C ile 440 °C
arasında 10 °C/dk ısıtma hızıyla yapılmıştır. Elde edilen erime entalpisi değerleri
kullanılarak kompozitlerin relatif kristalizasyon dereceleri aşağıdaki denklik ile
hesaplanmıştır.
Xc(%) rel
Hf
H0
100
(1)
Bu denklikte ΔHf örneğin erime entalpisi değerini, ω PEEK matrisin kompozitteki yüzde
değerini, ΔH0 ise %100 kristalin saf PEEK'in erime entalpisi değerini ifade etmektedir.
PEEK'e ait bu değer literatürden elde edilmiş ve 130 J/g olarak kullanılmıştır [19].
Dinamik mekanik analiz TA Instruments marka Q800 model DMA cihazı kullanılarak
gerçekleştirilmiş ve kompozitlerin sönümleme faktörü (tanδ) değerleri elde edilmiştir.
Kompozitlerin abrazif aşınma testleri Ektron marka EKT-2103 model aşınma cihazı
kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sonucunda ortalama ağırlık kaybı değerleri aşınma
oranının (W) hesaplanmasında kullanılmış ve aşağıdaki denklik kullanılarak aşınma
oranları hesaplanmıştır [20].
61
W
M
.L.FN
(2)
Bu denklikte W örneğin spesifik aşınma oranını (m3/N.m), ΔM örnekteki ağırlık kaybını
(g), ρ örneğin yoğunluğunu (g/m3), L kayma mesafesini (40 m) ve FN ise uygulanan normal
yükü (5 N) ifade etmektedir.
Kompozitlerde meydana gelen aşınma izleri SEM analizi ile incelenmiştir. Bu amaçla
JEOL marka JSM-6060 model SEM cihazı kullanılmıştır.
3.1 Diferansiyel Taramalı Kalorimetri Analizi
Kompozitlere uygulanan DSC analizinden elde edilen ΔH değerleri ve hesaplanan yüzde
kristalinite sonuçları Tablo 2’de verilmiştir. Tablo 2 incelendiğinde, su verme işleminin
kompozitlerin kristalinite derecesini etkilemediği ancak ısıl yaşlandırma prosesiyle
kompozitlerin kristalinite değerlerinde önemli oranda artış meydana geldiği görülmektedir.
Buradan, elyaf-matris arasında daha önce de bahsedilen transkristalin tabakanın oluştuğu ve
ısıl yaşlandırma sonucunda artan kristalinite derecesinin bu transkristalin tabakayla ilişkili
olduğu sonucu çıkarılabilir.
Tablo 2 Kompozitlerin DSC analizi sonuçları
Malzemenin Kısa
ΔH (J/g)
Xc (%)rel
Adı
CA30
30,1
33,1
CA30-Q
32
35,2
CA30-A
42
46,2
GL30
29,2
32,1
GL30-Q
29,5
32,5
GL30-A
33,2
36,5
3.2 Dinamik Mekanik Analiz
Cam elyaf ve karbon elyaf takviyeli PEEK matrisli kompozitlere uygulanan dinamik
mekanik analiz sonucunda elde edilen sönümleme faktörü grafikleri Şekil 1’de verilmiştir.
Şekil 1. Cam elyaf ve karbon elyaf takviyeli kompozitlerin sönümleme faktörü eğrileri
62
Sönümleme faktörü elyaf takviyeli polimer matrisli kompozitlerde malzemenin dinamik
mekanik analiz sürecinde kaybettiği enerji hakkında bilgi verir. Elyaf takviyeli kompozit
malzemelerde, malzemeye gerilim uygulanması halinde elyaf uygulanan gerilimin büyük
kısmını taşırken gerilimin bir kısmı da elyaf-matris arayüzeyine aktarılır. Elyaf-matris
arayüzey etkileşimi kuvvetliyse arayüzeyde enerji kaybı az olur ve buna bağlı olarak da
sönümleme faktörü pik şiddeti düşük olur. Diğer taraftan elyaf-matris arayüzey etkileşimi
zayıfsa aktarılan gerilim yeterince taşınamaz ve bu noktada enerji kaybı meydana gelir.
Sonuç olarak da sönümleme faktörü eğrisinin pik şiddeti yüksek olur. Şekil 1
incelendiğinde her iki kompozit türü için de en düşük pik şiddetinin ısıl işlem görmüş
kompozitlerde elde edildiği görülmektedir. Buradan ısıl işlem sonucu elyaf-matris arayüzey
etkileşiminin iyileştiği sonucuna varılmaktadır.
3.3 Abrazif Aşınma Testi
Cam elyaf ve karbon elyaf takviyeli PEEK matrisli kompozitlere uygulanan abrazif aşınma
testi sonucunda hesaplanan aşınma oranı grafikleri Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 2. Cam elyaf ve karbon elyaf takviyeli kompozitlerin abrazif aşınma sonuçları
Şekil 2 incelendiğinde görülmektedir ki karbon elyaf takviyeli kompozitlerin aşınma
oranları cam elyaf takviyeli kompozitlerden yüksektir. Buna ek olarak ısıl yaşlanma prosesi
uygulanmış kompozitlerin en düşük aşınma oranı sergileyen kompozit türü oldukları elde
edilen bir diğer sonuçtur. Buradan ısıl yaşlanma işlemi sonucunda elyaf-matris
arayüzeyinde meydana gelen iyileşmenin aşınma oranı üzerinde etkisi olduğu ve
kompozitlerin aşınma oranını düşürdüğü sonucu çıkarılabilir. Bunun sebebi elyaf-matris
arayüzey etkileşiminin kuvvetli olduğu durumda elyafın aşınma sürecinde polimerden
kolayca ayrılmaması ve bu sayede polimerin elyaf tarafından korunması olarak
gösterilebilir ki bu sonuç DSC ve DMA sonuçları ile de uyuşmaktadır.
3.4 Taramalı elektron mikroskopisi analizi
Şekil 3, cam elyaf ve karbon elyaf takviyeli PEEK matrisli kompozitlerin aşınma
yüzeylerinin SEM mikrograflarını göstermektedir.
63
Şekil 3. Cam elyaf ve karbon elyaf takviyeli kompozitlerin SEM mikrografları
Şekil 3 incelendiğinde CA30, CA30-Q, GL30 ve GL30-Q kodlu kompozitlerde aşınma
yönünde oluşan izler açıkça görülmektedir. Diğer taraftan CA30-A ve GL30-A kodlu ısıl
yaşlanmış örneklere ait fotoğraflar incelendiğinde aşınma yüzeylerinin daha düzgün olduğu
göze çarpmaktadır. Bu sonuçlar da diğer test sonuçları ile örtüşmekte ve ısıl yaşlanmanın
kompozitlerde elyaf-matris arayüzey etkileşimini iyileştirdiği sonucunu kanıtlamaktadır.
4. Sonuçlar
Bu çalışmada, cam elyaf ve karbon elyaf takviyeli PEEK matrisli kompozitlere uygulanan
su verme ve ısıl yaşlanma işlemlerinin kompozitlerin aşınma, ısıl, termomekanik ve
morfolojik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. DSC analizi sonucunda su verme
işleminin, cam ve karbon elyaf takviyeli PEEK matrisli kompozitlerin kristallenme
derecesine etki etmediğini ancak ısıl yaşlandırma işleminin elyaf-matris arasında oluşan
transkristalin tabaka sebebiyle kristallenme derecesini arttırdığı görülmüştür. Dinamik
mekanik analiz sonuçlarında cam ve karbon elyaf takviyeli kompozitlerin her iki türünde de
en düşük pik şiddetinin ısıl işlem görmüş kompozitlerde elde edildiği görülmüştür. Buradan
ısıl yaşlandırma sonucu oluşan transkristalin bölgenin elyaf-matris arayüzeyini iyileştirdiği
sonucuna varılmıştır. Abrazif aşınma testi sonuçları karbon elyaf takviyeli kompozitlerin
cam elyaf takviyeli kompozitlere göre daha yüksek aşınma oranı sergilediğini göstermiştir.
Buna ek olarak, ısıl yaşlandırma uygulanmış cam elyaf ve karbon elyaf takviyeli
kompozitlerin diğer kompozitlere oranla daha düşük aşınma oranı sergiledikleri sonucuna
varılmıştır. SEM analizi sonuçları ise su verme işlemi uygulanmış kompozitlerin aşınma
yüzeylerinin belirgin olduğunu ancak ısıl işlem uygulanmış kompozitlerin aşınma
yüzeylerinin ise daha az belirgin ve düzgün olduğunu göstermiştir. Tüm analiz sonuçları
birlikte değerlendirildiğinde ısıl yaşlandırma işleminin elyaf takviyeli kompozitlerde elyafmatris arayüzeyini iyileştiren bir yöntem olduğu sonucuna varılmaktadır.
64
Kaynaklar
[1] Patel, P., Richard, H. T., Lyon, R. E., Stoliarov, S. I., Walters, R. N., Crowley, S.,
Safronava, N. 2011. “Investigation of the thermal decomposition and flammability of
PEEK and its carbon and glass-fibre composites”, Polymer Degradation and Stability,
[2] Sarasua, J. R., Remiro, P. M., Pouyet, J. 1996. “Effects of thermal history on
mechanical behavior of PEEK and its short-fiber composites”, Polymer Composites,
[3] Harsha, A. P., Tewari, U. S. 2003. “The effect of fibre reinforcement and solid
lubricants on abrasive wear behavior of polyetheretherketone composites”, Journal of
Reinforced Plastics and Composites, Volume 22, Pages 751-767.
[4] Ma, N., Lin, G. M., Xie, G. Y., Sui, G. X., Yang, R. 2012. “Tribological behavior of
polyetheretherketone composites containing short carbon fibers and potassium titanate
whiskers in dry sliding against steel”, Journal of Applied Polymer Science, Volume 123,
Pages 740–748.
[5] Sattari, M., Molazemhosseini, A., Naimi-Jamal, M. R., Khavandi, A. 2014.
“Nonisothermal crystallization behavior and mechanical properties of PEEK/SCF/nanoSiO2 composites”, Materials Chemistry and Physics, Volume 147, Pages 942-953.
[6] Flöck, J., Friedrich, K., Yuan, Q. 1999. “On the friction and wear behaviour of PANand pitchcarbon fiber reinforced PEEK composites”, Wear, Volume 225-229, Pages 304311.
[7] Davim, J. P., Cardoso, R. 2009. “Effect of the reinforcement (carbon or glass fibres) on
friction and wear behaviour of the PEEK against steel surface at long dry sliding”, Wear,
Volume 266, Pages 795–799.
[8] Yamamoto, Y., Hashimoto, M. 2004. “Friction and wear of water lubricated PEEK and
PPS sliding contacts Part 2. Composites with carbon or glass fibre”, Wear, Volume 257,
Pages 181–189.
[9] Pei, X. Q., Bennewitz, R., Schlarb, A. K. 2015. “Mechanisms of friction and wear
reduction by carbon fiber reinforcement of PEEK”, Tribology Letters, Volume 58, Pages
42-52.
[10] Werner, P., Altstädt, V., Jaskulka, R., Jacobs, O., Sandler, J. K. W., Shaffer, M. S. P.
2004. “Windle AH. Tribological behaviour of carbon-nanofibre-reinforced poly(ether ether
ketone), Wear, Volume 257, Pages 1006–1014.
[11] Friedrich, K., Lu, Z., Hager, A. M. 1995. “Recent advances in polymer composites‟
tribology”, Wear 1995;190:139-144.
[12] Sumer, M., Unal, H., Mimaroglu, A. 2008. “Evaluation of tribological behaviour of
PEEK and glass fibre reinforced PEEK composite under dry sliding and water lubricated
conditions”, Wear, Volume 265, Pages 1061–1065.
[13] Li, E. Z., Guo, W. L., Wang, H. D., Xu, B. S., Liu, X. T. 2013. “Research on
tribological behavior of PEEK and glass fiber reinforced PEEK composite”, Physics
Procedia, Volume 50, Pages 453–460.
[14] Quan, H., Li, Z. M., Yang, M. B., Huang, R. 2005. “On transcrystallinity in semicrystalline polymer composites”, Composites Science and Technology, Volume 65, Pages
999–1021.
[15] Klein, N., Marom, G., Pegoretti, A., Migliaresi, C. 1995. “Determining the role of
interfacial transcrystallinity in composite materials by dynamic mechanical thermal
analysis”, Composites, Volume 26, Pages 707-712.
[16] Wood, J. R., Marom, G. 1997. “Determining the interfacial shear strength in the
presence of transcrystallinity in composites by the Single-Fibre Microcomposite
65
Compressive Fragmentation Test”, Applied Composite Materials, Volume 4, Pages 197–
207.
[17] Nielsen, A. S., Pyrz, R. 1999. “Study of the influence of thermal history on the load
transfer efficiency and fibre failure in carbon/polypropylene microcomposites using Raman
spectroscopy”, Composites Interfaces, Volume 6, Pages 467-482.
[18] Sinmazcelik, T., Yilmaz, T. 2007. “Thermal aging effects on mechanical and
tribological performance of PEEK and short fiber reinforced PEEK composites”,
Materials&Design, Volume 28, Pages 641–648.
[19] Lagattu, F., Lafarie-Frenot, M. C. 2000. “Variation of PEEK matrix crystallinity in
APCcomposite subjected to large shearing deformations”, Composites Science and Technology,
[20] d'Almeida, J. R. M., Ribeiro, F. L., Alves, I. G. 2009. “Wear behavior of a polymermatrix composite reinforced with residues from a hydrometallurgical process”, PolymerPlastics Technology and Engineering, Volume 48, Pages 304–1309.
66
VİNİLESTER REÇİNE SİSTEMLERİNDE
KÜRLENME GECİKTİRİCİLERİN KÜRLENME
MEKANİZMASI ÜZERİNE ETKİSİNİN
İNCELENMESİ
Ayşe Begüm Baş1,a, Betül Kahraman1,b, Duygu Gülfem Baydar1.c, Mustafa Doğu1,d,
Aylin Bekem2,e ve Ahmet Ünal2,f
1
Mir Araştırma ve Geliştirme Anomin Şirketi, İstanbul/TÜRKİYE,
[email protected]; [email protected];
c
[email protected]; [email protected]
2
Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul/TÜRKİYE,
e
a
Özet
Düşük maliyetlerinin yanında yüksek mekanik performans gösteren cam elyaf takviyeli
vinilester reçine sistemleri özellikle yatçılık endüstrisinde kullanılmaktadır. Ancak termoset
matrisin dezavantajı olan kısa kürlenme süresi, proses koşullarını olumsuz yönde
etkileyebilmektedir. Bu çalışmanın amacı, matrisin kısa kürlenme süresini uzatan kürlenme
geciktiricilerinin kompozitin kürlenme mekanizması üzerindeki etkisinin incelenmesidir.
Bu bağlamda, vinil ester reçine sistemleri içine ağırlıkça farklı oranlarda kürlenme
geciktiriciler ilave edilmiş ve DSC cihazında bu sistemlerin reaksiyon kinetik sabitleri elde
edilmiştir. Elde edilen kinetik sabitler ile sistemlerin kinetik reaksiyon mekanizmaları
çıkarılmıştır. Böylelikle reçinenin takviye elemanına daha iyi emdirilmesi sağlanarak, aynı
fiber hacim oranlarında hazırlanmış geciktirici ilavesiz reçine ile üretilmiş kompozitlerden
daha mukavim bir ürün elde edilmiştir. Sonuçlar sem görüntüleri ile desteklenmiştir.
Anahtar kelimeler: Vinilester, kürlenme kinetiği, kürlenme geciktiricileri
INVESTIGATION OF CURING RETARDER EFFECT
ON CURING MECHANISM OF VINYL ESTER RESIN
SYSTEM
Abstract
Glass fiber reinforced vinyl ester resin systems which have high mechanical performance
and low cost are preferred especially yachting industry. However, disadvantage of short
curing time of thermosetting matrix can negatively affect process conditions. The aim of
this study is investigation of curing retarder which prolongs curing time of matrix that
affects curing mechanism of composite. In this regard, curing retarder with different weight
ratio was added into vinyl ester resin system and kinetic constant of reaction could be
obtained by using DSC device. Kinetic reaction mechanism of system could be revealed by
using kinetic constant. Thus, better resin impregnation could be provided. It could be
obtained much tougher product by using composite prepared same fiber volume ratio and
having non-retarder resin system. The results were supported by SEM images.
Keywords: Vinyl ester, curing kinetics, curing retarder
67
1. Giriş
Cam elyaf takviyeli vinil ester reçinelerden üretilmiş kompozitlerin kullanımı son yıllarda
pek çok alanda yaygın hale gelmiştir. Özellikle yüksek mekanik performans yanında düşük
maliyet gerektiren thermoset prepreg uygulamalarında vinil ester kullanımı oldukça yaygın
ve tercih edilen bir çözümdür [1,2]. Prepreg ve bunun gibi yüksek mekanik performansın
istendiği ürünlerde matris tabakası olarak vinil ester reçinin seçilmesi düşük maliyet ve
uygulama kolaylığı açısından avantaj sağlar.
Vinil ester reçine, oda sıcaklığında uygulaması oldukça kolay ancak çapraz bağlanma
reaksiyonları sırasında ortama büyük oranda ısı veren ekzotermik polimerizasyon
mekanizmasına sahip bir reçine türüdür [3]. Vinil ester reçinenin çapraz bağlanma
reaksiyonunun oluşabilmesi için reçine içine termal ya da redoks aktiveli peroksitlerin ilave
edilmesi gerekir. Bu peroksitleri aktive etmek için de sisteme bir başlatıcı ilave edilmesi
şarttır. Tüm bu bileşenlerin yanında keton ya da hidro peroksitlerin bozulması tetikleyici bir
akselatörün kullanımı şarttır. Düşük sıcaklık uygulamalarında en yaygın olarak kullanılan
akselatör, kobalt oktanat dır [4,5].
Termoset reçine sistemlerinde kullanılan diğer önemli çapraz bağlanma ajanları,
sonlandırıcı ve yavaşlatıcılardır. Sonlandırıcı, radikal çapraz bağlanma reaksiyonlarındaki
aktif radikalleri kapatarak reaksiyonu durdururken, yavaşlatıcı ajanlar sadece
polimerizasyon reaksiyonu sonucu ortaya çıkan yan zincirlerin bazılarının büyümesini
durdurur. Böylece polimerizasyon reaksiyonu yavaşlar.
Termoset reçinelerin kürlenme reaksiyon mekanizmalarını belirlemek adına pek çok
çalışma [6-10] mevcut iken, bu reçinelerin raf ömürlerini belirlemek adına derinlemesine
bir çalışma mevcut değildir.
Yapılan literatür taramalarında termoset reçinlerin çapraz bağlanma reaksiyon
mekanizmalarının elde edilmesi için diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC), FTIR
spektroskopisi, yüksek basınçlı sıvı kromotografisi (HPLC), nükleer manyetik rezonans
(NMR) ve fonksiyonel grupların titrasyonla tayini gibi birkaç yöntem kullanıldığına
rastlanmıştır. Bunlar içindeki en yaygın olan yöntem DSC kullanımıdır.
Bu çalışmada; peroksit, akselatör, başlatıcı ilaveli vinil ester reçine sistemlerine yavaşlatıcı
ilave edilerek vinil ester reçine sisteminin kürlenme kinetik reaksiyonu elde edilmeye
çalışılmıştır. Yapılan çalışmadan elde edilen iki farklı bileşime sahip vinil ester reçine
sistemi kullanılarak el yatırması yöntemi ile cam elyaf takviyeli kompozit numuneler
üretilmiş ve numunelerin mekanik dayımım değerleri incelenmiştir. Mekanik dayımın
sonuçlarını destekleyici olarak numunelerin kesitlerinin SEM görüntüleri incelenmiştir.
2. Deneysel
Vinil ester reçinelerin kürlenme mekanizmalarının belirlenmesi için yapılan çalışmalarda
kullanılan hammaddeler ve cihazlar aşağıda yer almaktadır.
2.1 Deneysel çalışmalarda kullanılan hammaddeler
Bu çalışma kapsamında deneysel çalışmalarda kullanılan hammadde ve özellikleri Tablo
1’de yer almaktadır.
68
Tablo 1 Deneysel çalışmalarda kullanılan hammaddeler.
Reçine Sistemi
Metin İçindeki
Hammadde
Bileşeni ve Takviye
Kısaltması
Vinil ester reçine (POLİYA A.Ş.Matris
VER
Polives 701)
Metil etil keton (AkzaNobel Sertleştirici
MEK
Butanox M30)
%6’lık kobalt oktanat (Dağlar
Hızlandırıcı
CO
Kimya A.Ş.)
Kürlenme Geciktiricisi
2-4, pentanedione (MERCK)
RTD
Cam elyaf
Dokuma cam elyaf 225 ± %7
g/cm2 (Camelyaf Sanayi)
GF
Bu hammaddeler kullanılarak, ağırlıkça aynı oranda matris, sertleştirici, hızlandırıcı ve
ağırlıkça farklı oranlarda kürlenme geciktiricisi içeren iki farklı reçete oluşturulmuştur.
Hazırlanan reçineler ile yüzde yirmi cam elyaf hacim oranına sahip kompozit numunler
üretilmiştir.
2.2 Kullanılan cihazlar
Bu çalışma kapsamında;, hazırlanan reçinelerin kürlenme mekanizmalarının belirlenmesi
için, A Perkin-Elmer DSC 4000 cihazı kullanılmıştır. Hazırlanan bu reçinler kullanılarak
üretilen cam elyaf takviyeli kompozit numunelerinin mekanik dayanımı, MARES tfd_4
univeral test cihazı kullanılarak ölçülmüştür. Son olarak FEI QUANTA FFG-450 SEM
cihazı kullanılarak mekanik teste tabi tutulan numunelerin kesit görüntüleri incelenmiştir.
2.3 Yöntemler
Vinil ester reçine sistemlerinin kürlenme kinetik reaksiyon mekanizmaları DSC cihazından
alınan veriler ile hesaplanmıştır. İki farklı reçete ile hazırlanmış olan vinil ester reçine
sistemlerinden el yatırması yöntemi ile üretilmiş %20 hacim oranında dokuma cam elyaf
içeren termoset kompozit numunelerin mekanik dayanım değerleri universal test cihazı
kullanarak belirlenmiştir. Son olarak mekanik dayanım belirleme testinden çıkan
numunelrin kesit görüntülerine SEM cihazında bakılmıştır.
3. Test Sonuçları ve Tartışma
Kürlenme mekanizmaları otokatalitik kürlenme kinetik reaksiyonuna göre ilerleyen RTD
ilaveli ve ilavesiz VER lerin 80, 90 ve 100 °C sıcaklıklardaki DSC ölçümleri izotermal ve
dinamik koşullarda yapılmıştır. Yapılan ölçüm değerlerinden Denklem 1’de yer alan
otokatalitik reaksiyon sabitleri çıkarılmış ve Denklem 2’de görüldüğü üzere VER kürlenme
kinetik reaksiyonu elde edilmiştir. Benzer çalışma sisteme RTD ilave edilerek
tekrarlanmıştır. Bu denklemlerle Şekil 1’de görülen farklı depolama koşullarındaki
kürlenme süreleri grafikleri elde edilmiştir.
(1)
69
Geciktirici ilavesiz VER kürlenme kinetik mekanizması
(2)
İki noktada doğrulama yapılmıştır. Bu sonuçlara göre RTD ilavesi ile kürlenme sürelerinin
uzadığı doğrulanmıştır.
Şekil 1. Geciktirici ilaveli ve ilavesiz vinil ester reçinelerin raf ömürleri.
Reçinelere düşük oranlarda RTD ilave edilmesi, hem matris ömrünü, hem de kompozitin
üretileceği teknoloji için uygulama süresini uzatır. Reçinenin uygulama süresinin uzaması,
takviye katmanlarının iyi bir şekilde ıslatılmasına imkân verir. Böylece, iyi yedirilmiş
reçine ile hazırlanan kompozitin mekanik dayanım değerleri de yükselir.
Reçinelere düşük oranlarda geciktirici ilave edilmesi, hem matris ömrünü, hem de
kompozitin üretileceği teknoloji için uygulama süresini uzatır. Reçinenin uygulama
süresinin uzaması, takviye katmanlarının iyi bir şekilde ıslatılmasına imkan verir. Böylece,
iyi yedirilmiş reçine ile hazırlanan kompozitin mekanik dayanım değerleri de yükselir.
Bunu doğrulayacak şekilde, geciktirici ilaveli reçine ile hazırlanmış kompozitlerin mekanik
dayanım değerlerinin belirgin şekilde yükseldiği görülmüştür (Şekil 2).
70
Şekil 2. Geciktiricili/geciktiricisiz VER/GF kompozitlerin mekanik dayanım
değerleri
Mekanik ölçümleri yapılan test numunelerinin SEM görüntüleri alınarak elde edilen ölçüm
sonuçları desteklenmiştir. Şekil 3-a ve 3-b’de yer alan SEM görüntülerine göre; RTD
edilmiş reçineler ile hazırlanmış numunelerin fiberleri üzerinde daha fazla miktarda reçine
kalıntıları gözlenmiştir. Bu durum fiberin reçine tarafından daha iyi ıslatılmasının kanıtını
oluşturmaktadır.
Şekil 3. (a) RTD ilavesiz VER-GF
(b) RTD ilaveli VER-GF
Kısaltmalar
α
t
T
m ve n
R
: dönüşüm oranı
: reaksiyon süresi (sn)
: reaksiyon sıcaklığı (°C)
: otokatalitik reaksiyon hız sabitleri
: gaz sabiti (8.3145 J/(mol K))
Kaynaklar
[1] Marsh, G. 2002. “Prepregs - raw material for high-performance composites.”,
Reinforced Plastics, Volume 46, Pages 24-28.
[2] Wonderlya, C., Grenestedta , J., Fernlundb, G., Cěpusb, E. 2005. “Comparison of
mechanical properties of glass fiber/vinyl ester and carbon fiber/vinyl ester composites.”,
Composites Part B: Engineering, Volume 36, Pages 417-426.
[3] Scott, T., Cook, W., Forsythe, J.2002. “Photo-DSC cure kinetics of vinyl ester resins. I.
Influence of temperature.”, Polymer, Volume 46, Pages 5839–5845.
71
[4] Li, L., Lee, J.2001. “Effects of inhibitors and retarders on low temperature free radical
crosslinking polymerization between styrene and vinyl ester resin.”, Polymer Engineering
& Science, Volume 41, Pages 53-65
[5] Lee, J., Shimb, M., Kim, S.1997. “Autocatalytic cure kinetics of natural zeolite filled
epoxy composites.”, Materials Chemistry and Physics, Volume 48, Pages 36–40
[6] Lee, J., Shimb, M., Kim, S.2000. “Kinetic studies of an epoxy cure reaction by
isothermal DSC analysis.”, Thermochimica Acta, Volume 343, Pages 111–117.
[7] Lee, J., Lee, W.1994. “Kinetic parameters estimation for cure reaction of epoxy based
vinyl ester resin.”, Polymer Engineering & Science, Volume 34, Pages 742-749.
[8] Scott, T., Cook, W., Forsythe.2002. . “Kinetics and network structure of thermally cured
vinyl ester resins.”, European Polymer Journal, Volume 38, Pages 705-716.
[9] Dutta, A., Ryan, E., “Effect of fillers on kinetics of epoxy cure.”, 1979, Journal of
[10] Cho, S., Shim,J., Kim, W., “Thermal degradation kinetics of PE by the Kissinger
equation.”, 1998, Materials Chemistry and Physics, Volume 52, Pages 94-78.
72
POLİPROPİLEN (PP) TOZ KAPLI E-CAMI
ELYAFLARIN ÇEKME ÖZELLİKLERİNİN
İNCELENMESİ
Duygu Gülfem Baydar1,2,a, Aylin Bekem1,b, Mustafa Doğu2,c ve Ahmet Ünal1,d
1
Yıldız Teknik Üniversitesi Kimya-Metalurji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
Bölümü, İstanbul/TÜRKİYE,
a
[email protected]; [email protected]; [email protected]
2
Mir Araştırma ve Geliştirme Anomin Şirketi, İstanbul/TÜRKİYE,
a
Özet
Düşük yoğunluk, yüksek kırılma tokluğu, geri dönüştürülebilirlik gibi avantajları sayesinde
termoplastik kompozitlerin çeşitli sektörlerde kullanımına ilişkin çalışmalar artış
göstermektedir. Buna karşın yüksek viskozitelerinin neden olduğu düşük ıslatma ve
yetersiz fiber-matris arayüzeyi oluşumu nihai parçanın mekanik özelliklerini olumsuz
yönde etkilediği için kompozit sektöründe termoset kompozitlerin yerini alabilmiş
değillerdir. Termoplastiklerin bu olumsuz özelliklerini bertaraf edebilmek amacıyla
termoplastik kompozitler üzerine yürütülen çalışmalar arayüzey iyileştirme, polimerin
fiberlerin içine işlemesi üzerine yoğulaşmıştır. Bu amaçla matrisin akışkanlığını arttırmak
amacıyla polimere çeşitli uyumlaştırıcılar ilave edilmektedir. Son zamanlarda yapılan
çalışmalar ise, kısmı ıslanmanın sağlandığı toz kaplı elyaflar, termoplastik kumaşlar, melez
iplikler, gibi yarı ürünler geliştirilmek üzerinedir. Bu çalışmada hem maleik-anhidrit
(MAH) uyumlaştırıcı ilavesinin olduğu, hem de E-Camı elyafların polipropilen (PP) tozu
ile kaplandığı durumlar incelenecek plakaların çekme özellikleri karşılaştırılacaktır.
Anahtar kelimeler: Termoplastik kompozit, toz kaplama, E-camı PP, MAH
INVESTIGATION OF TENSİLE PROPERTIES OF
POLYPROPYLENE (PP) COATED E-GLASS FIBERS
Abstract
The main advantages of thermoplastic compozites, such as low density, higher fracture
toughness, recycability, provides a huge study are in the composite sector. On the other
hand, low impregnation properties and insufficient fiber-matrix intherphase due to their
high viscosity, decreases the mechanical properties of the composite parts. Thus,
thermoplastic composites couldn’t take place of the thermosetting composites in the sector.
In order to eleminate their disadvantages, studies focus on increasing their fiber-matrix
intherpase is being done via compatibiliser addition. Recent studies, focus on partial
impregnation of fibers in the forms of powder coated fibers, hiybrid yarns, thermoplastic
textiles, etc. In this study, both maleic-anhydite (MAH) addition and polypropylene powder
coated E-glas fibers are used and their effect on tenslie properties are ivestigated.
Keywords: Thermoplastic composites, powder coating, E-Glass, PP, MAH
73
1. Giriş
Düşük yoğunluk, yüksek kırılma tokluğu, yüksek kopma uzaması, esneklik, uzun raf ömrü,
geri dönüştürülebilirlik gibi özelliklerinden dolayı son yıllarda termoplastik kompozitlerin
kullanımında artışlar meydana gelmiştir. Ancak, bunların termoset kompozitlere göre en
büyük dezavantajları yüksek viskoziteleri nedeniyle matrisi oluşturan polimerin fiberler
arasına homojen dağılamamasıdır. Bu durum, düşük ıslatmanın etkisiyle de birleşince
yetersiz matris-fiber ara yüzey kalitesine ve dolayısıyla görece düşük fiber hacim oranlarına
ve düşük mekanik dayanıma neden olmaktadır [1-4]. Bir çok avantajına rağmen istenen
sonucun elde edilememesi, termoplastik kompozitlerde fiber-matris ara yüzeyini iyileştirme
çalışmalarının önemini arttırmıştır. Genel olarak yapılan çalışmalar çeşitli
uyumlaştırıcıların matrise aşılanmasıyla, uyumlaştırıcının doğrudan matrisi oluşturan
polimer harmanına ilave edilmesiyle veya fiberlerin çeşitli kimyasallar ile yüzeylerinin
işlenmesiyle matris-fiber ara yüzeyini kimyasal olarak iyileştirme yönündedir [5-9]. Son
zamanlarda ise termoplastiklerdeki bu ıslatma probleminin önüne geçmek amacıyla kısmı
ıslanmanın sağlandığı toz kaplı elyaflar, termoplastik kumaşlar, melez iplikler, termoplastik
melez teknik tekstiller gibi yarı ürünler geliştirilmeye ve kullanılmaya başlanmıştır
[2,3,10,11].
Hem yüksek hızda hem de düşük hızdaki kompozit üretim proseslerinde kullanımının
mümkün olmasından dolayı toz kaplı elyaflara yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Bu
yöntemin bir diğer avantajı ise hem termoplastik hem de termoset tozları ile kaplama
işlemine olanak sağlamasıdır [12].
Bu çalışmada polipropilen (PP) tozla kaplanmış E-camı elyaflardan üretilen kompozitlerin
çekme dayanımları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bu amaçla, Mir Araştırma ve
Geliştirme firması tarafından daldırma yöntemi kullanılarak PP tozları ile kaplanan E-camı
elyaflardan 180°C ve 210°C sıcaklıklarında kompozit plakalar üretilmiştir. Karşılaştırma
için PP matrise uyumlaştırıcı ilave edilerek aynı sıcaklıklarda kompozit plaka üretimi
gerçekleştirilmiştir. Çalışmada referans noktası oluşturabilmek amacıyla 180°C’de PP
matris plakaları ile E-camı elyafların preslenmesi suretiyle kontrol grubu oluşturulmuştur.
2. Yöntem ve Materyal
Çalışmalarda 3 adet kompozit numune grubu üretilmiştir. Bunlar; Kontrol Grubu, PP-MAH
ve PP-TOZ gruplarıdır. Burada Kontrol Grubu olarak sadece cam elyaf takviyeli
polipropilen matrisli kompozit plakalar üretilmiştir. Kontrol grubu referans alınarak
uyumlaştırıcı ilavesi ve toz kaplı elyafların polipropilen (PP) matrisli kompozit plakalar
üzerindeki etkilerinin incelenmesi hedeflenmiştir.
PP-MAH grubunda ise polipropilen matrise akışkanlığı ve yapışma özelliğini arttırmak için
maleik-anhidrit aşılı polipropilen uyumlaştırıcı ilave edilmiştir. Çalışmalarda söz konusu
uyumlaştırıcı kısaca maleik-anhidrit (MAH) olarak tanımlanmış ve uyumlaştırıcı ilavesi ile
üretilen grup PP-MAH olarak anılmıştır.
Kullanılan bir diğer grup ise, cam elyaflar matris malzemesi olan PP’nin toz formuyla
kaplanmıştır. Üretilen kompozit plakalarda önceden toz kaplanmış cam elyaflar takviye
malzemesi olarak kullanılmıştır. Her hangi bir uyumlaştırıcı ilavesinin olmadığı bu deney
grubu çalışmada kısaca PP-TOZ olarak adlandırılmıştır.
74
Çalışmalar esnasında her üç deney grubuna ait kompozit plakalar üretilmiş ve söz konusu
plakalardan çekme testi numuneleri elde edilmiştir. İlk etapta karşılaştırma çalışmaları için
180⁰C’de üretim gerçekleştirilmiş, daha sonra sadece PP-TOZ ve PP-MAH deney
gruplarına ait 210⁰C’de kompozit plaka üretimi gerçekleştirilerek, test sonuçları
birbirleriyle karşılaştırılmıştır.
2.1 Kullanılan Malzemeler
Çalışmalarda kullanılan polipropilen malzeme Sabic Vestolen P9421 kodlu PP rastgele
kopolimerdir (PP-random-copolymer). Uyumlaştırıcı olarak Arkema firmasının Orevac
CA100 kodlu maleik-anhidrit (MAH) aşılı polipropilen malzemesi kullanılmıştır.
Tablo 1 Çalışmada kullanılan polimer malzemelerin genel özellikleri
Özellik
Birim
PP
MAH
MFR
g/10 dk
0,30
100-200
Yoğunluk
Kg/m3
898
905
Eğme Modülü
MPa
900
880
Çekme Mukavemeti
MPa
32
22
Kopma Uzaması
%
>50
12
Çalışmalarda mekanik özellik ve maliyet açısından optimum değerlere sahip E-camı
fiberler uygun takviye malzemesi olarak belirlenmiştir. Cam elyaflar Cam Elyaf AŞ
firmasına ait PP uyumlu amino-silan kaplı PP3 tipi tek uçlu fitil ürünü olup 1200 tex (g/
1000 m) değerine ve 13 μm fiber çapına sahiptir.
2.2 Kullanılan Cihazlar
Kontrol grubu ve PP-MAH grubu üretiminde YTÜ-MIR Kompozit Laboratuvarı’nda
bulunan termokinetik mikser ve sıcak-soğuk izostatik pres kullanılmıştır.
Termokinetik mikser, zor gerçekleşen harmanlama ve karıştırma uygulamaları için özel
olarak tasarlanmış olup; malzemeleri bir dakikadan az sürede ısıtmak ve homojen bir
şekilde karışmalarını sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. Termokinetik mikserde yüksek
hızda dönen şaft üzerinde bulunan bıçaklar, haznedeki polimer granüllerini hareket ettirerek
bu granüllere yüksek kinetik enerji yüklemektedir. Kinetik enerji yüklü granüllerin
birbirlerine ve hazne duvarına çarpması sonucu oluşan kayma etkisiyle kinetik enerji ısı
enerjisine dönüşmekte ve granül halindeki termoplastik hammadde eriyik hamur haline
gelmektedir. Zaman ve akım kontrolü sayesinde, hammaddenin eridiği nokta tespit ve takip
edilerek bu şekilde eriyik polimer hamurunun elde edileceği çalışma süresi optimize
edilebilmektedir.
Kullanılan bir diğer cihaz olan izostatik presin, sıcak ve soğuk olmak üzere iki ayrı
presleme bölmesi bulunmaktadır. Sıcak bölmesi 300°C’ye kadar sıcaklık kontrollü olup
soğuk bölmeden yalıtım plakası ile ayrılmaktadır. Presleme basıncı 20–120 bar arasında,
presleme süresi 30 saniye–6 dakika arasında ayarlanabilmektedir. Presleme alanı 300 x 300
mm’dir.
Çalışmada PP-TOZ grubu numunelerinin üretimin de kullanılacak toz kaplı cam elyaflar,
Mir Araştırma ve Geliştirme A.Ş tarafından geliştirilmiş olan laboratuvar ölçekli prototip
toz kaplama cihazında (Şekil 1) PP tozları ile kaplanmıştır.
75
Şekil 1. Mir Araştırma ve Geliştirme A.Ş firması tarafından geliştirilmiş pilot ölçekli toz
kaplama cihazı
2.3 Yöntem
Kompozit plaka oluşturmak için bir gergi aparatı ya da kalıbı yardımı ile elyafların
gerilmesi ve sonrasında 2 adet matris plakası arasına alınarak preslenmesi gerekmektedir.
Matris plakalarının oluşturmak amacıyla, her bir plaka için 100gr granülün termokinetik
mikserde polimer hamuru haline getirilmesinden sonra; önce sıcak sonra soğuk preste
preslenmeleri gerekmektedir. Bu üretim yöntemi Kontrol Grubu ve PP-MAH Grubu için
geçerlidir.
Kontrol grubu numunelerinde; PP granüller 25 saniye boyunca termokinetik mikserde
karıştırılmıştır. Akabinde, elde edilen polimer hamuru 180⁰C sıcaklıkta 2 dakika sıcak
preste 2 dakika soğuk preste 80 bar basınç altında preslenerek matris plakaları üretilmiştir.
PP-MAH grubu ait matris plakalarının üretiminde ise; %20 oranında MAH, PP
hammaddesine ilave edilerek termokinetik mikserde harmanlandıktan sonra kontrol grubu
ile aynı koşullar altında matris üretimi gerçekleştirilmiştir.
Matris plakalarının üretiminden sonra; kontrol grubu ve PP-MAH kompozitlerinin üretimi
için hazırlanmış olan matris plakaları gergi aparatlarında gerilmiş elyafların altına ve
üzerine birer tane yerleştirilerek; 180°C’de 5 dakika sıcak, 5 dakika soğuk preste 80 bar
basınç altında presleme işleminden sonra oda sıcaklığında soğutma işlemi uygulanmıştır.
Tam soğuma sağlanmasıyla birlikte kompozit plakalar üretilmiş olur.
PP-TOZ grubu kompozit plakalarının üretiminde ise, önceden toz emdirilmiş e-camı
elyaflar aynı gergi aparatlarında gerilerek elyaflar üzerinde eş gerinim sağlandıktan sonra
Metal plakalar arasına alınmıştır. Metal plakalar arasına alınan gergi aparatına, diğer deney
gruplarında olduğu gibi 180°C’de 5 dakika sıcak, 5 dakika soğuk preste 80 bar basınç
altında presleme işlemi uygulanmıştır. Daha sonra presten alınan gergi aparatı oda
sıcaklığında soğumaya bırakılmıştır.
Çalışmalar her üç grup için 180⁰C ve 80 bar basınçta ve PP-MAH ile PP-TOZ grupları için
210⁰C sıcaklık, 80 bar basınçta gerçekleştirilmiştir. Üretilen kompozit plakalardan elde
edilen numuneler TS EN ISO 527-5 standardına göre çekme testine tabi tutulmuştur. Test
edilen kompozit numunelerin fiber hacim oranları TS 1177 EN ISO 11722’ de tanımlanan
kalsinasyon (yanma) testi ile belirlenmiştir.
76
3. Test Sonuçları ve Tartışma
Yapılan testlerin sonucunda öncelikle PP kompozitlerin ortalama çalışma sıcaklığı olan
180⁰C sıcaklıkta gerçekleştirilen çalışma incelenmiştir. Kontrol grubu, PP-MAH ve PPTOZ grubu kompozitlerin 180⁰C sıcaklıkta, aynı şartlar altında üretilmelerinin sonunda
elde edilen çekme dayanımları, artan elyaf hacim oranına göre Şekil 2’de yer almaktadır.
Şekil 2. 180⁰C sıcaklık 80 bar basınçta yapılan test sonuçlarına ait Fiber Hacim OranıÇekme Dayanımı grafiği
Şekil 2’de de görülebileceği üzere, kontrol grubundaki kompozit plakaların hacim oranları
%20’nin üzerine çıkamamıştır. Buna ilave olarak en düşük çekme dayanımına sahip olan
grup kontrol grubudur. Aynı grafikte ayrıca görülmektedir ki; PP-MAH grubunun çekme
dayanımı değerleri kontrol grubuna yakın olmakla birlikte daha yüksektir. Bununla birlikte
PP-MAH grubunda daha yüksek elyaf hacim oranlarına (%25) ulaşılabilmiştir. PP-TOZ
grubunda ise; hem en yüksek çekme dayanımı değerlerine hem de en yüksek hacim oranı
(%40) değerlerine ulaşılmıştır.
Polimer matrise MAH ilavesindeki amaç, matrisin akışkanlığını ve ıslatma özelliğini
arttırarak, elyafların içine daha iyi işlemesini sağlamak, dolayısıyla kompozit numunenin
mekanik dayanımını arttırmaktır. PP-MAH grubunda, MAH’ın, PP matristen daha düşük
viskoziteye sahip olması matrisin daha akışkan olmasını sağlamış dolayısıyla basıncın da
etkisiyle elyafların içine daha fazla işlemiştir. Bu durumun elyaf hacim oranını arttırdığı
düşünülmektedir. Bununla birlikte, MAH’ın uyumlaştırıcı etkisi kimyasal olarak daha etkin
bir fiber-matris arayüzeyi oluşturmasının, çekme dayanımını arttırması beklenen bir
durumdur.
Ancak bu çalışma göstermektedir ki matrisin plaka halinde uygulandığı üretim
yöntemlerinde çekme dayanımı ve hacim oranları açısından yüksek artışlar elde
edilememektedir. PP-TOZ grubunda PP matris ile E-Camı takviye elyafları proses
öncesinde kuru formda bir araya getirilmişlerdir. Bu durum PP tozlarının elyaf demetleri
içerisine önceden girmesini sağladığı için proseste uygulanan ısı ve basınç esnasında
77
matrisin elyafların içine işlemesi daha kolay olmuştur. Bu durum nihai parçada hem elyaf
hacim oranını hem de çekme dayanımı arttırıcı yönde bir rol oynamıştır.
PP-MAH ve PP-TOZ gruplarının kontrol grubundan daha iyi özelliklere sahip olmasından
yola çıkılarak; bir sonraki aşamada sadece bu iki grup birbirleriyle karşılaştırılmıştır. İkinci
aşamada aynı kompozit üretimi 210⁰C sıcaklıkta gerçekleştirilerek, sıcaklığın çekme
dayanımı üzerindeki etkisi incelenmiştir (Şekil 3).
Şekil 3. 210⁰C sıcaklık 80 bar basınçta yapılan test sonuçlarına ait Fiber Hacim OranıÇekme Dayanımı grafiği
Sıcaklık artışının her iki grupta da hem çekme dayanımını hem de elyaf hacim oranını
arttırdığı gözlenmiştir. Bu artışın artan sıcaklık etkisiyle polimerin akışkanlıklarının
artmasından dolayı olduğu düşünülmektedir.
4. Sonuçlar
Günümüzde termoplastik kompozit alanında yapılan uyumlaştırıcı ilavesi ve elyafların
önceden toz kaplanması çalışmalarına yönelik yapılan bu çalışmada her iki yöntemle
üretilen kompozit plakalar konvansiyonel üretim yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışma
sonucunda görülmüştür ki; uyumlaştırıcı ilavesi matris ile takviye ara yüzeyini iyileştirerek
mekanik dayanımı arttırıcı yönde rol oynamaktadır. Ancak en yüksek dayanım ve elyaf
hacim oranlarına toz formundaki termoplastik polimerin proses öncesi elyaflara
emdirilmesi ile elde edilmiştir.
Ayrıca sıcaklığın hem PP_TOZ hem de PP-MAH grubunda mekanik özellikler ile birlikte
elyaf hacim oranını arttırdığı gözlenmiştir. Bu duruma sıcaklığa bağlı olarak polimer
malzemenin viskozitesinin düşmesinin, dolayısıyla akışkanlığının artmasının neden olduğu
düşünülmektedir. Bu konuya ilişkin daha kesin yorum yapılabilmesi için, farklı sıcaklık ve
basınç altında matris malzemesinin reolojik özelliklerinin incelenmesi gerekmektedir.
78
Teşekkür
Bu çalışma Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı’nın 1549STZ kodlu SANTEZ projesi
kapsamında gerçekleştirilmiştir. Projenin gerçekleştirilmesine olanak sağlayan Bakanlık ve
çalışanları ile, projeye teknik ve idari katkısı bulunan YTÜ ve Mir Araştırma ve Geliştirme
A.Ş.’ye teşekkür ederiz.
Kaynaklar
[1] Svensson, N.; Shishoo, R.; Gilchrist, M., 1998, “Manufacturing of thermoplastic
composites from commingled yarns – A review”, Journal of Thermoplastic Composite
Materials, Volume 11, Issue 1, Pages 22-56.
[2] Grouve, W.J.B.; Akkerman, R., 2009, “A consolidation process model for film-stacking
glass/PPS laminates”, ICCM 17, Edinburg.
[3] Ye, l.; Klinkmüller, V.; Friedrich, K.; 1992, “Impregnation and consolidation in
composites made of GF/PP powder impregnated bundles”, Journal of Thermoplastic
Composite Materials, Volume 5, Issue 1, Pages 32-48.
[4] Mazumdar, S.K., 2002, Composite Manufacturing: Materials, Product and Process
Engineering, ISBN 0-8493-0585-3, CRC Press LLC, Florida/USA.
[5] Yositika, T., Hajime N., Asami, N., Akio, O., Nebuo, I., 2010, “Effect of Interfacial
Property on CF/PP Continious Fiber Reinforcement Thermoplastic Composites”, Design,
Manufacturing and Applications of Composites – Proceedings of the 8th Joint of CanadaJapan Workshop on Composites, ISBN 978-1-60595-028-0, DEStech Publications,
Pensylvania/USA.
[6] Bikiaris, D., Matzinos, P., Prinos, J., Flaris, V., Larena, A., Panayiotu, C., 2001, “Use of
Silanes and Copolymers as Adhesion Promoters Glass Fiber/Polyethylene Compoosites”,
Journal of Applied Polymer Science, Volume 80, ıssue 14, Pages 2877-2888.
[7] Sailaja, R.R.N., Deepthi, M.V., 2010, “Mechanical and Thermal Properties of
Compatibilized Composites of Polyethylene and Esterified Lignin”, Materials and Design,
[8] Kim, H.-S., et al., 2007, “The effect of Types of Maleic Anhydride-Grafted
Polypropylene (MAPP) on the Interfacial Adhesion Properties of Bio-Filled Polypropylene
Composites”, Composites Part A, Volume 38, Pages 1473-1482.
[9] Baydar, D.G., Bekem, A., Gümülcine, T., Ünal, A., Doğu, M., Gemici, Z., 2011,
“Polipropilen Matrisli Kompozitlerde Maleik Anhidrit Aşılı Uyumlaştırıcı İlavesinin
Kırılma Davranışlarına Etkisi” 9. Uluslararası Kırılma Konferansı, İstanbul.
[10] Alagirusamy, R.; Fangueiro, R.; Ogale, V.; Padaki, N., 2006, “Hybrid yarns and textile
preforming for thermoplastic composites”, Textile Progress, Volume 34, Issue 4, Pages 171.
[11] Murphy, C.S.; Simacek, P.; Advani, S.G.; Yarlagadda, S.; Walsh, S., 2010, “A model
for thermoplastic melt impregnation of fiber bundles during consolidation of powderimpregnated continuous fiber composites”, Composites Part A, Volume 41, Issue 1, Pages
93-100.
[12] Allred, R. E.; Wesson, S. P.; Babow, D. A.; 2004, “Powder Impregnation Studies for
High Temperature Towpregs”, SAMPE J., Volume 40, Issue 6, Pages. 40-54.
79
80
ELYAF SARMA YÖNTEMİYLE TERMOPLASTİK
KOMPOZİT ÜRETİMİ
Burçin Özbay, Aylin Bekem ve Ahmet Ünal
Yıldız Teknik Üniversitesi, Kimya Metalurji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği
Bölümü, İstanbul/TÜRKİYE, [email protected]
Özet
Elyaf sarma yöntemiyle termoplastik kompozit malzeme üretimi için yaptığımız çalışmada
polietilen/E-camı ve polipropilen/E-camı melez iplikler kullanılmıştır. İlk olarak farklı
katman, sıcaklık ve sürelerde plaka numuneleri üretilmiştir. Bu numunelerde çekme, eğme,
darbe, kalsinasyon testleri ve SEM incelemeleri yapılarak üretim parametreleri optimize
edilmiştir. İkinci aşamada elyaf sarma yöntemiyle silindirik şekilli parçalar üretilmiş ve bu
parçalara halka rijitliği testi uygulanmıştır. Plaka numunelerinden alınan sonuçlara göre
optimum üretim koşullarının polietilen/E-camı malzeme için 200 °C’de 5 dakika ve
polipropilen/E-camı malzeme için 220 °C’de 5 dakika olduğuna karar verilmiştir. Buna
göre üretimi yapılan silindirik numunelerin EN 12666-1, EN 1852-1, EN 13476-2 ve EN
13476-3 standartlarına uygun değerlere ulaştığı saptanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Termoplastik kompozitler, melez iplikler, elyaf sarma
MANUFACTURING OF THERMOPLASTIC
COMPOSITE BY THE METHOD OF FILAMENT
WINDING
Abstract
In our study, polyethylene/E-glass fiber and polypropylene/E-glass fiber hybrid yarns were
used. Firstly, plate samples were produced at various temperatures, times and laminates.
Tensile, bending, impact, calcination tests and SEM observations were applied to these
samples, and the production parameters were optimized. Secondly, cylindrical shaped
pieces were produced and ring stiffness tests were performed to these samples. According
to the test results of plate samples, the optimum production conditions were determined as
200°C and 5 minutes for polyethylene/E-glass fiber material and 220°C and 5 minutes for
polypropylene/E-glass fiber material. Cylindrical samples, which were produced as stated
conditions, meet the requirements of the standards EN 12666-1, EN 1852-1, EN 13476-2
and EN 13476-3.
Keywords: Thermoplastic composites, hybrid yarns, filament winding
1. Giriş
Kompozit malzemelerin üretim metodları arasında bulunan elyaf sarma yöntemi en eski
kompozit üretim yöntemlerinden biridir. Ayrıca günümüzde oldukça fazla kullanılan bu
yöntem toplu üretim için ucuz bir kompozit üretim metodudur. Elyaf sarmanın
uygulamaları arasında silindir ve küre şeklinde basınçlı kaplar, boru hatları, oksijen ve
diğer gaz silindirleri, roket motor kasaları, helikopter pervane bıçakları, büyük yer altı
81
depolama tankları (benzin, yağ, su, asitler, alkaliler vb. için), dirsekler, T şekilli bağlantı
parçaları, lansman tüpleri gibi özellikle tüp ya da boru şekilli uygulamalar bulunmaktadır.
[1, 2].
Elyaf sarma yönteminin avantajları arasında şunlar sayılabilir: malzeme sarımının hızlı ve
ekonomik bir yöntem olması, bobine sarılan liflerin her katmanında farklı yönlerde sarım
yapma imkânı sağlaması dolayısıyla değişik yüklemelerin yapı tarafından karşılanabilir
olması, termoset matrisli yapılar için işlemden sonra kürleme gerekli olsa bile büyük bir
fırının maliyetinin benzer boyutlardaki bir otoklava göre daha düşük olması [3].
Son yıllarda termoset kompozitlere göre yüksek kırılma tokluğu, uzun raf ömrü, esneklik,
kolay işlenebilirlik, yüksek kopma uzaması gibi üstünlüklerinden dolayı fiber takviyeli
termoplastik kompozitlerin kullanımı artış göstermektedir. Fakat termoplastiklerin sıvı
haldeki yüksek viskoziteleri kompozitin işlenmesi sırasında fiberlerin yapı içerisine
homojen dağılamaması ve düşük ıslatma gibi sorunlara yol açmakta ve daha düşük fiber
oranları elde edilmesine neden olmaktadır. Termoplastiklerin ıslatma probleminin önüne
geçmek amacıyla çeşitli prosesler ve işleme teknikleri geliştirilerek, kısmi ıslanmanın
sağlandığı yarı ürünler elde edilmektedir. Söz konusu yarı ürünler, termoplastik kompozit
laminalar, pultrüzyon bantları, toz kaplı fiber demetleri, melez iplikler ve termoplastik
melez kumaşlar/tekstillerdir. Tüm termoplastik yarı ürünler değerlendirildiğinde en
homojen matris-fiber dağılımı melez iplik ve melez kumaş/tekstillerde görülmektedir [4-6].
En genel tanımıyla melez iplikler aynı matris içerisinde organik ve/veya inorganik farklı tür
malzemelerin bir arada bulunduğu fiberlerdir. Termoplastik kompozit malzemeler
için“melez iplik” ifadesi, matris ve takviye bileşenlerinin fiber formunda bir arada
bulunduğu iplikler anlamına gelmektedir. Melez iplikli termoplastik kompozitlerin
avantajları arasında; matris ve takviye elamanının homojen dağılımlı olması, iyi arayüzey
bağlantısı, yüksek mukavemet, çözücü içermeyen reçine, kısa proses süresi,
kaynaklanabilirlik, iyi darbe dayanımı gibi özellikler yer almaktadır [7, 8].
Melez ipliklerin üretilmesinde farklı teknolojiler ve ürünler mevcuttur [9-11]. Bunların
içinde Twintex markasının ürünleri gerek matris ve takviye fiberlerinin homojenliği
gerekse mekanik özellikleri bakımından öne çıkmaktadır. Şekil 1’de bu ürünün üretim
prosesi görülmektedir.
Şekil 1. Twintex melez iplik üretim prosesi [12]
Bu çalışmada PE/E-camı (polietilen/E-camı) ve PP/E-camı (polipropilen/E-camı) melez
iplikler kullanılarak önce plaka şeklinde numuneler üretilerek ipliklerin proses
82
parametreleri belirlenmiştir. Ardından elyaf sarma yöntemiyle boru şeklinde numuneler
üretilmiş. Boru numunelerine halka rijitliği testi uygulanmıştır.
2. Malzeme ve Deneyler
Çalışmalarda kullanılan malzemeler Twintex marka PE/E-camı melez iplik ve PP/E-camı
melez ipliklerdir. Melez iplikler ağırlıkça %60 oranında cam elyaf içermektedir. Melez
iplik, kuru halde hem takviye hem de matris bileşenlerini sürekli elyaf olarak barındıran
iplikler olup, çalışmalarda kullanılan türleri matris bileşenine uygun silanlanmış E-camı ve
matris (PE veya PP) elyaflarından oluşmaktadır.
2.1 Düz Plaka Numune Üretimi
İlk olarak metal çerçeve etrafına melez iplikler sarılmıştır. Bu çerçevenin kalınlığı 0,5 mm
olup, 250 mm uzunluğunda numunelerin üretimi sağlanabilmektedir. Bu düzenek sayesinde
düz plaka formunda numunelerin üretimi gerçekleştirilmiştir.
Melez iplikler çerçevedeki 25 mm eni oluşturacak şekilde 10 sarım halinde sarılmıştır.
Böylece her bir metal çerçevede altta ve üstte olmak üzere 2 kat sarım (20 iplik demeti)
bulunmaktadır. Sarım sonrasında elyaf sarma çerçevesi teflon kaplı metal plakalar arasına
yerleştirilerek, sıcak ve soğuk olmak üzere iki ayrı presleme bölmesi bulunan hidrolik
presin önce sıcak bölmesinde, matris ergime sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklıkta
preslenmiştir. Bu esnada matris eriyerek takviye fiberin etrafını sarıp, fiber-matris
arayüzeyini oluşturmuştur. Bu oluşumun gerçekleşmesine yetecek bir süre beklendikten
sonra düzenek soğuk bölümde de preslenmiştir. Bu sayede üretimi yapılan kompozitin
matrisinin katılaşması sırasında da basınç altında tutulmuş ve numunedeki çarpılmalar
önlenmiştir.
Presleme işlemi sırasında metal plakadaki her iki kat sarımın birbirlerinin içine geçerek
soğuma sonrasında bir katman kalınlığında numuneler üretilmiştir. Birden fazla sarım
yapılmış çerçevenin üst üste yerleştirilip preslenmesiyle farklı katman kalınlıklarda
numuneler üretilmiştir. Şekil 2’de bu düzenek kullanılarak üretilmiş numuneler
görülmektedir.
Şekil 2. Preslenen numuneler
Fiber-matris bağlantısını etkileyen parametreler olan basınç, çalışma süresi ve sıcaklığıdır.
Deneysel çalışmalarda işlem basıncı 20 bar olarak sabit tutulmuştur. Buna karşın sıcaklık
ve süre değişken olarak belirlenmiştir. Çalışma sıcaklıkları 180°C, 200°C ve 220°C;
çalışma süreleri ise 1 dakika, 3 dakika, 5 dakika ve 6 dakika olarak seçilmiştir. Bu
83
parametreler doğrultusunda numune üretimi gerçekleştirilmiştir. Numuneler önce çekme,
basma ve darbe testlerine daha sonra da kül testine tabi tutulmuştur.
2.2 Silindirik Numune Üretimi
Plaka numunelerinin üretimi ve testleri değerlendirilerek optimum sonuçlar dahilinde,
manuel elyaf sarma cihazı ile silindirik (boru) şekilli numune üretimi gerçekleştirilmiştir.
Şekil 3'te sarılan borulara ait düzenek, sarma ve ısıtma esnasında numuneler görülmektedir.
Şekil 3. Silindirik numune üretimi
Silindirik numune üretiminde 88,90 mm çapında ve 3 mm et kalınlığındaki paslanmaz çelik
boru altlık olarak kullanılmıştır. Boru, sarma cihazının ortasına yerleştirilerek sarımdan
önce boru üzerine teflon kaplanmıştır. Daha sonra melez iplikler boru etrafına sarılarak
ısıtıcı ile her malzeme grubu için (PE/E-camı melez iplik ve PP/E-camı melez iplik)
belirlenen sıcaklıklar ve sürelere uygun olarak ısıtılmıştır. Üretimi tamamlanan borulardan
standartlara uygun numuneler kesilerek çekme ve halka rijitliği testleri uygulanmıştır.
Şekil 4’te üretilen silindirik numuneler görülmektedir.
Şekil 4. Üretim sonrası silindirik numuneler ve hazırlanan test parçaları
Çalışmada mekanik testlerin INSTRON marka 3369 model “50 kN Elektromekanik Çekme
Eğme Basma Test Cihazı” kullanılmıştır. Numunelerin kül testi öncesi ağırlığını ölçmek
için AND marka GR200 model hassas terazi ve numunelerin matrisini yakmak için
Protherm marka PLF 110/6 model kül fırını kullanılmıştır.
Yapılan testler sonucunda fiber hacim oranları PE/E-camı melez iplikli malzeme için
yaklaşık olarak %40 (Vf=%40), PP/E-camı melez iplikli malzeme için ise %34 (Vf=%34)
olarak saptanmıştır. Üretilen plaka numunelerinin süreye bağlı dayanım değerleri her 3
84
sıcaklık grubu için tespit edilmiş ve bunların ortalamaları alınmıştır. (Değerler yapılan
çekme testleri sonucu elde edilmiştir.) Optimum sıcaklık ve süre değerlerinin
saptanabilmesi için her sıcaklık grubuna ait olan zamana bağlı olarak dayanım değişimini
gösteren grafikler çizilmiştir. Şekil 5’te 1 katman kalınlığında PE/E-camı, Şekil 6’da 2
katman kalınlığında PE/E-camı, Şekil 7’de 1 katman kalınlığında PP/E-camı, Şekil 8’de ise
2 katman kalınlığında PP/E-camı numunelere ait optimizasyon eğrileri görülmektedir.
Şekil 5. 1 katmanlı PE/E-camı
Şekil 5’te 1 katman sarımdan oluşan PE/E-camı melez iplikli numunelere ait dayanımları
gösteren grafikler yer almaktadır. Her üç sıcaklık değerinde oluşan eğrilerin optimum bir
değer verecek şekilde parabolik olarak ilerlediği görülmektedir. Presleme süresinin
artmasıyla dayanımın, 1 dakika presleme süresinden 3-5 dakika presleme süresine kadar bir
artış gösterdiği, bu değerden sonra bir süre stabil kaldığı ve özellikle yüksek sıcaklık
değerlerinde presleme süresi arttıkça dayanım değerlerinin düştüğü görülmektedir.
Şekil 5’teki grafiğe göre, 180°C eğrisinin sıcaklığın yeterli gelmediği en düşük mekanik
değerleri veren eğri olduğu; ayrıca düşük sıcaklıkta polimerin eriyip takviye fiberin etrafını
kaplaması, yani fiberlere nüfuz etmesi için daha fazla sürenin gerekli olduğu söylenebilir.
200°C’lik işlem sıcaklığında sürenin artışıyla azalarak artan dayanım değerlerine
ulaşılmıştır. En yüksek işlem sıcaklığı olan 220°C’de ise dayanım değerlerinin çok fazla
değişmediği görülmüştür. Bu sıcaklık değerinde polimerin akışı yeterli olduğundan, matris
çok hızlı bir şekilde eriyip takviye fiberlerin etrafını kolaylıkla sarabilmektedir. Bu nedenle
bu sıcaklık değerinde daha kısa süreli bir işlemin daha başarılı sonuçlar verebileceği
söylenebilir. Ayrıca işlem süresinin uzamasının ve polimerin aşırı ısıya maruz kalmasının
mekanik özelliklerde düşüşe sebep olduğu da söylenebilir.
85
Şekil 6. 2 katmanlı PE/E-camı
Şekil 6’da PE/E-camı malzeme için 2 katman sarımdan oluşan numunelere ait dayanımları
gösteren grafik yer almaktadır. 1 katmanlı numunelere benzer şekilde eğrilerde parabolik
eğilimler görülmektedir. Ancak burada dayanım değerlerinin 1 katmanlı numunelere göre
daha düşük olduğu gözlemlenmektedir. Bunun nedeni iki katman arasındaki fiber
oryantasyonun bozulmasından kaynaklı olabilir. Sıcaklık artışıyla 1 katmanlı numunelerde
dayanımda artış meydana gelirken 2 katmanlı numunelerde düşüş görülmektedir. Bunun
olası bir sebebi sıcaklık yükselişiyle birlikte polimerin akışkanlığının artması ve fiber
oryantasyonlarının bozulması olabilir. Böyle numunelerde takviye fiberlerin sürekliliğinde
bozulma yaşanmış ve fiberler gerekli dayanımı sağlayamamışlardır.
Şekil 7. 1 katmanlı PP/E-camı
Şekil 7’de PP/E-camı malzeme için 1 katman sarımdan oluşan numunelere ait eğriler
görülmektedir. Buna göre PE 1 katmanlı numunelere benzer şekilde düşük sıcaklıkta en
86
düşük dayanım değeri elde edilirken, sıcaklık artışıyla birlikte dayanım artışı da olmaktadır.
Fakat burada eğrileri oluşturan gerilim değerlerinin birbirlerine daha yakın olduğu
görülmektedir. Hatta bazı durumlarda benzer değerler elde edilmiştir. Bu PP’nin işlem
süresinden fazla etkilenmediğini gösteriyor olabilir.
Şekil 8. 2 katmanlı PP/E-camı
Şekil 8’de 2 katman sarımdan oluşan PP numunelere ait grafikler yer almaktadır. 1
katmanlı PP numunelere göre oldukça düşük değerler elde edildiği görülmektedir. Burada
da takviye fiber yönlenmesinin bozulması bu durumun sebebi olabilir. Ancak sıcaklık
artışıyla PE numunelerde olduğu gibi düşüş değil de yükselme meydana gelmiştir. Bu da
PE numunelerdeki durumun katmanlar arasında yeterli ısı geçişi olmaması ile de oluşmuş
olabileceğini göstermektedir.
Tablo 1’de plaka numunelerden alınan test numunelerine uygulanan eğme testi sonucu elde
edilen değerler yer almaktadır. Testlerden elde edilen maksimum eğme yükünde eğme
gerilmesi değerleri dikkate alındığında, PP-E camı melez iplikli ve PE-E camı melez iplikli
numuneler için katman sayısı arttıkça eğme dayancının da artış gösterdiği söylenebilir.
Tablo 1 Düz plaka numunelerde eğme testi sonuçları
Maksimum
Maksimum eğme
Young
eğme yükünde
Numune
yükünde eğme
Modülü
eğme gerilmesi
Adı
gerinimi (%)
(MPa)
(MPa)
PP-4Kat
178,8171
2,084903
11626,46
PP-3Kat
138,9635
1,646965
10757,31
PE-4Kat
134,1728
1,623023
10656,68
PE-3Kat
113,6858
1,378113
10101,23
Plaka numunelerinden alınan sonuçlara göre optimum üretim koşullarının polietilen/E-camı
malzeme için 200°C’ de 5 dakika ve polipropilen/E-camı malzeme için 220°C’de 5 dakika
olduğu saptanmıştır. Bu parametreler ile tek katman sarım yapılarak yaklaşık 200 mm
uzunluğunda ve 90 mm çapında borular üretilmiştir. Boruların et kalınlıkları 0,97-1,23 mm
arasındadır.
87
EN 12666-1, EN 1852-1, EN 13476-2 ve EN 13476-3 standartları polietilen ve polipropilen
basınçsız atık su boruları için geliştirilmiş standartlardır. Buna göre ortalama halka rijitliği
değeri 8 kN civarındadır. Belirlenen koşullarda üretilen silindirik numunelerin halka rijitliği
sonuçları Tablo 2’de verilmiştir. Bu sonuçlara göre boruların standartlara uygun değerlere
ulaştığı saptanmıştır.
Tablo 2 Silindirik numunelerde halka rijitliği testi sonuçları
F
y
S
Numune Adı (%3 defleksiyondaki
(Defleksiyon- mm) (Halka Rijitliği-kN)
yük-kN)
PP1
0,115
2,895
8,113732085
PP2
0,118
2,989
7,827246768
PP3
0,123
2,919
8,397620419
PP-Ortalama
8,112866424
PE1
PE2
PE3
PE-Ortalama
0,13
0,11
0,124
3,03
2,979
2,977
8,316360051
7,38788063
8,320659283
8,008299988
Şekil 9’da PE/E camı ve PP/E camı melez iplikli numunelerin çekme testi sonrası kırık
kesitlerinden alınan SEM görüntüleri yer almaktadır. Her iki türde hasarın fiber sıyrılması
şeklide olduğu gözlenmiştir. Sıyrılmış fiberler ve bu fiberlerin çıktığı noktalar görüntülerde
yer almaktadır. Sıyrılan fiberin üst kısımları incelendiğinde yüzeylerinin polimer kalıntıları
ile çevrili olduğu görülmüştür. Bu görüntülere göre fiber-matris bağlantısının iyi bir şekilde
sağlandığı söylenebilir.
a.
b.
Şekil 9. a. PE-E camı, b. PP-E camı melez iplikli numunelerin SEM görüntüleri
4. Sonuç
Hem PE hem de PP melez iplikli kompozitlerde tek katmanlılarda daha yüksek dayanım
değerleri elde edilmiştir. Bunun katman kalınlığı artışıyla fiber oryantasyonlarının
bozulması nedeniyle oluştuğu düşünülmektedir. Daha gelişmiş bir sistem kullanılmasıyla
oryantasyon bozulmaları engellenebilirse katmanlar arasında bu denli büyük farkların
ortadan kalkması da söz konusu olabilir.
88
Bunun dışında tek katmanlı numuneler açısından bakıldığında proses sıcaklığı artışı ile
dayanım değerlerinin iyileştiği görülmüştür. Büyük olasılıkla bu durumun sebebi sıcaklık
artışı ile polimerin viskozitesinin düşüp, akışının artması fiberin daha iyi çevrelemesine
sebep olmuş olmasıdır. Bu nedenle düşük sıcaklıklarda süre artışıyla dayanım artışı
sağlanırken, yüksek sıcaklıklarda çok daha kısa sürelerde yüksek değerler elde edilmiştir.
Silindirik numunelerde standartların belirlediği halka rijitliği değerlerine ulaşılmıştır. Bu ise
tek katman kalınlığında ve 1 mm civarında oldukça düşük bir et kalınlığında başarılmıştır.
Teşekkür
Yapılan yüksek lisans tez çalışması TÜBİTAK 2014 yılı 3. Dönem 2210-C Öncelikli
Alanlara Yönelik Yurt İçi Yüksek Lisans Burs Programı ve Bilim, Sanayi ve Teknoloji
Bakanlığı SAN-TEZ 1549.STZ.2012-2 nolu projesi ve MİR Araştırma ve Geliştirme A.Ş.
tarafından desteklenmiştir. Adı geçen kurum ve kuruluşlara teşekkürlerimizi sunarız.
Kaynaklar
[1] Zu, L. 2012. “Design andOptimization of FilamentWoundCompositePressureVessels”,
Yüksek Lisans Tezi, Delft Technical University, Delft.
[2] Mallick, P. K. 2007. FıberReınforcedComposıtesMaterials, Manufacturingand Design,
ISBN-13: 978-0849342059, CRC Press, Dearborn, Michigan.
[3] Mantell, S.C.,Cohen, D. 2000. FilamentWinding of CompositeCylinders in Processing
of Continuous Fiber ReinforcedComposites. Dave, R. S.,Loos, A. C., Hansen, Carl
HanserPress, Munih.
[4] Svensson, N., Shishoo, R., Gilchrist, M. 1998. “Manufacturing of thermoplastic
composites from commingled yarns – A review”, Journal of Thermoplastic Composite
Materials, 11, I.1, pp. 22-56.
[5] Grouve, W.J.B., Akkerman, R. 2009. “A consolidation process model for film-stacking
glass/PPS laminates”, ICCM 2009, Edinburg.
[6] Ye, L., Klinkmüller, V., Friedrich, K. 1992. “Impregnation and consolidation in
composites made of GF/PP powder impregnated bundles”, Journal of Thermoplastic
Composite Materials, 5, I.1, pp. 32-48.
[7] Ye, L., Friedrich, K., Kästel, J., Mai, Y-M. 1995. “Consolidation of unidirectional
CF/PEEK composites from commingled yarn prepreg”, Composite Science and
Technology, 54, I.4, pp. 349-358.
[8] Manders, P.W., Bader, M.G. 1981. “The strength of hybrid glass/carbon fibre
composites”, Journal of Materials Science, 16, I.8, pp. 2233-2245.
[9] B. Lauke, U. Bunzel, K. 1998. “Effect of hybrid yarn structure on the delamination
behaviour of thermoplastic composites”, Composites Part A: Applied Science and
Manufacturing (Incorporating Composites and Composites Manufacturing), Volume
29, No: 11, pp. 1397-1409(13).
[10] Choi, B.-D., Diestel, O., Offermann, P. 2000. “Commingled CF/PEEK hybrid yarns
for use on textile reinforced high performance rotors”, ICCM 12, Paris.
[11] Bernet, N., Michaud, V., Bourban, P-E., Manson, J-A. E. 2001. “Commingled yarn
composites for rapid processing of complex shapes”, CompositesPart A:
AppliedScienceandManufacturing, 32, I.11, P. 1613-1626.
[12] Wolff, R. 2011. “Thermoplastic Pultrusion Process using Commingled
Glass/Polypropylene Roving”, Composites 2011 American Composites Manufacturers
Association, Ft. Lauderdale, Florida USA.
89
90
HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ İLE
BORU EKSTRÜZYONU KALIBI TASARIMI
Dilay Serttana ve Mustafa Doğub
a
b
Mir Araştırma ve Geliştirme A.Ş., İstanbul/Türkiye, [email protected]
Mir Araştırma ve Geliştirme A.Ş., İstanbul/Türkiye, [email protected]
Özet
Ekstrüzyon prosesinde, son üründe istenen şekli ve ölçüleri elde etmek için ekstrüzyon
kalıbının uygun şekilde tasarımı çok önemlidir. Bu çalışma kapsamında, boru üretiminde
kullanılacak olan dairesel kesitli kalıbın optimum tasarımı amaçlanmıştır. Bu doğrultuda
kalıba ait çeşitli parametreler değiştirilerek çok sayıda simülasyon ANSYS Polyflow
yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, geometri ve akış
parametrelerinin etkilerini ifade edebilecek performans kriteri için ampirik formüller
geliştirilmiştir. Geliştirilen ampirik ifadeler kullanılarak, kalıp tasarımı için bir yöntem
oluşturulmuştur. Analizler sonucunda, kalıp çıkışı boyunca sabit bir hız dağılımının olduğu
görülmüştür. Bu sonuca göre, analiz edilen kalıp kullanılarak yapılacak boru
ekstrüzyonunda, düzgün profilli ve istenilen boyutlarda boru üretilmesi mümkündür.
Anahtar Kelimeler: Boru ekstrüsyonu, kafa tasarımı, POLYFLOW, hesaplamalı
akışkanlar dinamiği
PIPE EXTRUSION DIE DESIGN WITH
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Abstract
In extrusion process, optimal die design is very crucial since it enables to obtain final
product in desired shape and size. In the context of this study, optimum die design for pipe
extrusion was aimed. Accordingly, several parameters regarding the extruder die were
changed and their affects were simulated by using ANSYS Polyflow. By using the results
of simulations, empirical formulations were developed for performance criteria that defines
de effects of geometry and flow parameters. By using the formulations, a method for die
design was established. Results of the analysis showed a düzenli velocity distrubution along
the die exit. Accordingly, it can be concluded that pipes can be extruded using the die that
was optimized with this study in desired shape and size.
Keywords: Pipe extrusion, die design, POLYFLOW, computational fluid dynamics
1. Giriş
Ekstrüzyon prosesinde, son üründe istenen şekli ve ölçüleri elde etmek için ekstrüzyon
kalıbının uygun şekilde tasarımı çok önemlidir. Ekstrüzyon ile üretilen ürün veya ara
ürünlerin istenilen özelliklerde (kalınlık, birleşme çizgilerinin olmaması vb.) olması için
sağlanması gereken pek çok kriter mevcuttur. Proses ve kafa tasarımında kritik olan bu
kriterler aşağıda sıralanmıştır [1]:
91
Reolojik kriterler [2,3]:
Belirtilen işlem ayarları içinde en düşük ve en yüksek duvar kayma gerilmeleri [1]
Düzensiz (non-düzenli) elastik deformasyonun (ve oryantasyonun) önlenmesi
Yerel durağan ve ölü noktaların önlenmesi
Termodinamik kriterler:
Hammaddelerin dağılımına ve ısı transferine özen gösterilmesi (ısıtma, yalıtım)
Kalıptaki ve eriyik akışındaki termal simetriye özen gösterilmesi
Operasyonel mühendislik kriterleri:
Çarpılmanın (warpage) olmaması ve sertlik
Basit montaj, sökülme ve temizlenme (akış kanallarının buna uygun tasarlanması)
Sıkı geçmiş düzlemler
Kolay merkezleme
Mümkün olan en kısa malzeme ve renk değişim süreleri (sistemin kendi bütünlüğü
içinde, ekstrüder, filtre, adaptör ve kafa dahil), dolayısıyla fire miktarında azalma
İmalat kriterleri:
Ucuz imalat
Kısa toplam uzunluk
Modüler yapı
Ekstrüzyon kafa geometrisinin optimizasyonunun yanında, basınç kaybının tespitine ve en
uygun şekilde seçilmesine özel önem verilmelidir. Belirli hammaddelerin reolojik
uyumundan kaynaklanan kısıtlamalarla, basınç düşüşü ve geçiş süresi kriterleri bir arada ele
alındığında, teorik olarak çalışma parametre aralığının sınırlarını yeterince kesin olarak
tahmin etmenin mümkün olmadığı görülmektedir. Ne yazık ki, her bir kafa genelde farklı
birkaç malzeme için optimize edilmek zorundadır. Basınç kaybı ile geçiş süresi arasında bir
ikilem yaşandığında, akış kanalları, akışın her kısmındaki izin verilebilen en yüksek basınç
kaybını göstermek olan en yüksek viskoziteye sahip eriyiğe göre ölçülendirilmelidir [1].
2. Problemin ve Yöntemin Tanıtımı
2.1 Ampirik Optimizasyon Yöntemi
Ekstrüzyon kafalarının modellenmesinde önce geometri belirlenir, ardından bu geometri
simülasyonlarda kullanılır. Böylelikle sistem bölümlere ayrılmış olur. Her bölümde
hacimsel akış dengesi elde edilir. Sonuç geometri içerisindeki akış dağılımıdır [4].
Bu çalışmada, boru üretiminde kullanılacak olan dairesel kesitli kalıbın tasarımına, düz
kesitli kalıp tasarımından başlanmıştır. Düz kesitli yarık kalıp tasarımına ilişkin geometri ve
tasarım parametreleri Şekil 1’de verilmiştir. Bu geometrinin avantajı tasarımının ve
üretiminin kolay olmasının yanında, esnek ve uygun maliyetli bir şekilde farklı akışkanlara
adapte edilebilmesidir. Optimizasyon çalışması için belirlenen parametreler sınıflandırılmış
ve bunların bir kısmı sabit kabul edilmiştir. Geometriye ilişkin bu parametrelerin detayları
Kalıp çıkışındaki akış dağılımının düzenli olup olmadığını incelemek adına kalıp çıkış ağzı
Şekil 1’de gösterildiği gibi 20 eşit parçaya bölünmüştür. Her bir parça için ayrı ayrı
92
hesaplanan çıkış akış hızları, Denklem 1’de gösterildiği gibi Varyans Faktörü’nün
hesaplanmasında kullanılmıştır [5].
Şekil 1. Yarık kalıp eriyik dağıtıcısının geometrisi be geometrinin dizayn parametreleri
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tablo 1 Yarık kalıp geometrisine ilişkin akış parametreleri
Parametre
Kısaltma
Açıklama
Varyans Faktörü
CV
Performans kriteri
Giriş akış hızı
Q
input
Akış genişliği
W
input
Akış yüksekliği
H
input
Çıkış akış hızları
Q1 … Q20
output
Dağıtıcı açısı
α
Sabit, α = 95°
Kalıp çıkış uzunluğu
L
Sabit, L = 25 mm
Bariyer çapı
R
Sabit, R/H = 0.85
Bariyer sayısı
M
Sabit, M = 2
(1)
Bu denklemde CV varyans faktörü, Q10 kalıp çıkış ağzındaki merkez parçalardan birindeki
akış hızı, Qx ise x. parçadaki akış hızıdır. Kalıp çıkışındaki hız dağılımı tamamen düzenli
olduğunda, her bir parçadaki akış hızı birbirine eşit olduğu durumda, CV değeri sıfır
olmaktadır. Bu çalışmada CV değeri, ana performans kriteri olarak kullanılmıştır [5].
Değişik Q, H ve W değerlerine göre varyans faktöründeki (CV) değişim Şekil 2’de
verilmiştir. Optimum koşulları belirlemek adına CV değerindeki değişimi gözlemek efektif
bir yöntem olmuştur.
Bir yarık kalıp geometrisinin CV değerini hesaplayabilmek adına, farklı Q, W ve H
değerlerine sahip 36 farklı geometri üzerinde simülasyonlar ve analizler yapılmıştır.
Bunların sonucunda akış hızı ve geometri optimizasyonunu ifade eden parametreler elde
93
edilmiştir. CV değerini bu parametrelere bağlı olarak ifade edebilmek için kullanılan ikinci
dereceden fonksiyon Denklem 2’de, ilgili parametreler ise Tablo 2’de verilmiştir [5].
Şekil 2. Q, H ve W’deki değişime göre varyans faktörünün değişimi
Index
a1
Tablo 2 Denklem 2‘de verilen fonksiyona ilişkin indis değerleri
Value
Index
Value
Index
Value
-16
-8
-6
b6
d2
-6.09 x 10
7.34 x 10
-1.11 x 10
-14
a2
1.58 x 10
a3
1.68 x 10
a4
2.41 x 10
b1
-9.88 x 10
b2
-4.17 x 10
b3
-1.10 x 10
b4
-6.44 x 10
b5
-13
-11
-14
-12
-11
-10
-6.37 x 10
-9
-11
c1
2.50 x 10
c2
2.61 x 10
c3
4.53 x 10
c4
1.65 x 10
c5
4.61 x 10
c6
-2.22 x 10
c7
-2.40 x 10
d1
-10
-9
-7
-7
-1.50 x 10
-7
-6
-9
d3
-1.14 x 10
d4
6.71 x 10
d5
-0.7 x 10
d6
-1.1 x 10
e1
7.51 x 10
e2
e3
3.93 x 10
0.1433
e4
-0.2454
-5
-6
-3
-3
-5
-5
(2)
94
2.2 Nümerik Yöntem
Analiz maliyetini düşürmek adına, dairesel kesitli boru geometrisi 8 eş parçaya bölünmüş
ve bir parça üzerinde analizler yapılmıştır. Giriş sınır koşulu olarak kütlesel debi 0.052 kg/h
olarak tanımlanmıştır. Geometrinin sağ ve sol sınırlarına simetrik sınır koşulu
tanımlanmıştır. Katı duvarlar ile temas eden akışkanın hızı ise sıfır kabul edilmiştir. Akışın
izotermal olduğu varsayılmış ve akışkanın viskoelastik özellikleri ihmal edilmiştir.
Akışkanın viskozitesi Carreau-Yasuda (Denklem 3) modeli kullanılarak, Tablo 2’de verilen
parametreler ile tanımlanmıştır. Bu denklemde µ akışkanın viskozitesini, µ 0 sıfır kayma
hızındaki akışkanın viskozitesini, γ kayma hızını, λ doğal zamanı ve n ise Newtonian
akıştan sapmayı göstermektedir. Problemi tanımlayan nümerik denklemlerin çözümü, sonlu
elemanlar metodu kullanan bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı olan ANSYS
POLYFLOW 15 ile yapılmıştır.
(3)
Ampirik formüller yardımıyla yapılacak simülasyon sayısı minimize edilmiştir ve bunların
yardımıyla kalıp optimizasyon çalışması tamamlanmıştır. Analizler sonucunda, kalıp çıkışı
boyunca sabit bir hız dağılımının olduğu görülmüştür. Bu sonuca göre, analiz edilen kalıp
kullanılarak yapılacak boru ekstrüzyonunda, düzgün profilli ve istenilen boyutlarda boru
üretilmesi mümkündür.
3. Sonuçlar
Ekstrüzyon prosesinde, kalıp çıkışındaki hız dağılımının düzenli olması üretilen ürünün her
yerinde eşit et kalınlığına ve düzgün şekle sahip olması için kritik bir durumdur. Bu çalışma
kapsamında boru ekstrüzyonunda kullanılacak kalıp tasarımına ilişkin metod
geliştirilmiştir. Bu metodla birlikte, hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı ile yapılacak
simülasyon sayısı minimize edilmiştir. Yapılan simülasyonlar vasıtasıyla da üretimi
yapılacak kalıp tasarımına karar verilmiştir. Böylece zaman ve maliyet kaybı olmaksızın
optimum koşullarda kalıp tasarımı yapılmıştır. Şekil 3 a, b ve c’de kalıp çıkışındaki hız
dağılımı vektörlerle gösterilmiştir. Buna göre başlangıçta tasarlanmış kalıp çıkışındaki hız
dağılımı kalıp parçasının ortalarında yüksek, kenar kısımlarında ise düşüktür. Yapılan
iyileştirmelerle önce bu düzensiz dağılım azaltılmış, devam eden iyileştirme çalışmalarıyla
ise tamamen ortadan kaldırılmış ve kalıp çıkış ağzı boyunca eşit bir hız dağılımına
ulaşılmıştır. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen varyans faktörünün (CV) optimum
parametrelere ulaşmada geçerli bir yöntem olduğunu göstermiştir.
95
(a)
(b)
(c)
Şekil 3. Kalıp çıkış kısmındaki hız dağılımlarının vektörel gösterimi a) ilk tasarım,
b) iyileştirilmiş tasarım, c) nihai tasarım
96
Semboller
CV
Q
W
H
L
R
M
α
µ
µ0
γ
λ
n
: Varyans Faktörü
: Giriş akış hızı
: Akış genişliği
: Akış yüksekliği
: Kalıp çıkış uzunluğu
: Bariyer çapı
: Bariyer sayısı
: Dağıtıcı açısı
: Akışkanın viskozitesi
: Sıfır kayma hızındaki akışkanın viskozitesi
: Kayma hızı
: Doğal zaman
: Newtonian akıştan sapmayı ifade eden parameter
Kaynaklar
[1] Ngamaramvaranggul, V., Webster, M. F., 2000, Simulation of coating flows with slip
effects, Int. J. Numer. Meth. Fluids, 33: 961–992.
[2] Kouda S., 2008, Prediction of Processability at Extrusion Coating for Low-Density
Polyethylene, Polym. Eng. Sci., 48:1094–1102.
[3] Sollogoub et.al., 2008, Thermomechanical Analysis and Modeling of the Extrusion
Coating Process, Polym. Eng. Sci., 48:1634–1648.
[4] Chang et.al., 2009, Start-Up of Slot Die Coating, Polym. Eng. Sci., 49:1158–1167
[5] Dogu M., Gurkaynak M.A., 2015, Development of a Parametric Design Method for a
Novel Slot-Die Geometry, 2nd Turkey-Japan Workshop on Polymeric Composite
Materials, 8-9 May 2015 Izmir, Turkey.
97
98
OTOMOTİV SEKTÖRÜNE YÖNELİK YÜZEY
DESENLİ ARAÇ İÇİ FONKSİYONEL PLASTİK
PARÇA ENJEKSİYON KALIP TASARIMI
Y. Erdem Ayana, N. A. Serhat Gündoğdub, Gökhan Güvenc ve İ. Mehmet Palabıyıkd
a
İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi İmalat Mühendisliği Bölümü,
b
İstanbul/TÜRKİYE , [email protected]
c
d
İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü,
Özet
Bir otomobil parçasının plastik enjeksiyon kalıp tasarımına değinilmiş olup, tasarımın bu
alanda genel bilgi vermesi amaçlanmıştır. Parça, üzerinde desen bulunan ve el freni
etrafında yer alan orta konsol parçasıdır. Malzemesi ise bir termoplastik olan
polipropilendir. Parçanın karmaşıklığı nedeni ile çok sayıda yardımcı kalıp elemanı
kullanılmıştır. CAD ortamında SolidWorks yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Parçaya
çekme payı verilmesinden itibaren tasarım aşama aşama anlatılmış, günümüz teknolojisi
göz önüne alınarak, uygulanabilirliğine dikkat edilerek gerçekleştirilmiştir. Çeşitli analizler
yapılmış ve bunun sonucunda yapılacak iyileştirmeye karar verilmiştir.
Anahtar kelimeler: Plastik, enjeksiyon, kalıp, otomobil, desen, soğutma sistemi, sonlu
elemanlar yöntemi, analiz
INJECTION MOLD DESIGN OF FUNCTIONEL
PLASTIC PART THAT HAVE SURFACE GRAIN IN
VEHICLE INTENDED FOR AUTOMOTIVE SECTOR
Abstract
The plastic injection mold design was mentioned for a automobile part. The aim of the
design gives generel information in this area. The part has grain and it positions around of
handbrake. It’s material is a polipropilen that is a variety of thermoplastic. The part has
complex shape therefore the many helper mold elements were used. The design was made
in SolidWorks. The design was explained step by step from giving shrinkage. It was made
to take care in view of the fact that today’s technologies. The many analyses were made and
consequently necessary improvements were decided to make.
Keywords: Plastic, injection, mold, outomobile, grain, cooling system, finite element
method, analysis
99
1. Parça Geometrisi
Parça malzemesi bir termoplastik çeşidi olan polipropilendir. Parça otomobil içerisinde, el
freni etrafına konumlanmıştır. Bu nedenle görsellik ve estetiklik, tasarımda önemli rol
oynamıştır. Yüzeyinde istenilen görselliğin sağlanabilmesi için desen verilmesi istenmiştir.
Desenin yüzde yüz uygulanabilmesi için 7 derecelik açıya ihtiyaç vardır. Parça üzerinde
bardak ve benzeri ürünlerin yerleştirilebileceği, tasarıma bağlı yüzey geometrileri
bulunmaktadır. Parça ortasındaki uzun kanal el freninin hareketinin engellemeyecek şekilde
açılmıştır. Geometrinin karmaşıklığı nedeni ile düzgün bir kalıp ayrım hattına sahip
değildir.
Şekil 1. Paça geometrisi
2. Kalıbın Tasarımı
Kalıp boşluğuna enjekte edilen eriyik plastik soğuduğu zaman bir miktar büzülür. Bu
yüzden istenilen boyutlarda parça elde edebilmek için kalıp boşluğu istenen boyutlardan bir
miktar büyük yapılır ve buna çekme payı verilmesi denir. Kullanılan malzeme olan
polipropilen için çekme payı 1.0105’dır [1]. Bir sonraki aşama draft analizidir. Draft analizi
yapılma amcacı kalıbın ayrılma hattını belirlemektir. Parçada görsel olan üst ve yan
yüzeylerde desen vardır. Kalıbın açılma doğrultusunda 7⁰ draft açısı ile analiz yaparak
parçanın erkekte, dişide ve ters yüzeyde kalacak kısımları görülebilir.
Şekil 2. Draft analizinin üstten görünümü
Parçanın yan yüzeyleri 2⁰ ve 3⁰ arasında değişmektedir. Eğer yan yüzeler dişi tarafta kalırsa
kalıp ayrılırken dişi çelik parçanın yan duvarlarındaki deseni yırtacaktır. Bu yüzden tüm
yan yüzeylerin için maça kullanılır. Parçanın kalıptan çıkması için parçanın sağ ve sol
yüzeyinde olmak üzere iki adet maça kullanılacaktır. Parçanın ön tarafındaki yan yüzeydeki
yeşil kısım 7⁰’den büyüktür, yani bu taraf dişide kalabilir. Fakat bu sefer de o bölgede 2
tane birleşme izi çıkacağı görülmektedir. Bu durum istenmez. Bu yüzden o yeşil tarafı da
maçalara dahil ederek tek bir birleşme izi olmasını sağlanır.
100
Bir de maçaların ayrılma doğrultusu için draft analizi yaparak desenin zarar görüp
görmediğini kontrol edilir. Kalıp ayrılma düzlemine dik parçanın ortasından geçen bir
düzleme göre 7⁰ açılık draft analizi yapılır. Yani maçaların ayrılma düzlemine göre draft
analizi yapılır. Aşağıdaki analizde de görüldüğü gibi parçanın yan yüzeyinin ön tarafında 7⁰
açıdan düşük sarı bir yüzey olduğu görülür.
Şekil 3. Maçaların ayrılma hattı için draft analizi
Bu analizden anlaşılacağı gibi maçalar parçanın ortasından geçen kalıp ayrılma hattına dik
olan bu düzleme göre ayrılamaz. Maçaların ayrılma doğrultusunu bulmak için yapılan
birkaç denemeden sonra iki maçanın farklı doğrultular da ayrılmasıyla parçanın kalıptan
zarar görmeden çıkacağını elde edilir. Aşağıdaki şekillerde de görüldüğü gibi sağ ve sol
maça için kalıp ayrılma doğrultusuna dik olan düzlemden 7⁰’lik sapmalarla bulunan
düzlemler ayrılma doğrultusu için kullanılır.
Şekil 4. Sağ ve sol maça için ayrılma düzlemi
2.1 Dişi Erkek Ve Maça Yüzeylerinin Oluşturulması
Bu adımda kalıbın ve maçaların ayrılma hatlarına göre dişi, erkek ve maçalarda kalacak
yüzeyleri belirlenir. Dişi, erkek ve maçalarda kalacak yüzeyler seçilir ve kopyalanır. Sıfır
kalınlığa sahip yüzeysel geometriler elde edilir.
2.2 Öpüşme Yüzeylerinin Oluşturulması ve Katıya Geçiş
Kalıp kapandığı zaman erkek ve dişi tarafın tüm yüzeyleri temas etmez. Temas etmesi de
gerekmez. Kalıp kapandığı zaman kalıp boşluğundan itibaren 20-50 mm arası bir yüzey
tamamen örtüşür. Bu yüzey öpüşme hattıdır. Eriyik malzemenin kalıp boşluğundan dışarı
çıkmasını engeller. Öpüşme yüzeyinin yüzey kalitesi iyi ve dar toleransa sahiptir. Bunun
nedeni eriyik plastiğin enjeksiyon basıncı altında öpüşme yüzeyine sızmamasıdır. Eriyik
malzemenin dışarı sızmaması için öpüşme yüzeyinin çok kısa olmaması istenir. Çok uzun
olması da yüzeylerin alıştırılması açısından kötüdür. 20 ile 50 mm arası bir mesafe idealdir.
101
Şekil 5. Erkek, dişi ve maçaların öpüşme yüzeyleri
Yukarıdaki resimlerde erkek, dişi ve maçaların öpüşme yüzeyleri gösterilmektedir. Öpüşme
yüzeyleri oluşturulurken kalıp ayrılma doğrultusu ve çıkma açıları göz önünde
bulundurulmuştur. Bundan sonraki aşama oluşturulan öpüşme yüzeyleri ile erkek, dişi ve
maça yüzeylerinin birbirine dikilerek tek bir yüzey elde edilmesidir. Bu aşamadan sonra
katıya geçilir. Yukarıdaki şekilde de görüldüğü gibi öpüşme yüzeyinin dışına çıkmayacak
şekilde bir kapalı çizgi çizilir ve yüzeye kadar katı oluşturularak katı elde edilir. Bu işlem
erkek, dişi ve maçalar için yapılır. Bu aşamadan sonra erkek, dişi ve maçalar bağlanacak
makinanın boyutlarına göre büyütülerek plaka haline getirilir.
2.3 Maça Mili Tasarımı
Mekanik maçanın parçadan tam olarak sıyrılması gerekmektedir. Tasarımda mil uzunluğu
ve mekanik maça deliği bu stroğu sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca mekanik maça
üzerinde, mekanik maçanın zarar görmesini engelleyen baskı plakaları ve sürtünme
plakaları bulunmaktadır. Mekanik maça erkek çelik üzerine monte edilmiştir ve mekanik
maçanın erkek çelik üzerinde rahat hareket edebilmesi için, bir kızaklama sistemi
tasarlanmıştır. Erkek çelik ile mekanik maça arasındaki yüzey açılı olarak tasarlanmıştır.
Bu şekilde mekanik maçanın açılı bir şekilde açılması sağlanmıştır.
Mekanik maça stroğu 50 mm olarak belirlenmiştir ve açılı mil, mekanik maça içerisine 15
derecelik açı ile konumlanmıştır. Mil uzunluğu 186,6 mm olarak hesaplanmıştır.
Mekanik maça mili uzunluğu: 50 / tan(15) = 186,6 mm olarak bulunur.
İç maça itici stroğu : 23 / tan(10) = 130 mm olarak bulunur.
Şekil 6. Mekanik maça ve iç maça
102
2.4 İtici Yerleşimi
Şekil 7. İtici yerleşimi
1-Silindirik itici, 2-İç maça, 3-Bar itici, 4-Lokma (insert), 5-Boru itici
Şekilde parça üzerinde iticilerin yerleştirilmesi gösterilmektedir. İticilerin yerleşim
homojen olmazsa parça kalıptan çıkarken bir tarafı zorlanabilir ve deforme olabilir veya
parça çıkarken kasılabilir. İticileri yerleştirirken dikkat edilmesi gereken nokta derin
çukurlardır. Derin çukurların dibine ve üstüne itici konulmalıdır. Silindirik itici
konulamayan ince formlu kesitleri çıkartmak için bar itici kullanılır. Parça üzerindeki
silindirik (boss) şekilleri çıkartmak için de boru itici kullanılır. Yapılan tasarımda itici
stroğunu belirlemek için en önemli kriter iç maçanın hareketi olmuştur. İç maçanın, parçayı
ittiği doğrultudaki mesafe itici stroğunu vermektedir.
Bu aşamadan itibaren geri vurucu, itici merkezleme kolonu, baba ve dayama diski gibi
elemanlar tasarlanır. Geri vurucu iticileri korumak için yapılmıştır. Merkezleme kolonu,
itici plakalarını hizalar ve iticilerin çıkarken kasılmalarına engel olur. Baba enjeksiyon
basıncı sırasında erkek çeliği alttan destekler. Dayama diski ise alt itici plaka ve bağlama
plakası arasına konulur ve bu plakaları korur. Daha sonra paraleller, alt ve üst itici plakaları,
bağlama plakası, ısı yalıtım plakası ve manifold plakası makine boyutlarına uygun olarak
tasarlanır. Burç ve kolonlar kalıbın merkezlenmesi ve hizalanması için kullanılır. Paraleller
ile erkek çeliği hizalamak için kuyruklu burç kullanılır. Bağlama plakası ile paralelleri
hizalamak için adaptör kullanılır [2].
2.5 Soğutma Sistemlerinin Tasarımı
İticilerden ve iç maçalardan kalan yerlere soğutma kanalları en verimli olacak şekilde
yerleştirilmeye çalışılmıştır. Soğutma kanalı geçirilemeyen yerlere baffle ile soğutma
sağlanmıştır. Soğutma kanalı yerleştirmede iticiler ve iç maçalar kısıtlayıcı etkenleridir.
Şekil 8. Erkek çelik soğutma sisteminde sıvı akışı ve tasarımı
1-Soğutma kanalı, 2-Baffle, 3-Tıkama
103
Maçadaki soğutma kanalları parçayı homojen ve en iyi soğutacak şekilde tasarlanmıştır.
Soğutma sıvısının girişi, çıkışı ve izlediği yol oklarla gösterilmiştir.
Şekil 9. Maçadaki soğutma kanalları
Aşağıdaki şekilde sabit taraf soğutma sisteminin genel bir hali gözükmektedir. Kırmızı
kanallar tıkama için açılmıştır, suyun akışını yönlendirir. Koyu mavi kanallar baffle, açık
mavi kanallar soğutma kanallarıdır.
Şekil 10. Sabit taraf tüm soğutma sistemi
3. Analiz
Parça incelendiği zaman parçanın görsel yüzeyinden dolayı, parçaya el freni deliğinin
olduğu kısım ve arka taraftaki kısımdan yolluk girişi yapılabilir. Bu iki giriş yeri dolum
etkinliği ve kaynak çizgisi analizlerinde karşılaştırıldığında arka taraftaki kısımdan yolluk
girişi kararlaştırılmıştır. Plastik enjeksiyonda parçalar en rahat film yolluk ile doldurulur.
Bu parça da film yolluk girişi için müsait ve film yolluk girişi kararlaştırılmıştır. Parçanın
Cad datası Autodesk Moldflow programına çağrılır. Moldflow programında Cad datadaki
kusurlar otomatik olarak düzeltilir. Bundan sonra soğutma kanalları, baffle ve yolluklar
programa tanıtılır. Gerekli parametreler programa girilerek analiz başlatılır.
Şekil 11. Soğutma sistemi
104
Aşağıdaki şekile baktığımız zaman parçanın dolumunda
gözükmemektedir. Parça 2,82 saniyede 100% dolmuştur.
herhangi
bir
sorun
Şekil 12. Dolum zamanı analizi
Aşağıdaki kaynak hattı analizini incelediğimiz zaman arka kısımdan giriş yapılarak kaynak
çizigilerinin giriş noktasına daha yakın oluşması böylelikle daha sıcak bir birleşme elde
edilmesi ve birleştikten sonra akışın devam etmesi sayesinde daha uygun bir tasarım elde
edilmiştir.
Şekil 13. Kaynak hattı analizi
Oluşacak hava boşlukları, alttaki federlere (kaburga) yakın yerlerde gözlenmiştir.
Dolayısıyla bu bölgelere insert (lokma) yerleştirildiğinden hava çıkışlarında bir sorun
yaşanmayacaktır.
Şekil 14. Hava boşluğğu anaizi
105
Çöküntüler genelde 0.02 mm iken en yüksek 0.1 mm ile kabul edilebilir değerdedir.
Şekil 15. Çökme miktarı analizi
Şekil 16. Soğuma zamanı varyansı analizi
Şekil 17. Sıcaklık varyansı analizi
106
Şekil 18. Çarpılma analizi
Çarpılma, soğuma zamanı varyansı, sıcaklık zamanı varyansı analizlerinde görüldüğü üzere
parçanın orta kısmındaki derin çukurlar ile yan yüzeyi arasındaki bölge kritik öneme
sahiptir. Bunun nedeni parçanın bu kısmına itici yerleşimi dolayısıyla soğutma sistemi ile
yaklaşılamamasıdır. Analiz sonuçlarına göre parçanın en geç soğuyan bölgesi net bir
şekilde belirlenmiştir.
4. Sonuç
Analiz sonucundaki kritik bölgenin iyi soğutulması parçadaki çarpılmaları da önleyecektir.
Dolayısıyla bu bölge için kalıba ısı iletkenliği yüksek olan BeCu alaşımı Moldmax
malzemeden insert eklenmesi kararlaştırılmıştır [1].
Şekil 19. Erkek çelik Moldmax yerleşimi
Analiz sonuçlarına göre dolum, tutma (ütüleme), soğutma ve kalıp açılma zamanı 35 saniye
olarak belirlenmiştir. Kalıp açılma ve ütüleme zamanı, Autodesk Moldflow programında
varsayılan değerler olarak alınmıştır. Soğuma ve dolum analizleri ile beraber bu süreye
ulaşılmıştır.
107
Şekil 20. Kalıp genel görünümü
Kaynaklar
[1] Akkurt Selma, 2007. Plastik Malzeme Bilimi Teknolojisi ve Kalıp Tasarımı, Birsen
Yayınevi, İstanbul.
[2] Farplas Plastik Enjeksiyon Kalıbı Üretim Standartları, 2013.
108
EKSTRÜZYON KOŞULLARININ SON ÜRÜNE
ETKİSİ ÜZERİNE BİR UYGULAMA
Göksenin Kurt Çömlekçi
Ege Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 35100, Bornova, Izmir
[email protected]
Özet
Ekstrüzyon polimer mühendisliğinin en önemli plastik işleme yöntemlerindendir. Bir
açıklıktan itilme anlamına gelen bu yöntem ile kapı ve pencere sistemleri, plastik borular
gibi profil çekilen plastik ürünlerin, metallerin ve gıda malzemelerinin üretiminde yaygın
olarak kullanılır.
Bu çalışmada gıda endüstrisinde kullanılan çift vidalı ekstrüder ile msır nişastasında cips
üretilecektir. Proses parametrelerinden vida dönme hızı, besleme hızı, ve ham maddenin
içerdiği su miktarının ürün özelliklerine etkisi ürüne verilen spesifik mekanik enerji (SME)
ile ilişkilendirilerek son ürünün su soğurma indisi, genleşme oranı, ve gözenekliliği
araştırılmıştır. Analiz sürecinde etken-yanıt fonksiyonu ilişkisi yüzey yanıt tasarım yöntemi
kullanılarak incelenmiştir. SME vida dönme hızı ile artarken besleme hızının artması ile
azalır.
Cips hamurunun parçalanması mekanik enerji ile sağlanır. Verilen mekanik enerji arttıkça
nişasta zincirleri kısalarak çözünmesi kolaylaşır.
Bu çalışma ekstrüzyon parametrelerini değiştirerek en uygun ürünün istatiksel bir metotla
elde edilmesi açısından önem taşımaktadır.
Anahtar kelimeler: Ekstrüzyon, spesifik mekanik enerji, vida dönme hızı, besleme hızı,
öğütülmüş mısır, yüzey yanıt tasarımı
INVESTIGATION THE EFFECT OF EXTRUSION
PARAMETERS ON THE PRODUCT PROPERTIES
Abstract
Extrusion process is one of the most important application in plastic industry. Extrusion is
defined as the pushing through a die. Window frames, pipes, metals and food products can
be obtained by this process.
In this study snacks of corn grit will be produced by using two screw type extruder. As the
process parameters screw speed, mass flow and the water content of the starch will be
investigated. The effect of the process parameters on the extrudate properties such as; water
solubility index (WSI), water absorption index (WAI), expansion ratio, porosity will be
studied by relating to specific mechanic energy (SME). The statistical relationship between
process parameters and product properties were obtained by response surface model. SME
increases with screw speed and decreases with mass flow. As the mechanic energy destroy
the molecules, the WSI increases with energy.
This study is important to optimize the product properties by adjusting the extrusion
parameters by using statistical methods.
Keywords: Extrusion, specific mechanic energy, screw speed, mass flow, corn grit,
response surface model
109
1. Giriş
Malzemenin bir açıklıktan ittirilmesi ve istenilen şekil verilmesi işleminde kullanılan
ekstrüder, polimer işleme sanayisinde en çok kullanılan makinedir. Polimer ekstrüzyonu
ile boru, pencere profili, kablo kılıfı gibi birçok plastik ürün elde edilir. Ekstrüzyon
işleminde genellikle; polivinil klorür, polietilen, polipropilen, polisitren polimerler
kullanılır [1].
Polimer sanayisinde; kablo kaplama ekstrüder, levha ve film ekstrüder, çok kafalı ekstrüder
gibi birçok modifiye tip bulunmaktadır.
Ekstrüderler kullanım amaçlarına göre çeşitli modellerde üretilmektedirler. Ekstrüderler
kesikli (pistonlu) ve sürekli (vidalı) olmak üzere iki ana tipten oluşur. Bu makineler
üretilecek ürüne göre homojenizerli, ısıtmalı, su ceketli ve vakumlu olabilir [2].
Kullanılan vida tipine göre ise; tek vidalı ve çift vidalı ekstrüder tipleri bulunmaktadır. PVC
boruların %90 kısmı çift vidalı ekstrüder ile üretilir. Daha çok karıştırmak, birleştirmek ve
ya reaksiyon var ise kullanılmaktadır. Vida dönüş yönüne göre veya vidaların yerleşme
düzenine göre farklı tip çift vidalı ekstrüderler mevcuttur [1].
Ekstrüzyon işlemi ile polimer alanı dışında; metal, kil, seramik ve gıda ürünleri gibi birçok
malzeme üretilmektedir.
Bu çalışmada, gıda sanayisinde kullanılan yüksek basınçlı ve sıcaklıkta uygulanan, çift
vidalı bir pişirme ekstrüderi ile atıştırmalık ürün üretilerek; ekstrüzyon koşullarının
malzemeye etkisi araştırılacaktır.
Pişirme ekstrüderinde; ısıl enerji, makinede bölge bölge bulunan kovanlara elektrik veya
buhar verilerek elde edilir. Mekanik enerji ise vidaların hareketinin neden olduğu kayma
kuvveti ile sağanır. Enerjinin 2/3’ü mekanik enerjiden geri kalanı ise ısıl enerjiden elde
edilir [3]. Gıda endüstrisinde tek vidalı ektstrüderler yerini süreç ve ürün özelliklerinin
kontrolünün kolay olması nedeniyle çift vidalıya bırakmıştır [4].
Tek vidalı ekstrüderlerde yağ oranı için (12-17%) limitlerde çalışılmaktadır. Yağ
sürtünmeyi azaltarak mekanik enerjinin ısı enerjisine dönüşünü engeller. Çift vidalı
ekstrüderlerde ise %17 üstündeki yağ içerikliklerinde de çalışılır [3,5].
Gıda endüstrisinde kullanılan ekstrüder tiplerinde besleme, yoğurma ve pişirme olarak üç
ana bölge bulunmaktadır.
Besleme bölgesi: Ham madde ve su ekstrüdere girer ve buradan yoğurma bölgesine
sıkıştırılarak iletilir. Su maddenin akışkan özelliklerini değiştirerek daha iyi bir ısı transfer
sağlar.
Yoğurma bölgesi: Ekstrüde olan madde granül yapısını kaybederek hamur formuna gelir.
Bu bölgede daha küçük vida aralıkları yer almaktadır. Bu bölgede kayma kuvveti önemli
derecede etkilidir; akışkanın sıcaklığını arttırır ve en yüksek sıkışma bu bölgede
gerçekleşir.
110
Pişirme bölgesinde:, Plastikleşmiş malzeme kafaya doğru itilir. Sıcaklık ve basınç hızlıca
yükselir; kayma hızı vida yerleşiminden dolayı en yüksektir. Kafadan çıktıktan sonra basınç
farkından dolayı ani bir genleşme ile ürün elde edilir [5].
Gıda ekstrüderinde sıklıkla kullanılan nişasta da amiloz ve amilopektin glükozdan oluşan
bir polimerdir. Nişasta yaklaşık 2500 glükoz molekülü (C6H10O5)n içerir Ekstrüzyon işlemi
sırasında nişasta ısıl işlem ile kristal yapısını kaybeder ve erir; kayma gerilimi de polimer
moleküllerin parçalanmasına neden olarak homojen bir faz elde edilir [6,7].
Şekil 1. Enerji giridsi ile nişastanın bozunması [8]
Elde edilen ürün özellikleri ekstrüder çalışma parametreleri ile değişir. Bu etkiyi anlamak
için malzemeye verilen mekanik enerji ile parametreler ilişkilendirilebilir. Kütle başına
verilen mekanik enerjiye özgül mekanik enerji denir (SME) (Denklem 1). SME maddenin
parçalanmasına, reolojik özelliklerin değişmesine neden olur. SME, vida dönme hızı,
besleme hızı ve su içeriği gibi ekstrüzyon çalışma koşullarından etkilenir [9].
SME =
P

m
W*h
kg
(1)
2. Malzeme ve Yöntem
Ekstrudat (mısır cipsi) hazırlamak için %76 nişasta içeren doğal mısır kumu ham madde
olarak kullanılmıştır. Aynı yönde dönen çift vidalı; üretim hızı 80 kg/saat olan bir ekstrüder
kullanılmıştır (Coperion Werner & Pfleiderer, Typ ZSK 26 Mc).
111
Şekil 2. Cips üretiminde kullanılan çift vidalı ekstrüder
Bu çalışmada ekstrüder çalışma koşullarından vida dönme hızı, besleme hızı ve su içeriği
etkisinin ürün özelliklerine etkisi SME ile ilişkilendirilerek incelenmiştir. Ürün özellikleri
olarak; ürününün suda çözünürlüğü (WSI), su soğurması (WAI), hacimsel genleşmesi ve
gözenekliliği incelenmiştir.
WSI ve WAI belirlemek için; 2,5 g ekstrudat öğütülerek 25 g su içerisinde 30 dakika
boyunca karıştırılmış ve sonrasında santrifüj ile çöktürülmüştür. Ayrılan süzüntü ve
çökelek miktarı belirlenerek WSI ve WAI Denklem 2 ve 3 teki gibi hesaplanmıştır.
(2)
(3)
Ekstrudatın hacimsel genleşmesi (VEI); enine genleşmenin (SEI) ve boyuna genleşmenin
(LEI) çarpılması ile elde edilir (Denklem 4).
VEI= LEI x SEI
(4)
Enine genleşme micrometre ile ölçülen ekstrudat çapının kafa çapına oranının karesi olarak
hesaplanır (Denklem 5).
SEI =
LEI =
DE 2
)
DD
ρD
1 WC D
1
( )×(
)×(
)
ρE
SEI 1 WC E
(
(5)
(6)
112
Ekstrudat gözenekliliği; gaz piknometrisi ile elde edilen katı yoğunluğu kullanarak
hesaplandı (Denklem 7).
gözeneklil ik = 1 -
ms
ρ D * VEx
(7)
Deneme sayısını azaltabilmek ve istatiksel analizini yapabilmek için fraksiyonel faktöriyel
tasarım ile deney planı elde edildi. Bu amaç ile Design Expert 7.0 (Stat-Ease) yazılım
programı kullanıldı [10]. Ön denemeler sonucunda çalışılacak parametre aralıkları;
n (vida dönme hızı) = 320-1200 1/dak
m (besleme hızı) = 30-60 kg/saat
WC (su içeriği) = 20-30% olmak üzere toplamda 20 adet deney sayısı olan istatiksel deney
planı elde edilmiştir.
3. Sonuçlar
Ekstrüzyon çalışma koşullarının (n, m, WC) ekstrudat özelliklerine (WSI, WAI,
gözeneklilik, genleşme) etkisi SME ile ilişkilendirilerek incelenmiştir.
Şekil 3’te verilen grafik ve korelasyonda görüldüğü üzere SME; vida dönme hızı ile doğru,
besleme hızı ile ters orantılıdır. Vida dönme hızı 400 1/dak üstüne çıkınca malzemeye
verilen enerji arttığı için SME de hızlıca artmaktadır. Besleme hızı arttıkça; birim kütleye
dağılan enerji miktarı azalacağı için SME de azalır.
Nişastanın su içeriği plastikleştirici gibi davranarak enerji dağılımının azalmasına neden
olur. Elde edilen korelasyon SME’nin en çok su içeriği ile değiştiğini gösterir.
Şekil 3. Çalışma parametrelerinin SME’ye etkisi
Akışkana verilen enerji miktarı maddenin özelliklerinin değişmesine neden olarak ürün
kalitesini etkiler. Atıştırmalık cipsin nem tutma, suda çözünürlük, gözeneklilik gibi
özellikleri ürün kalitesi açısından önemlidir.
113
Vida dönme hızının artması ve besleme hızının azalması; birim kütleye verilen enerjiyi
arttırarak, kolay şişebilen ve kolay çözünebilen moleküllerin elde edilmesini sağlar.
WSI ve WAI değerleri, moleküllerin parçalanmasının ve nişasta dönüşümünün bir
göstergesidir. Vida dönme hızının artması ile SME artarak, akışkanın parçalanmasına neden
olur ve ekstrudatın suda çözünmesi (WSI) artar (Şekil 4). Besleme hızının ve nişastanın su
içeriğinin artması ile birim kütleye iletilen enerji miktarı azalır ve daha büyük moleküllü
ekstrudat elde edildiği için suda çözünme özelliği azalır.
Şekil 4. Vida dönme hızının ve besleme hızının, ekstrudatın WSI ve WAI özelliklerine
etkisi
Ekstrudatın WAI özelliği, maddenin nem miktarına ve molekül büyüklüğüne bağlı olarak
değişir. Vida dönme hızı artınca daha küçük moleküllü ekstrudat elde edileceği için WAI
değeri de düşmektedir.
Ekstrudatın hacimsel genleşmesi (VEI) süreç parametreleri ile ilişkilendirildiğinde ikinci
dereceden bir denklem elde edilir. Su içeriği artınca eriyik elastisitesi azalacağı için
genleşme de azalmaktadır. Hacimsel genleşme akışkanın vizkozitesinden etkilenir ve
besleme hızı ile ters, vida dönme hızı ile doğru orantılı olarak değişir (Şekil 5a).
Şekil 5. Hacimsel genleşmenin ve gözenekliliğin su içeriği ve besleme hızı ile değişimi
114
Ekstrudatın gözeneklilik yapısı, eriyik haldeyken içinde bulundurduğu hava kabarcıklarının
kaçamaması sonucunda elde edilir ve akışkanın yoğunluğuna bağlıdır. Basınç farkı ile
suyun ani buharlaşması sonucunda daha gözenekli bir yapı elde edilir. Nişastanın su içeriği
artınca eriyik elastisitesi azalarak akışkanın yoğunluğu artar bu da gözenekliliğin
azalmasına neden olur. Vida dönme hızının ve besleme hızının gözenekliliğe etkisi yok
sayılacak kadar azdır (Şekil 5b).
4. Son Söz
Bu çalışmada çift vidalı gıda ekstrüderi kullanılarak, mısır cipsi üretilmiştir. Ekstrüzyon
koşullarının ekstrudat özelliklerine etkisi incelenmiştir. Vida dönme hızı artınca sisteme
verilen enerji miktarının artması ile ekstrudatın suda çözünme özelliği artmıştır. Vida
dönme hızının ekstrudat gözenekliliğine ve genleşmesine etkisi ihmal edilebilecek
düzeydedir.
Besleme hızı artınca birim kütleye düşen enerji miktarı azalır ekstrudatın çözünme özelliği
de azalır. Ekstrudat genleşmesi ve gözenekliliği en çok nişastanın su içeriğinden
etkilenmektedir.
Uygun bir deney planı ile, uygulanacak deney sayısı azaltılmıştır. Bu çalışma istenilen
özelliklerde ürün elde etmek için uygulanacak istatiksel yol önermesinden dolayı önem
taşımaktadır.
Bilgilendirme
Bu çalışma, Karlsruhe Üniversitesi Gıda Mühendisliği Bölümünde, Prof. Dr. H.P.
Schuchmann yöneticiliğinde diploma projesi olarak çalışılmıştır.
Semboller
ρE
ρD
ρD
P
m
DE
DD
WCD
WCE
ms
VEx
: ekstrudat yoğunluğu
: 1,6 g/cm3[11]
: katı yoğunluğu [g/cm3]
: güç [W]
: akış hızı [kg/saat]
: ekstrudat çapı
: kafa çapı
: plastikleşmiş mısır nişastanın su içeriği [%]
: ekstrudatın su içeriği [%]
: katı kütle [g]
: Ekstrudat hacmi [cm3]
Kaynaklar
[1] Fatahi, S. , Extrussion Processing
http://www.aiquruguay.org/congreso/download/P5.pdf Ulaşım tarihi: 01.09.2015
[2] Yıldırım Z.ve Ercan, R. ,1996, Gıda Endüstrisinde Ekstruzyonla Pişirme Tekniği, Gıda
Teknoloji, 21(1) 9-16
115
[3] Schuchmann , H.P., 2008, Extrusion zur Gestaltung von Lebensmittelstrukturen,
Chemie Ingenieur Technik, 80(8): 1097–1106
[4] Hirth, M., Leiter, A. Beck, S., Schuchmann , H.P. , 2014, Effect of extrusion cooking
process parameters on the retention of bilberry anthocyanins in starch based food, Journal
of Food Engineering, 125(1):139–146.
[5]
M.N.
Riaz,
2000,
Extruders
in
Food
Applications,
ISBN
978-1-56990-516-6 ,Hanser, Cincinnatti
[6] Schuchmann, H.P., Leeb, C. V., 2007, “Product Design and Engineering – Best
Practises", Wiley VCH, Weinheim, Volume 2: Raw Materials, Additives and Applications,
Chapter 5, 395-419
[7] Qing-Bo Ding, Ainsworth, P. Tucker, G., Marson. H., The effect of extrusion conditions
on the physicochemical properties and sensory characteristics of rice based expanded
snacks. Journal of Food Engineering 66:283, 2005.
[8] Barron, C. Della G., Valle, Colonna, P. ve Vergnes, B. 2002, Energy Balance of Low
Hydrated Starches Transition Under Shear. Journal of Food Science, 67(4) 1426-1437
[9] Moraru, C.I, ve Kokini, J.L, 2003, Nucleation and Expansion During Extrusion and
Microwave Heating of Cereal Foods, Comprehensive Reviews Food Science and Food
Safety, 2 (4) 147-165
[10] John, P.W.M., 1971Statistical Design and Analysis of Experiments, SIAM Classics in
Applied Mathematics, Philadelphia
[11] Millauer, C., 1994, Untersuchung der Rheologischen Eigenschaften von Weizenstärke
und Weizenmehl in der Extruderdüse, Dissertation, Berlin University
116
ALÇAK YOĞUNLUKLU POLİETİLENİN MOR
ÖTESİ IŞINLARA KARŞI KARARLI KILINMASI
Güneş Boru İzmirlia, Sevgi Ulutana ve Pınar Tüzüm Demirb
a
Ege Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Bornova-İzmir//TÜRKİYE,
[email protected]
b
Uşak Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü, Uşak/TÜRKİYE ,
[email protected]
Özet
Bu çalışmada alçak yoğunluklu polietilen (AYPE) boruların engellenmiş amin (HALS,
Hindered Amine Light Stabilizer) ve karbon siyahı (CB, Carbon Black) kullanılarak mor
ötesi (UV) ışınlarına karşı korunabilme etkinliği araştırılmıştır. AYPE boruların UV ışınımı
etkisiyle bozunma davranışına kararlı kılıcı varlığı ve türünün etkisi boruların kimyasal,
yapısal ve mekanik özelliklerindeki değişim ile izlenmiştir. Fourier Dönüşüm Kızılötesi
(FTIR) spektroskopisi, Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM) ve hidrostatik gerilme
dayanımı testi (HGDT) inceleme sonuçları örneklerde doğal yaşlandırma sürecinde oluşan
yapısal farkları ortaya çıkarırken, kullanılan kararlı kılıcılar arasında belirgin fark
olmadığını göstermiştir.
FTIR ve SEM analiz sonuçları HALS içeren boruların
hızlandırılmış yaşlanma koşullarına CB içereninkinden daha yüksek dayanım sağladığını,
X-ışını kırınımı (XRD) analiz sonuçları kararlı kılıcı eklenmesinin polietilen kristalinitesine
etki etmediğini göstermiştir.
Anahtar sözcükler: AYPE, HALS, Karbon Siyahı, doğal ve hızlandırılmış yaşlanma
UV STABILIZATION OF LOW DENSITY
POLYETHYLENE
Abstract
In the present study, the stabilization efficacy of Low Density Polyethylene (LDPE) pipes
against Ultraviolet (UV) aging with Hindered Amine Light Stabilizer (HALS) and Carbon
Black (CB) has been investigated. The influence of the stabilizers on UV degradation
behavior of LDPE pipes has been investigated by monitoring the changes in chemical,
structural, and, mechanical properties of pipes. Analyses through Fourier Transform
Infrared (FTIR) spectroscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), and hydrostatic
pressure resistance test revealed that while the structural differences occur on the material
due to the presence of stabilizer during the natural aging, the stabilizers were found to be
indifferent. While FTIR and SEM analyses revealed the higher resistance of HALSstabilized samples to accelerated weathering conditions than of CB-stabilized ones, X-Ray
Diffraction analysis showed that the crystallinity of LDPE was not affected by the
incorporation of the stabilizers.
Keywords: LDPE, HALS, Carbon Black, natural weathering, accelerated weathering
117
1. Giriş
Plastikler boru üretiminde mükemmel dayanıklılık, bağlantı parçalarının uyumu, korozyon
ve kimyasallara karşı direnç, hizmet ömrünün uzun olması gibi üstünlükler
sağlamaktadırlar. Boru üretiminde Alçak Yoğunluklu Polietilen (AYPE) 1950’lerden bu
yana kullanılmaktadır [1]. Plastik atıkların yaklaşık %42 sini AYPE oluşturmaktadır.
Plastik kullanımının giderek artması, bozunma önleyici katkıların kullanılarak hizmet
ömrünü arttırmaya yönelik çalışmalara hız kazandırmıştır.
Sentezleme, depolama, işleme, kullanım ve geri dönüşüm süreçlerinde serbest radikaller
üzerinden gerçekleşen bozunma tepkimeleri polimerin yapısal özelliklerini değiştirir [2].
Mor ötesi (UV) ışınımı polimer molekülünde zincir kırılması, oksijen içeren gruplar
oluşması, molekül ağırlığında azalma, dallanma ya da çapraz bağlanma gibi değişiklere
neden olarak mekanik ve yapısal özelliklerin zayıflamasına neden olur. Güneş ışığı
spektrumunun 300-400nm olan ışınları yeryüzüne ulaşabilir. UV ışınlarının 300nm’deki
enerjisi (400 kJ/mol), polimerlerdeki karbon-karbon (C-C) bağını kırarak bozunma
tepkimesini başlatmaya yeterlidir [3]. Hidroperoksitler AYPE’nin oksitlenmeye bağlı
bozunma mekanizmasındaki önemli bileşiklerdir [4]. Bozunma sırasında hidroperoksitlerin
oluşumunu foto-kimyasal bozunma izler ve UV ışını altında bu bozunma karboksilik asit,
alkol, keton, ester gibi foto-ürünlerin oluşmasına yol açar.
Polietilen UV etkisiyle bozunmaya karşı engellenmiş amin (HALS) ve karbon siyahı (CB)
gibi kararlı kılıcılar ile korunabilmekte [1, 5], görevdeş (sinerjik) karışımlar polimeri uzun
süre koruyup, yaşlanmayı geciktirmektedir [6]. Karbon siyahı katı polimer yapısında
kristallerin büyümesine ve CB taneciklerine yer açarak kristalinitenin değişimine yol
açmaktadır [7]. CB’nin UV ışın soğurucu, radikal tuzağı ve foto-oksitleyici tepkimeleri
etkileyen serbest radikalleri sonlandırdığı düşünülmektedir [8].
Hızlandırılmış yaşlanma testlerinde örnekler ksenon-UV ışını yayılımı altında uygun
sıcaklık ve süreyle tutulur. Polietilenin yaşlanması ile oluşan karbonil grupları Fourier
Dönüşüm Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ile saptanabilir [9]. AYPE filmlerin UV ışınlar
altında foto-oksitlenmesi, bozunma hızı ve kimyasal bozunması karbonil piki absorbans
değerinin gelişimi ile değerlendirilebilir [10]. FTIR spektrumunda oksitlenmeye ilişkin
1720 cm-1’deki karbonil (C=O) bandı absorbansının (A) referans olarak alınan polietilen’e
ait 1370 cm-1’deki CH3 bandı absorbansına oranı oksitlenme indisi (Oİ) (Eşitlik 1) olarak
tanımlanmaktadır [11].
(1)
Polimer kristallenmesi kinetik bir olay olduğundan, şekil değiştirme hızı, uzama, sıcaklık
gibi süreç koşulları ve molekül ağırlığı, molekül ağırlığı dağılımı, molekül yapısı ve
dallanma gibi moleküle ilişkin parametreler ürünün son yapısı ve mekanik özellikleri
üzerinde çok etkindir [12]. Polimerde kristal ve amorf bölgelerin varlığı, Diferansiyel
Taramalı Kalorimetre (DSC) eğrilerinin yanı sıra X-ışını kırınımı (XRD) deseni üzerinden
de gözlenebilmektedir. XRD şiddet - 2θ eğrisinde piklerin altındaki alanlar (Akristal) kristal
miktarı ile, XRD desenin altında kalan alan ise kristal ve amorf bölgelerin toplam alanı
(Atoplam) ile orantı olup, polimerin kristal oranı Eşitlik 2 ile hesaplanmaktadır.
(2)
118
Doğal yaşlanma sürecinde katkısız Yüksek Yoğunluklu Polietilen (YYPE)’in erime
sıcaklığı pek değişmezken kristal oranının artması, güneş ışınları ile ısınan polimerde zincir
kopmaları, hareketlilik artışı ve bir tür tavlanma etkisi oluşmasına bağlanmaktadır [13]. Bu
etki katkılı YYPE’de daha zayıf gerçekleşmiştir. Roy ve arkadaşları (2007) [14], UV
ışınlarla bozunma sürecinde polietilen molekülünde kristal bölgede bir değişim olmadığını,
XRD desenlerinde lameller arası 4,1, 3,6 ve 2,5 A° açıklığa karşı gelen (2θ değerleri
sırasıyla 21,5°, 24,7° ve 36,1°) piklerin oksitlenme ile değişmediğini saptamışlardır. Amorf
bölgeler zincir kopmaları ile erozyona uğramakta, oluşan düşük molekül ağırlıklı polimer
kristallenmeyi ya da kristallenme hızını artırıcı etki gösterebilmektedir. Karbonil grupları
oluşumu da molekül içi yeni polar bağlar oluşmasına yol açabilmektedir. Zincir kopmaları
moleküler hareketliliği artırarak çatlaklar oluşmasına neden olan ikincil kristallenmeleri
artırabilmekte, kristal artışı ise filmin kırılganlığını artırıcı etki yapmaktadır.
Polietilenin monoklinik kristal oranını artıran travma etkisi amorf fazı da artırmakta ancak,
travmadan hemen sonra gevşeme başlamaktadır [15]. Mekanik gerilimler zincirler arası
monoklinik konfigürasyonu yeniden ortorombik konfigürasyona çevirebilmektedir. Oda
sıcaklığında çok yavaş olan bu süreç sıcaklık artışıyla hızlanmaktadır. AYPE’in yapay
yaşlandırılmasında yaşlanma öncesi taramalı elektron mikroskopisi (SEM) görüntülerinde
pürüzsüz ve düzgün olan yüzeylerde yaşlandırma sonrası büyümeye eğilimli ve mozaik
yapılı derin çatlaklar oluştuğu gözlenmiştir [9, 16].
Plastik boru üretiminde borunun hizmet ömrünü öngörmeye yarayan hidrostatik gerilme
dayanımı testi (HGDT) büyük önem taşır [1]. HGDT ile borunun dayanması beklenen en
düşük basınç değeri (Pu, atm), Eşitlik 3’de üretildiği polimer, boru çapı ve et kalınlığı temel
alınarak sıcaklığa ve süreye bağlı olarak hesaplanır. Eşitlik 3’de borunun en düşük et
kalınlığı ve ortalama çapı sırasıyla ve
ile verilmektedir. Çevresel gerilme değeri ,
deney sıcaklığı ve deney süresine bağlı olarak ilgili standartla verilmektedir.
(3)
YYPE borular tekrarlanan ekstrüzyon işlemleri sonrasında boruların dayanmaları beklenen
basıncın çok üzerindeki basınç değerlerinde patladığından, yeniden boru üretimine uygun
bulunmuştur [17]. Haner ve arkadaşları (2008) [18], ardı ardına 10 kez ekstrüzyon
sürecinde AYPE peletlerinin viskozite ve oksitlenme indisinde artış, SEM fotoğraflarında
farklılıklar gözlerken, kimyasal, ısıl, yapısal ve mekanik analizler ve ağırlık kaybı
çalışmalarında belirgin bir değişiklik gözlememiştir. Bu çalışmada UV ışınlara karşı kararlı
kılıcı içermeyen ve kararlı kılıcı olarak HALS ve CB içeren AYPE boruların doğal ve
hızlandırılmış koşullarda yaşlanma davranışı çeşitli analiz ve testlerle incelenmiştir.
Bu çalışmada toprak üzerinde su iletimi amacıyla kullanılan AYPE boruların doğal ve
hızlandırılmış yaşlanma sürecinde bozunma davranışları incelenmiştir.
2.1. Malzeme
Bu çalışmada AYPE (Petkim A.Ş, G03-5, Yoğunluk 0,921gr/cm3, Erime Akış İndisi 0,30
gr/10 dakika), kararlı kılıcılar olarak DAYPE içinde HALS (CIBA Co., eş kütleli
Chimassorb 944 ve Tinuvin 622 karışımı) ve CB (Plastika Kritissa Co., Black350)
masterbatch (yoğun formül; kütlece 1:1) kullanılmıştır. Kararlı kılıcı içermeyen, %100
119
AYPE borular B0, 100 kısım AYPE pelet içine kütlece 1 kısım HALS/DAYPE katılanlar
B1, kütlece 5 kısım CB/DAYPE katılanlar ise B2 olarak adlandırılmıştır.
2.2. Deneysel Yöntem
AYPE boru örnek üretim, yaşlandırma ve analiz çalışmalarının organizasyon şeması Şekil
1’de verilmiştir. Boru (ortalama dış çapı, Dort, 25 mm, et kalınlığı, , 4,4-5,0 mm)
üretiminde, BATTENFELD marka (tek vidalı, L/D=30) ticari bir ekstruder kullanılmıştır.
Şekil 1. AYPE boru ve örneklerinin üretim, yaşlandırma ve analiz organizasyonu
Yaşlandırma Çalışmaları:
B0, B1 ve B2 olarak kodlanan AYPE boru örneklerine yaşlandırma uygulanmıştır.
i. Doğal Yaşlandırma: Boru parçaları (~6’şar metre) İzmir, Pınarbaşı’nda, doğal
yaşlanmaya bırakılmıştır. İzmir ilinin bu süreçteki ortalama gündüz ve gece sıcaklığı 21ºC
ve 10ºC, rüzgar hızı ise 15 km/saat olarak hesaplanmıştır. B0 ve B1 kodlu örneklerin
üretimi Aralık ayı başında, gerçek üretim koşulları nedeniyle B2 kodlu örneğin üretimin
Şubat ayı başında gerçekleştirilebilmiştir. Örnekler her 3 tip borudan eşzamanlı olarak
alınmıştır.
ii. Hızlandırılmış Yaşlandırma: Boru parçaları (~20’şer cm) floresan tüp kaynağı olarak
340 nm dalga boyunda 0.68 W/m2-nm ışıma yapan UVA lambalı QUV test cihazında (QPanel Company; LU-0819 model) sabitlenmiştir. Hızlandırılmış yaşlanma 40ºC sıcaklıkta 4
saat UV ışını ve 4 saat iyonlarından arındırılmış su püskürtme döngüsü ile uygulanmıştır.
2.3 Analiz Yöntemleri
AYPE, HALS ve CB karakterizasyonu: Peletler iki lam arasında 150ºC’de 2 dakika ısıtılarak
film haline getirilip Shimadzu IR-470 markalı spektrofotometre ile kızıl ötesi spektrumları
alınmıştır.
120
Boru örneklerine uygulanan analizler: Yaşlanma sürecinde oluşan kimyasal yapı
değişiklikleri Perkin Elmer Spectrum One ile ATR-FTIR analizleri yapılarak izlenmiştir.
X-ışını kırınımı (XRD) ölçümleri Cu-Kα radyasyonu (λ=1,5418 nm) kullanılarak, Rigaku
D/MAX-2200/PC X-Ray Difraktometre cihazı ile yapılmıştır. SEM görüntüleri, örnekler
altın kaplanarak iletkenlik sağlanıp, 15 kV’de, Jeol JSM-6060 cihazı ile alınmıştır.
HGDT çalışmaları: EN 921 standardına göre 20ºC’de, 1 saat süre ile 7 MPa çevresel
gerilme basıncı (σ, EN 12201) uygulanan boruların patlama basınçları (Pp) ölçülmüştür.
AYPE’nin kararlı kılınması CB ile sağlandığında genel olarak % 1,5-3,5 oranında
kullanılmaktadır. HALS kullanılan çalışmalarda kütlece 100 kısım polimere 0-1 kısım
miktarının yeterli olduğu görülmektedir. Bu çalışmada AYPE ve DAYPE yakın yapıda
polietilen olarak düşünüldüğünde B1 örneğinin formülasyonu şu şekildedir: 100,5 kısım
polietilen içinde 0,5 kısım katkı bulunduğundan kütlece % 0,50 HALS ve %99,50
Polietilen vardır. B2 örneğinin formülasyonu da kütlece % 2,44 CB ve %97,56 Polietilen
olarak hesaplanır.
Polimerin doğal ortamda yaşlanması sıcaklık, nem, UV ışınımı, rüzgar, yağmur gibi
koşullara bağlıdır. Polimerin kullanıldığı yer (dünya üzerindeki konum, enlem, boylam) ve
kullanıldığı süre boyunca değişken olan iklim etkileri hızlandırılmış testlerde sabit
tutulabilmektedir. Doğal yaşlanma deneyleri hızlandırılmış yaşlanma deneylerine göre daha
gerçekçi sonuçlar verse de bu sürecin oldukça uzun olması izlenebilirliğini
zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada, her iki durum karşılaştırmalı olarak incelenmiştir.
3.1 AYPE Yaşlanma Sürecinin Spektroskopik İncelemesi
Borulara 1200 gün doğal ve 201 gün hızlandırılmış yaşlanma uygulanan bozunma
sürecinde polimerin yapısındaki değişiklikler FTIR analizi ile incelenmiş ve Şekil 2’de
verilen OI değerleri saptanmıştır. Doğal yaşlanmada 1200 günde en yüksek Oİ değeri 670
olarak saptanırken, hızlandırılmış yaşlandırmada 133 günde 840 değerine ulaşılması,
hızlandırılmış yaşlandırmanın şiddetini ortaya koymaktadır. Kararlı kılıcı içermeyen boru
örneğinde UV ışınların olumsuz etkileri 133 gün hızlandırılmış yaşlanma sonrası yapılan
Oİ değerlendirmesinde açıkça görülmektedir. 201 gün sonunda kararlı kılıcı içermeyen
boru örneğinin OI değerinde %1476 artış gözlenirken, HALS içeren boru örneğinde bu
değer %89 artmıştır. AYPE nin oksitlenmeye bağlı bozunmasında hızlandırılmış yaşlanma
koşullarında HALS en iyi dayanımı göstererek CB’e karşı üstünlük sağlamıştır.
3.2 AYPE Yaşlanma Sürecinin SEM Görüntüleri ile İncelemesi
AYPE boru örneklerinin yaşlanma önceki yüzey görüntüleri (Şekil 3(a)) incelendiğinde
yüzeylerinin düzgün ve pürüzsüz olduğu gözlenmiştir. Doğal yaşlandırmada 24 ay sonra
Şekil 3(b)’deki SEM görüntülerinde değişim gözlense bile karşılaştırılabilir ölçüde bir
yüzey bozulması saptanmamıştır. Hızlandırılmış yaşlanma koşullarının kararlı kılıcı
içermeyen AYPE üzerindeki ağır etkisi örneğin yüzeyindeki derin çatlaklardan
anlaşılmaktadır (Şekil 3(c)). Kararlı kılıcı içermeyene göre çok daha az olsa da CB içeren
örneğin yüzeyinde de oldukça fazla miktarda çatlak oluşmuş, spektroskopik bulguların da
desteklediği üzere, en iyi kararlı kılıcı başarımını HALS göstermiştir.
121
Şekil 2. AYPE örneklerin Oksitlenme İndisinin yaşlanma süresiyle değişimi
Şekil 3. AYPE boru örneklerinin SEM fotoğrafları: (a) yaşlanma öncesi, (b) 720 gün doğal
yaşlanma sonrası (c) 201 gün hızlandırılmış yaşlanma sonrası
3.3 AYPE Yaşlanma Sürecinin XRD Analizi ile İncelemesi
AYPE’nin XRD desenlerinde 19-24 A° aralığındaki [200], [201] ve [400] kristal
düzlemlerinden yansımaların güçlü, 40 A°’dan sonrakilerin zayıf olduğu görülmüştür.
Yaşlanma öncesi AYPE’nin [200], [201] ve [400] kristal düzlemlerinden gözlenen
monoklinik yansımalar gerek doğal, gerek hızlandırılmış yaşlanma sonucunda zamanla
gevşeme davranışına bağlı olarak ortorombik kristal yapıya dönüşmüştür. Tüm örneklerde
(B0, B1, B2) 24 ay yaşlanma sonrasında [001] monoklinik yansımaları görülmüştür.
Mekanik gerilim, zincirler arası monoklinik konfigürasyonu ortorombik konfigürasyona
çevirebilir. Bu dönüşüm oda sıcaklığında çok yavaş olmakla birlikte hızı sıcaklıkla artabilir.
Örneklerin UV etkisiyle yaşlanmasıyla kristal oranının değişimi Tablo 1’de verilmiştir.
Katkısız örneğin yapay yaşlanmadaki kristal oranı artışı, zincir kopmalarına bağlı olarak
oluşan kısa zincirlerin kolay kristallenmesine bağlanabilir.
Doğal yaşlanma sürecinin ilk yılında katkısız örnekte kristal oranı artmış, ikinci yılında ise
azalma göstermiştir. Doğal yaşlanmada kararlı kılıcı içermeyen örneğin kristal oranında
122
belirgin değişim görülmemiş, kararlı kılıcı içerenlerde 40 ay sonrasında belirgin bir azalma
görülmüştür. Hızlandırılmış yaşlanma sürecinde ise kararlı kılıcı içermeyen örneğin kristal
oranı 201 gün yaşlanma sonunda %21 artarken, kararlı kılıcı içerenlerde bu değer çok az
azalmıştır.
XRD analizi, B1 ve B2 örneklerinin kristal oranı değerinde sırasıyla %0,6 ve %2,59 düşüş
olduğunu ortaya koymuştur. Bu oran örneklerin AYPE dışı maddeler olan HALS ve CB
miktarı (sırasıyla %0,50 ve %2,44) ile yaklaşık aynı olduğundan katkı maddelerinin AYPE
kristal oranına etki etmediği anlaşılmıştır.
Tablo 1 AYPE’nin UV etkisiyle yaşlanmasıyla kristal oranının değişimi
Kristal Oranı, %
Yaşlanma süresi,
Yaşlanma türü
gün
B0
B1
B2
-
0
54,1
53,8
52,7
Hızlandırılmış
201*
65,5
52,6
50,0
Doğal
420
55,3
52,0
53,9
Doğal
720
51,6
53,6
56,5
3.4 Boruların Yaşlanmasının Hidrostatik Gerilme Dayanımına Etkisi
Boruların doğal yaşlanma sürecine dayanımı, kullanım ömürlerinin öngörülmesini sağlayan
HGDT sonuçları (Tablo 2) ve örneklerin test sonrası fotoğrafları (Şekil 4) ile incelenmiştir.
Patlama basıncı (Pp), deney süresi boyunca Eşitlik 2’ye göre hesaplanan uygulama basıncı
(Pu) altında boruların patladığı basınçtır.
Doğal yaşlanmada patlama basıncı 720 güne kadar değer olarak fark göstermemekle
birlikte, 1200 günlük yaşlanmada kararlı kılıcı içeren ve içermeyen örnekler açısından ciddi
bir fark oluşmuştur. Diğer yandan, boru örneklerinin HGDT sonrası fotoğrafları 600 gün
yaşlanmış kararlı kılıcı içeren boruların basıncın etkisiyle çap yönünde genişleyerek, kararlı
kılıcı içermeyen borunun ise bozunmanın etkisi ile en çok zayıfladığı noktadan yarılarak
patladığını göstermektedir. Bu durum, UV ışınları etkisiyle bozunan örneklerde zincir
kopmaları olduğu, bu nedenle kristallenmenin arttığı, oluşan sert yapıların moleküllerin
yönlenmelerini engellediğini düşündürmektedir. UV ışınının kararlı kılıcı içermeyen AYPE
üzerindeki olumsuz etkisi 1200 gün yaşlanma sonrasında çok daha belirginleşip, çıplak
gözle kolayca görünür duruma gelmiştir.
Şekil 4. Doğal yaşlandırılmış AYPE boru örneklerinin HGDS sonrası fotoğrafları
123
Tablo 2 HGDT sürecinde borulara uygulanan ve boruların patladığı basınç (Pu, Pp; atm)
B0
B1
B2
Yaşlanma
Süresi, gün
Pu
Pp
Pu
Pp
Pu
Pp
0
30,7
46,0
29,0
44,0
30,4
46,0
180
32,0
51,0
30,0
45,0
33,0
51,0
420
32,0
48,0
29,0
44,0
32,0
50,0
600
29,6
50,0
29,6
50,0
32,5
56,0
720
33,0
51,0
30,0
55,0
34,0
55,0
1200
30,0
30,0
29,7
46,0
34,9
57,0
4. Yorum
Bu çalışmada HALS ve CB’in AYPE boruların doğal ve hızlandırılmış yaşlandırma
koşullarında UV ışınlarına karşı koruma etkinlikleri araştırılmıştır. Boruların kimyasal,
yapısal ve mekanik özelliklerindeki değişim FTIR spektroskopisi verilerinden elde edilen
Oİ değerleri, SEM fotoğrafları ve HGDT inceleme sonuçları ile izlenmiştir.
FTIR analizi ile hesaplanan Oİ verileri, doğal yaşlandırma koşullarında kararlı kılıcı içeren
örneklerin oksitlenmesinin daha düşük olduğunu, hızlandırılmış yaşlanma koşullarında
HALS içeren boru örneklerinin CB içereninkinden daha iyi koruma sağladığını
göstermiştir. XRD analizi, kararlı kılıcı içermeyen örneklerin kristalinitesinde doğal
yaşlanma sürecinde belirgin değişim olmadığını, en yüksek değişimin hızlandırılmış
yaşlanmada oluştuğunu göstermiştir. SEM görüntüleri, yaşlandırma sonrasında oluşan derin
oyuk ve çatlakları ortaya çıkarmıştır. XRD ve SEM verileri FTIR ile de uyum içinde,
hızlandırılmış yaşlanmanın daha şiddetli bozucu etki gösterdiğini açığa çıkarmıştır.
HGDT, yavaş seyreden doğal yaşlanma sürecinde bozunma davranışını ortaya çıkarmıştır.
HALS ya da CB içeren borular çap yönünde genişleyerek, kararlı kılıcı içermeyen boru ise
bozunmanın etkisiyle zayıflayan bir noktadan yarılarak patlamıştır.
Çalışmada elde edilen sonuçlar, gerek çevresel gerekse ekonomik nedenlerle yapılan benzer
çalışmalar için yol gösterici olacaktır. Polietilenin hizmet ömrünün artırılmasına ve geri
dönüşümüne ilişkin iyileştirmelerin doğal kaynakları koruma, enerji tasarrufu, atık
miktarını azaltma ve ekonomi yönünden yaşadığımız dünyaya katkı sağlayacağı
Teşekkür ve Bilgilendirme
Bu projeye makine, üretim ve malzeme konusunda destek veren, ve projeyi her aşamasında
izleyerek teşvik eden, proje sonuçlarını uygulamalarında kullanıma değer bulan Göktepe
Plastik San. ve Tic. A.Ş.’ye teşekkür ederiz. Bu çalışma 06 MÜH 027 No’lu Proje
kapsamında Ege Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Saymalığı’nca desteklenmiştir.
Çalışmaya çeşitli test ve analizlerle katkıda bulunan Akzo Nobelkemipol’e, Doç. Dr. Sami
Sayer’e, Dr. Şebnem Kocagül’e, bilimsel öneri ve destekleri için Prof. Dr. Devrim
Balköse’ye ve Prof. Dr. Mesut Yenigül’e teşekkür ederiz.
124
Kaynaklar
[1] Maria, R., Rode, K., Schuster, T., vd., 2015. ‘‘Ageing study of different types of longterm pressure tested PE pipes by IR-microscopy’’, Polymer, 61, 131-139.
[2] Cruz , S.A., Zanin M., 2003. ‘‘Evaluation and identification of degradative processes
in post-consumer recycled high-density polyethylene’’, Polym. Degrad. Stab., 80, 31–37.
[3] Al-Madfa, H., Mohamed, Z., Kassem, M. E., 1998. ‘‘Weather ageing characterization of
the mechanical properties of the LDPE’’, Polym. Degrad. Stab., 62, 105-109.
[4] Tidjani, A., 2000. ‘‘Comparison of formation of oxidation products during photooxidation of linear low density polyethylene under different natural and accelerated
weathering conditions’’, Polym. Degrad. Stab., 68, 465-469.
[5] López-Vilanova, L., Espí, E., Martinez, I., vd., 2013.‘‘ Photostabilization study of
ethylene-butyl acrylate copolymers functionalized in the molten state with hindered amine
light stabilizers (HALS)’’, Polym. Degrad. Stab., 98, 2146-2152.
[6] Gugumus, F., Lelli, N., 2001. ‘‘Light stabilization of metallocene polyolefins’’, Polym.
Degrad. Stab., 72, 407-421.
[7] Phease, T.L., Billingham, N.C., Bigger, S.W., 2000. ‘‘The effect of carbon black on the
oxidative induction time of medium-density polyethylene”, Polymer, 41, 9123-9130.
[8] Liu, M., Horrocks, A. R., 2002. ‘‘Effect of Carbon Black on UV stability of LLDPE
films under artificial weathering conditions’’, Polym. Degrad. Stab., 75, 485-499.
[9] Gulmine, J. V., Janissek, P. R., Heise, H. M., Akcelrud, L., 2003. ‘‘Degradation profile
of polyethylene after artificial accelerated weathering’’, Polym. Degrad. Stab., 79, 385-397.
[10] Qin, H., Zhao, C., Zhang, S., Chen, G., Yang, M., 2003. ‘‘Photo-oxidative degradation
of polyethylene/montmorillonite nanocomposite’’, Polym. Degrad. Stab., 81, 497-500.
[11] Ulutan, S., Yüksek Yoğunluklu Polietilenin Yeniden İşlenmesi Sırasında Oluşan
Yapısal Değişiklikler, 297-309, III. Uluslararası Ambalaj Kongresi ve Sergisi, 3-6 Aralık
2003, TMMOB-KMO, İzmir.
[12] Cao W., Wang, K., Zhang, Q., Du, R., Fu Q., 2006. “The hierarchy structure and
orientation of high density polyethylene obtained via dynamic packing injection molding”,
Polymer, 47, 6857-6867
[13] Mendes, L. C., Rufino, E. S., Paula, F. O. C., Torres Jr., A. C. 2003. “Mechanical,
thermal and microstructure evaluation of HDPE after weathering in Rio de Janeiro city”,
Polym. Degrad. Stab., 79, 371-383.
[14] Roy, P.K., Surekha, P., Rajagopal, C., Chatterjee, S.N., Choudhary, V., 2007, “Studies
on the photo-oxidative degradation of LDPE films in the presence of oxidised
polyethylene”, Polym. Degrad. Stab. 92, 1151-1160.
[15] Russell, K.E., Hunter, B.K., Heyding, R.D., 1997, ‘‘Monoclinic polyethylene
revisited’’, Polymer, 38, 1409-1414.
[16] Küpper, L., Gulmine, J.V., Janissek, P.R., Heise, H.M. 2004. ‘‘Attenuated total
reflection infrared spectroscopy for micro-domain analysis of polyethylene samples after
accelerated ageing within weathering chambers’’, Vibrational Spectroscopy, 34, 63-72.
[17] Ulutan, S., İzmirli, G., Göktepe, E., 2008. “Polietilenin Geri Dönüşüm Sürecinde
Uğradığı Reolojik, Yapısal ve Mekanik Değişimler”, Ambalaj Plastik, 22, 88-93.
[18] Haner, A. Ş, Ulutan, S., Ezdeşir, A., 2008. “Geri Dönüşüm Sırasında AYPE'de Oluşan
Yapısal ve Mekanik Değişiklikler”, Ambalaj Plastik, 27, 38-43.
125
126
POLİMERİK MALZEMELER İÇİN ‘OVERSTRESS’
KAVRAMINA DAYANAN VİSKOPLASTİSİTE
TEORİSİ (VBOP)
Özgen Ü. Çolak Çakır
Yıldız Teknik Üniversitesi, Makina Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü,
Özet
Bu çalışmada, oda sıcaklığında bile visko-elastik ve visko-plastik davranış gösteren
polimerik malzemelerin mekanik davranışlarının modellenmesi için geliştirilen ‘overstress’
kavramına dayanan viskoplastisite teorisine (VBOP) yer verilmiştir. Özellikle yapısal
analizlerde kullanılan sonlu elemanlar yöntemi gibi nümerik yöntemlerde uygun malzeme
modelinin seçimi yapılan analizlerin sonuçlarının doğruluğuna direk etki eden en önemli
faktörlerden biridir. VBOP modeli akış kanunu ile birlikte, ikisi tensoriel olmak üzere 3
durum değişkeni içeren bir viskoplastisite teorisidir. Viskoelastik, viskoplastik
davranışların göstergesi olan hıza bağımlılık, sürünme, relakzasyon, toparlanma gibi
davranışları modelleme kapasitesine sahiptir. Aynı zamanda gerek amorf gerekse yarı
kristal polimerik malzemelerin farklı sıcaklıklardaki davranışlarının modellenmesinde
kullanılmaktadır. Bu çalışmada iki amorf (poly(methyl methacrylate) (PMMA) ve Poly(pphenylene oxide) (PPO)) ve iki yarı kristal (yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) ve çok
yüksek molekül ağırlıklı polietilen (UHMWPE)) polimerik malzemelerin viskoelastik,
viskoplastik davranışları VBOP modeli kullanılarak modellenmiştir. Simulasyon sonuçları
deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır.
Anahtar kelimeler: amorf polimer, yarı kristal polimer, malzeme modelleme
VISCOPLASTISITY THEORY BASED ON
OVERSTRESS FOR POLYMERS (VBOP)
Abstract
In this work, Viscoplasticity Theory Based on “Overstress” is used to model mechanical
behavior of polymeric materials, which shows a visco-elastic and visco-plastic behavior
even in room temperature. The use of proper constitutive model is a major factor for the
accuracy of the results in numerical procedures such as Finite Element Method, widely
used in structural analysis. VBOP model is a viscoplasticity theory, that consists a flow rule
and three state variables , two of them are tensors. The model is capable of modeling rate
dependency, creep, relaxation, recovery which are the major signs of visco-elastic,
viscoplastic behavior. Mechanical behavir of both amorphous and semi-crystalline
polymers can also be modeled with VBOP for different temperatures. In this work, viscoelastic and visco-plastic behavior of two amorphous (poly(methyl methacrylate) (PMMA)
and Poly(p-phenylene oxide) (PPO)) and two semi-crystalline polymers (high density
polyethylene (HDPE) and ultra high molecular weight polyetylene (UHMWPE)) are
modeled using VBOP model. Simulation results are compared to experimental results.
Keywords: amorphous polymers, semi-crystalline polymers, material modeling
127
1. Giriş
Metalik malzemelerin mekanik davranışlarının modellenmesi amacıyla Krempl [1], Çolak
ve Krempl [2], tarafından geliştirilen “overstress” kavramına dayanan viskoplastisite teorisi
(VBO) durum değişkenlerini içeren, birleştirilmiş bir teoridir. Metalik malzeme
modellerinde toplam gerinim elastik, viskoplastik ve sürünme gerinimlerinin toplamı
şeklinde tanımlanırken, VBO modelinde sürünme ve viskoplastik davranışın içi içe geçmiş
bir davranış olarak ele alınması nedeniyle teori birleştirilmiş olarak tanımlanmaktadır.
Yapılan deneysel çalışmalarla metalik ve polimerik malzemeler arasındaki farklılıklar ve
benzerlikler ortaya konulmuştur. Bu farklılıklardan en önemlileri yükleme ve boşaltma
sonrası sıfır gerilmede toparlanma ve boşaltma davranışıdır. Sıfır gerilmede toparlanma,
polimerik malzemede geniş bir gerinim aralığında gerçekleşirken, metalik malzemelerde
daha dar bir aralıkta gerçekleşmektedir. Boşaltma davranışı polimerik malzemelerde
konkav bir eğri şeklindeyken metallerde hemen hemen düz bir doğrudur. Benzerlikler ise
lineer olmayan hız hassasiyeti, sürünme ve gevşemedir. Metalik malzemelerin mekanik
davranışını açıklamak için kullanılan VBO modeli, metaller ile polimerler arasındaki
farklılıklar ve benzerlikler dikkate alınarak polimerik malzemelerin mekanik davranışını
açıklamak üzere modifiye edilmiştir ve VBOP olarak anılmıştır, Çolak [3], Çolak ve
Düşünceli [4], Çolak ve Acar [5].
Bu çalışmada VBOP modelinin modelleme kapasitesinin ortaya konulması amacıyla iki
amorf (poly(methyl methacrylate) (PMMA) ve Poly(p-phenylene oxide) (PPO)) ve iki yarı
kristal (yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) ve çok yüksek molekül ağırlıklı polietilen
(UHMWPE)) polimerik malzemenin viskoelastik, viskoplastik davranışları VBOP modeli
kullanılarak modellenmiştir. Şekil değiştirme hızı hassasiyeti, sürünme, toparlanma,
çevrimsel yükleme, iki eksenli yükleme durumları gibi geniş bir yelpazede modelleme
çalışması yapılmıştır.
2. ‘Overstress’ Kavramına Dayanan Viskoplastisite
Teorisi
Sıkıştırılamaz ve izotropik kabulü ile küçük deformasyonlarda akış kanunu Denklem 1’de
verilmiştir.
s ve g sırasıyla Cauchy gerilme tensörünün ve denge gerilmesinin deviatorik kısmıdır. E,
Young modülü ve , Poisson oranıdır. Değişkenler üzerindeki nokta işareti zamana göre
türevini işaret etmektedir. Kare parantezler fonksiyonu göstermektedir. Plastik şekil
değiştirme hızı “overstress”’in fonksiyonudur ve “overstress” denge gerilmesi ile Cauchy
gerilmesi arasındaki farktır.
o s g
2
, “oversterss” invaryantı simgeler ve gerilme boyutundadır.
Γ2
3
s g : s g
2
3
VBO ile VBOP arasındaki başlıca fark C parametresidir.
128
C 1
G K A
,
burada
ve α malzeme parametreleridir. G ve K ise durum değişkenleridir, sırasıyla
denge ve kinematik gerilme olarak adlandırılır. Metaller için C=1 lineer boşaltma
davranışını temsil etmektedir. F[ ] akış fonksiyonundaki artıştır, 1/zaman boyutundadır ve
pozitif değerdedir (F[0]=0). Akış fonksiyonu lineer olmayan hız bağımlılığını belirler ve
matematiksel ifadesi;
m
F
B
4
D
B üniversal sabit ve D “drag stress” dir. “Drag stress”, gerilme gerinim eğrilerinin
birbirlerine yaklaşma uzaklaşma karakteristiklerini verir. Katı polimerde bu davranış
gözlenmez bu yüzden D sabit tutulur. Denge gerilmesi lineer olmayan, hızdan bağımsız ve
histeriktir. Denge gerilmesi ifadesi içinde elastik ve plastik olmak üzere iki adet pekleşme
terimi, bunları takip eden toparlanma terimi ayrıca kinematik gerilme hızının etkisini içerir.
Denge gerilmesinin değişimi:
s
E
g
F
s g
D
g k
A
1
E
k
5
Şekil fonksiyonu olan
elastik bölgeden viskoplastik bölgeye geçiş bölgesinin
modellenmesini sağlar, durum değişkenlerinin fonksiyonu olarak Denklem 6 ve 7’de ki gibi
tanımlanmıştır.
1
1
C2
exp C3
C1 1 C4
6
1
in
G
7
A K
C1, C2, C3, C4, ve malzeme sabitleridir, gerilme gerinim eğrilerinin elastik bölgeden
plastik bölgeye geçiş davranışları kullanılarak belirlenmiştir.
Burada A izotropik gerilmedir, bu gerilme hıza bağımlı bir gerilme olup pekleşme
(hardening) ve yumuşama (softening) davranışını modeller. İzotropik gerilmenin başlangıç
değeri Ao’dır. İzotropik gerilme ile ilgili denklemler, Denklem 8 ve 9 ile gösterilmektedir.
A Ac Af
p
A
2
p
3
8
evp : evp
9
Malzemelerde gözlemlenen Bauchinger etkisinin modellenmesi için kinematik gerilme
durum değişkeni modele dahil edilmiştir. Viskoplastik gerinimin fonksiyonu olarak
Denklem 10’daki gibi tanımlanmıştır. Literaturde farklı kinematik gerilme denklemleri de
mevcuttur.
129
k
ET
ET evp
10
ET 1 ET E ’dir ve burada E tanjant modülüdür.
T
VBOP modelinin diğer versiyonları için bu çalışmada adı geçen referanslara başvurulabilir.
3. Amorf Polimerik Malzemelerin Modellenmesi
Bu çalışmada poly(methyl methacrylate) (PMMA) ve Poly(p-phenylene oxide) (PPO)’ nın
farklı mekanik davranışları VBOP modeli kullanılarak modellenmiştir. PMMA, aydınlatma
sistemlerinde, insan vücudunda bazı implantların yapımında, optik lens, akrilik cam gibi
kullanımı mevcuttur. Mekanik özellikleri diğer polimerler gibi sıcaklık ve şekil değiştirme
hızı ile değişim göstermektedir. VBOP modelinin farklı sıcaklıklardaki malzeme
davranışını modelleme özelliği Şekil 1’de gösterilmiştir. Yukarıda verilen modelde
sıcaklığı modelleyebilmek için bir takım modifikasyonlar yapılmıştır. Modelin detayları
için [6] nolu yayına başvurulabilir.
Şekil 1. Tek eksenli basma gerilmesi altında 1.E-2 /s şekil değiştirme hızında, 0 ve 25oC’de
PMMA davranışının modellenmesi, [6]
Polifenilensülfit (PPO), darbeye dayanıklı, sert ve nem absorpsiyonu düşük bir polimerdir.
PPO, genellikle modifiye edilmiş halde kullanılır. Düşük nem absorpsiyonundan dolayı,
elde edilen ürünlerin boyutsal kararlılığı çok iyidir. PPO’nun farklı şekil değiştirme
hızlarındaki viskoelastik-viskoplastik ve sıfır gerilmede toparlanma davranışı Şekil 2’de
verilmiştir.
Polimerik malzemelerin mekanik davranışı sıcaklık ve şekil değiştirme hızına son derece
bağımlıdır. Artan sıcaklıkla elastiklik modülünde, akma ve kopma dayanımında azalmalar
gözlemlenir. Diğer yandan şekil değiştirme hızının artmasıyla moleküler düzeydeki
hareketlerin kısıtlanması nedeniyle dayanımda artış meydana gelir.
130
Şekil 2. a) PPO’nun 2 farklı şekil değiştirme hızında gerilme-gerinim davranışının
modellenmesi b) Sıfır gerilmede PPO’nun toparlanma davranışının modellenmesi [7]
4. Yarı Kristal Polimerik Malzemelerin Modellenmesi
Bu çalışmada yarı kristal polimerik malzemelerden yüksek yoğunluklu polietilen ve çok
yüksek molekül ağırlıklı polietilenin mekanik davranışlarının modellemesi yapılmıştır.
HDPE’nin yoğunluğu 0.940-0.970 g/cm3 arasında değişir, molekül morfolojisinde uzun
karbon zincirleri üzerinde dallanmalar yok denecek kadar azdır, dolayısıyla yarı-kristalin
bir polimerdir. Düşük özgül ağırlığı sayesinde hafif ve ekonomik olması, yüksek kimyasal
dayanım, su ve iklim koşullarına dayanım, darbelere dayanıklı oluşu, kolay işlenebilme gibi
özelliklerinden dolayı yüksek yoğunluklu polietilen kimya sanayiinde tank ve ekipman
imalatı, su tankları ve atık su arıtma tankları, boru, ambalaj film, ortopedik parçalar, kaynak
ile elde edilebilecek parçaların imalatında yaygın olarak kullanılmaktadır. HDPE’nin
VBOP kullanılarak sürünme ve çevrimsel yükleme davranışının modellenmesine ilişkin
simülasyon sonuçları Şekil 3’de verilmiştir.
a) a-b :Yükleme hızı 10 N/s, b-c: sürünme 980 s.,
c-d: Yükleme hızı 1 N/s, d-c: 1000 s sürünme, e-f:
Yükleme hızı 100 N/s
b)
Şekil 3. a) HDPE’nin sürünme davranışının modellenmesi, Deneysel veriler Zhang ve
Moore [8]’den alınmıştır b) 1.E-4 /s şekil değiştirme hızında HDPE’nin çevrimsel yükleme
davranışı, [4]
Şekil 3’den görüldüğü gibi HDPE’nin gerek sürünme davranışı gerekse çevrimsel yükleme
davranışı VBOP ile modellenebilmektedir.
131
Kaymalı yatak, dişli çark, sızdırmazlık elemanı ve biyo-uyumluluğu sayesinde kalça ve diz
protezlerinde yaygın olarak kullanılan UHMWPE’nin sabit basınç altında eksenel
doğrultuda gerinim kontrollü çevrimsel yükleme yapılarak iki eksenli gerilme hali elde
edilmiştir. Gerilme kontrollü, ortalama gerilmenin sıfırdan farklı olduğu çevrimsel
yüklemelerde ortaya çıkan gerinim toplanması adı verilen durum hasara neden olmaktadır.
Burada ise eksenel doğrultuda gerinim kontrollü bir yükleme olmasına rağmen iç basıncın
varlığı radyal doğrultuda gerinim toplanmasına neden olmaktadır. Bu davranış ile ilgili
modelleme sonuçları Şekil 4’de verilmiştir. Detayları Asmaz ve ark. [9] çalışmasında yer
almaktadır.
Şekil 4. UHMWPE’nin iki eksenli gerilme halinde davranışının simülasyon sonuçları, [9]
5. Sonuçlar
Makine tasarımında özellikle yapısal analizlerde kullanılan sonlu elemanlar yöntemi gibi
nümerik yöntemlerde uygun malzeme modelinin seçimi yapılan analizlerin sonuçlarının
doğruluğuna direk etki eden en önemli faktörlerden biridir. Metalik malzemeler için
geliştirilen elastik-plastik ve elastik-viskoplastik modeller ile ilgili çok sayıda çalışma
literatürde mevcuttur. Diğer yandan polimerik malzemelerin oda sıcaklığında bile viskoelastik-viskoplastik özellik göstermelerinden dolayı mekanik davranışlarının matematiksel
olarak tanımlaması henüz tamamlanmamıştır. Literatürde mevcut olan çoğu model
polimerik malzemelerin gözlemlenen tüm özelliklerini (sürünme, şekil değiştirme hızına
bağımlılık, toparlanma, relakzasyon gibi) tanımlamada yetersiz kalmaktadır.
Bu çalışmada, polimerik malzemelerin mekanik davranışlarının modellenmesi için
geliştirilen VBOP’nin modelleme kapasitesi amorf ve yarı-kristal malzemeler için ortaya
konulmuştur. Hem amorf hem de yarı kristal polimerik malzemelerin yukarıda bahsedilen
davranışlarını modellediği görülmektedir. Deneysel sonuçlarla simülasyon sonuçlarında son
derece iyi bir uyum gözlemlenmiştir.
Kaynaklar
[1] Krempl, E., 1996. “A small strain viscoplasticty theory based on overstress”, In:
Krausz, A.S., Krausz, K. (Eds.), Unified Constitutive Laws of Plastic Deformation.
Academic Press, San Diego, pages. 281–318.
[2] Colak, O.U., Krempl, E., 2003. “Modeling of uniaxial and biaxial ratcheting behavior of
1026 Carbon steel using the simplified viscoplasticity theory based on overstress (VBO)”,
Acta Mechanica, 160, pages. 27-44.
[3] Colak, O.U., 2005. “Modeling deformation behavior of polymers with viscoplasticity
theory based on overstress”, International Journal of Plasticity, 21, pages.145–160.
132
[4] Çolak Ö. ve Düşünceli N. 2006. “Modeling viscoelastic and viscoplastic behavior of
high density polyethylene (HDPE)”, Journal of Engineering Materials and Technology,
Transactions of the ASME, Vol. 128, pages. 572-578.
[5] Çolak, O. U., Acar, A. 2013. “Modeling of hydro-thermo-mechanical behavior of
Nafion NRE212 for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells using the Finite
Viscoplasticity Theory Based on Overstress for Polymers (FVBOP)”, Mechanics of TimeDependent Materials Vol. 17, issue: 3 pages. 331-347.
[6] Çolak, Ozgen U., Ahzi, S. ve Remond Y. 2013. “Cooperative viscoplasticity theory
based on the overstress approach for modeling large deformation behavior of amorphous
polymers”, POLYMER INTERNATIONAL, Vol. 62: 11, pages. 1560-1565.
[7] Çolak, O, Khan, F. ve Krempl, E. 2003. “Modeling the Deformation Behavior of PPO
using the Viscoplasticity Theory Based on Overstress”, Proc. of Plasticity 2003, Quebec
City, Canada.
[8] Zhang, C. ve Moore, D. 1997. “Nonlinear mechanical Response of High Density
Polyethylene. Part I: Experimental Investigation and Model Evaluation”, Polym. Eng. Sci.
Vol.37, pages. 404-413.
[9] Asmaz, K., Çolak, Ö. ve Hassan T. 2014. “Biaxial ractheting of UHMWPE:
Experiments and Constitutive Modeling”, Journal of Testing and Evaluation, 42 (6).
133
134
PE LEVHALARIN SÜRTÜNME KARIŞTIRMA
KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRİLMESİNDE DALMA VE
BEKLEME SÜRESİNİN ETKİSİ
İdris Karagöza ve Mustafa Öksüzb
a
Yalova Üniversitesi Yalova Meslek Yüksekokulu Lastik Plastik Teknolojisi Bölümü,
b
Marmara Üniversitesi Teknoloji Mühendisliği Fakültesi Metalurji ve Malzeme
Mühendisliği Bölümü, İstanbul/TÜRKİYE, [email protected]
Özet
Plastiklerin kaynakla birleştirilmesinde sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) oldukça yeni
bir kaynak tekniğidir. Metal ve alaşımlarına oranla plastikler için endüstriyel kullanımı
henüz yaygınlaşmamıştır. Bu çalışmada dalma ve bekleme süresinin kaynaklı bağlantının
mekanik özellikleri ve kaynak için gerekli olan ısı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu
amaçla PE levhalar farklı dalma ve bekleme sürelerinde SKK ile birleştirilmiştir.
Birleştirme esnasında dalma ve bekleme süresi sonunda ve kaynak hattı üzerinde belirli
aralıklarla lazer sıcaklık ölçüm cihazı ile oluşan sıcaklıklar ölçülmüştür. Kaynak sonrası
kaynaklı bağlantıdan alınan numunelere mekanik deneyler uygulanarak dalma ve bekleme
süresinin kaynaklı bağlantı üzerindeki etkisi tespit edilmeye çalışılmıştır.
Anahtar kelimeler: Sürtünme karıştırma kaynağı, polietilen, plastiklerin kaynağı,
termoplastik, dalma ve bekleme süresi
EFFECT OF INSERTION AND HOLDING PERIOD IN
CONNECTION OF PE PLATES BY FRICTION STIR
WELDING
Abstract
Friction stir welding (FSW) is a very new technique used in connecting plastics by welding.
Its industrial usage for plastics has not become prevalent yet in contrary to metals and
alloys. In this study the effects of insertion and holding period on mechanical properties of
welded connection and the heat necessary for welding was examined. For this purpose PE
plates were connected by FSW in different insertion and holding periods. During
connection at the end of various insertion and holding periods and on welding line, the
occurring temperatures were measured by laser temperature measurement device.
Mechanical experiments were applied to samples taken from welded connection after
welding in order to detect the effect of insertion and holding periods on welded connection.
Keywords: friction stir welding, polyethylene, plastic welding, thermoplastic, insertion and
holding period
135
1. Giriş
Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK), 1991 yılında İngiltere Kaynak Enstitüsü (TWI)
tarafından klasik sürtünme kaynağından geliştirilerek patenti alınan bir katı hal kaynak
yöntemidir [1]. Günümüzde özellikle termoplastikler gibi bazı malzeme türleri için
yöntemin endüstriyel olarak kullanılabilmesi amacıyla araştırmalara devam edilmektedir.
SKK diğer birleştirme teknikleriyle kıyaslandığında, daha az enerji tüketimi ve koruyucu
bir gaz kullanımına ihtiyaç duyulmaması, yöntemin basit ve uygulanabilir olması gibi
özellikleriyle ön plana çıkmaktadır [2]. Havacılıktan, kara, deniz ve demiryolu
taşımacılığına kadar pek çok endüstriyel alanda geniş bir uygulama alanına sahiptir.
SKK ile çok farklı geometrilere sahip parçaların birleştirilebilmesi, kaynak için ön hazırlık
gerektirmemesi, kaynak sonrası çok az deformasyonlu, çatlak veya boşluk meydana
getirmeksizin güvenli bir kaynak yapmaya imkân sağlaması yöntemin en önemli avantajları
olarak ön plana çıkmaktadır [3]. Bazı uygulamalar için kaynak hızının diğer kaynak
yöntemlerine oranla düşük olması, kaynak yüzeylerinin iyi temizlenmediği ve sabitlemenin
düzgün yapılmadığı durumlarda malzemelerde atık gerilmeler oluşturması SKK yönteminin
dezavantajları olarak ön plana çıkmaktadır [4]. Bu çalışmada, endüstrideki kullanım oranı
göz önüne alınarak seçilen polietilen (PE) malzemeden üretilmiş levhalar SKK ile
birleştirilmiştir. Birleştirme işlemi sonrasında kaynaklı bağlantıdan alınan numunelere
mekanik ve ısıl deneyler uygulanmıştır. Kaynak parametreleri açısından önemli bir yere
sahip olan dalma ve bekleme süresinin kaynak performansı ve mekanik özellikler
üzerindeki etkisi tespit edilmeye çalışılmıştır.
Deneysel çalışmalarda, Simona firmasına ait ticari adı PE-HWST, yoğunluğu 0,947 g/cm3,
çekme mukavemeti 22 MPa, akma uzaması %9, elastik çekme modülü 900 MPa, Çentik
darbe dayanımı 21 kJ/m2, sertliği 50 Shore D ve çalışma sıcaklık aralığı -50/+80 oC olan PE
levhalar kullanılmıştır. Üniversal freze tezgâhında dönme hızlarının sınırlı olması, yüksek
devirlerde gerçekleştirilmesi planlanan birleştirme işlemi için yeterli olmamaktadır. Bu
nedenle PE levhaların birleştirilmesi amacıyla 1050x600 mm tabla ölçülerine sahip, mil HP
(spendle) oranı 15/10, mil (spendle) hızı 10000 devir/dk. olan yüksek dönme ve ilerleme
hızlarına çıkabilen Tayvanlı bir CNC tezgah üreticisi olan AWEA firmasının BM-850
modeli CNC dik işleme merkezi kullanılmıştır. PE levhalar M8 karıştırıcı uca sahip ve
omuz çapı 25 mm olan klasik alüminyum stili kaynak takımı kullanılarak birleştirilmiştir.
Birleştirme esnasında takım dönme devri 4000 devir/dk., takım ilerleme hızı 20 mm/dk.
olarak sabit tutulmuş ve 30, 60 ve 90 saniye olarak üç farklı dalma ve bekleme süresi
kullanılmıştır. Kaynaklı birleştirmede kullanılan kaynak parametreleri Tablo 1.’ de
verilmiştir. PE levhaların SKK ile birleştirilmesine başlamadan önce makinanın ve
hareketli kısımların ısınması amacıyla makine beş dakika kadar sabit devirde
çalıştırılmıştır. Daha sonra makinanın programlama dili olan “Fanuc 0i-MateMC”
programı yardımıyla bilgisayar kontrollü olarak SKK ile PE levhalar birleştirilmiştir.
Birleştirme işlemi sonrasında birleştirilen levhalardan ASTM D412 Tip A (UL-62-A)’ ya
göre su jeti ile kesilerek alınan numuneler (Şekil 1.) üzerinde mekanik (Çekme, eğme,
sertlik) ve ısıl deneyler (Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), yumuşama sıcaklık
deneyi (VICAT)) uygulanmıştır.
136
Deney
No
Tablo 1 Kaynak parametreleri
Dalma ve bekleme Süresi
Takım Dönme Devri
(Sn)
(devir/dak)
D3
D4
D5
30
60
120
Takım İlerleme Hızı
(mm/dak)
4000
4000
4000
20
20
20
140
59
R2
5
R1
4
R1
4
R2
5
1 2
2 5
Takım ilerleme yönünün tersi
1
5
0
400
Takım ilerleme yönü
Şekil 1. ASTM D412 Tip A (UL-62-A)’ ya göre SKK ile birleştirilmiş levhadan alınan test
numuneleri
Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) deneyi ile bir atmosfer ortamında sıcaklığın ve
zamanın fonksiyonu olarak malzemedeki camsı geçiş sıcaklığı, erime ve kaynama noktası,
kristalleşme zamanı, sıcaklığı vb. gibi geçişlerin tespit edilmesi amaçlanmıştır. Bu geçişler
sıcaklık ve ısı akışına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. DSC ile yaptığımız bu
ölçümler dalma ve bekleme süresinin SKK kaynak performansı üzerindeki endotermik,
ekzotermik ve ısı kapasitesindeki değişiklikleri içeren fiziksel ve kimyasal değişimler
hakkında kantitatif ve kalitatif bilgileri vermektedir.
DSC deneyinde; SKK sonrası kaynaklı levhalardan Şekil 2’de gösterilen şekilde kaynaklı
bölgeden (2 nolu bölge) ve ana malzemeden (1 nolu bölge) alınan örneklerin Setaram DSC
151 cihazında 50 ml/dk., N2 akımı altında, 20 oC/dk. Isıtma hızında erime termogramları
kaydedilmiştir. DSC erime piklerinin analiziyle, farklı dalma ve bekleme sürelerinde SKK
ile birleştirilmiş örneklerin erime davranışları incelenmiş, kristal lamel kalınlıkları ve
kristalizasyon yüzdeleri hesaplanmıştır. Kristalizayon yüzdeleri (Xc), örneklerin DSC
erime eğrileri altında kalan alanın hesaplanmasıyla elde edilen erime entalpilerinin ( Hm,
137
J/g), polietilenin %100 kristal haldeki erime entalpisine ( Hom, 293 J/g) oranlanmasıyla
hesaplanmaktadır. Kristal hesaplamalarında kullanılan bağıntı (1) aşağıdaki gibidir [5].
(1)
Farklı dalma ve bekleme süresi kullanılarak birleştirilen PE levhaların DSC eğrilerinden
elde edilen erime pik sıcaklıkları (Tm) ve erime entalpileri kullanılarak, aşağıda verilen
Gibbs-Thomson eşitliğiyle (2) kristal lamel kalınlıkları hesaplanmıştır. Denklemde T om
denge erime sıcaklığını (PE: 146 oC), e kristallerin serbest yüzey enerjisini (PE:90
mJ/m2), kristal lamel kalınlığını (nm), Hm erime entalpisini (J/g) ifade etmektedir [5].
(2)
DSC Numunesinin Alındığı 2 Nolu Kaynaklı Bölge
DSC Ana Malzeme Numunesinin
Alındığı 1 Nolu Bölge
Referans Numune
Kaynaklı Bölge
Referans Numune
2
1
Takım ilerleme yönünün tersi
Takım ilerleme yönü
Birleşme ara yüzeyi
Kaynaklanmayan alt yüzey
Şekil 2. DSC için numune alınan bölgeler
Mekanik deneylere ait sonuçlar toplu olarak Tablo 2’de, ısıl deneylere ait sonuçlar ise
Tablo 3’te verilmiştir. Çekme testlerine ait sonuçlar incelendiğinde, kaynak başlangıcında
30 saniye dalma ve bekleme süresine sahip D3 numaralı birleştirme işleminin en iyi çekme
mukavemet değerine (21,27 MPa) sahip olduğu görülmektedir. Genel olarak mekanik
deney performansları referans numune ile karşılaştırıldığında sonuçların başarılı olduğu
gözlenmektedir. Eğilme performansı referans numuneden daha yüksek olarak
gerçekleşmiştir. Dalma ve bekleme süresinin etkisi plastiklerin termal ve viskoelastik
özelliklerine göre değişiklik göstermektedir Kaynak başlangıcında dalma ve bekleme
sonrası elde edilen ısının kaynak hattı boyunca taşınmasında bu etki açıkça
gözlemlenmektedir.
Yüzeyden yapılan sertlik ölçümlerinde kaynaklı bağlantıların yüzey sertliği referans
numuneden daha yüksek olarak ölçülmüştür. Bunun kaynak takımının omuz kısmının
malzeme yüzeyinde yaptığı baskıdan kaynaklandığı düşünülmektedir. Karışım bölgesine
yakın olan noktalarda bu baskının etkisi azaldığı için yüzeyin altındaki noktalarda sertliğin
referans malzemenin sertliğinden daha düşük olarak gerçekleşeceği tahmin edilmektedir.
138
Deney
No
Referans
Numune
D3
D4
D5
Çekme
Mukavemeti
(MPa)
Tablo 2 Mekanik deney sonuçları
Çekme
Eğme
Eğme
Kaynak
Kaynak
Mukavemeti
Performansı
Performansı
(MPa)
(%)
(%)
Sertlik
(Shore D)
22.97
100
25.54
100
50
21.27
20.83
21.04
93
91
92
28.55
31.46
30.53
111.0
123.2
119.5
53
56
55
Yüksek sıcaklıklarda yapılan birleştirme işlemlerinde, birleştirme bölgesinin yavaş
soğumasına ve buna bağlı olarak kristallenme oranının artması beklenmektedir. Ancak
Tablo 3.’ te verilen sonuçlar incelendiğinde kristallenme oranlarında ve kristal lamel
kalınlıklarında beklentilerin aksine bir sonuç elde edildiği görülmektedir. Bu durumun
birleştirme esnasında kısa karıştırma sürelerinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Çünkü
kısa karıştırma sürelerinde hızla artan sıcaklığın, ideal kaynak sıcaklığının altında ya da
üstünde olması kaynak bölgesindeki nüfuziyeti ve buna bağlı olaraktan kaynak
mukavemetini negatif olarak etkilemektedir. Kristallenme oranı termoplastiklerin mekanik
özellikleri ve yumuşama sıcaklıkları üzerinde etkili olmaktadır. Bu nedenle SKK ile
termoplastiklerin birleştirilmesinde kristallenme oranının önemi büyüktür.
SKK ile birleştirilen PE levhalarda birleştirme sonrası yapılan testlerde VICAT yumuşama
sıcaklığının küçük miktarlarda da olsa arttığı gözlemlenmiştir. Testler esnasında batma
iğnesi sıcaklık ~90 °C’ ye geldiğinde numune yüzeyine batmış ve 120°C’ye gelinceye
kadar batma hızı normal bir seyir izlemiş, sıcaklık 130°C’yi geçtikten sonra batma hızı
artmıştır.
Deney
No
Referans
Numune
D3
D4
D5
Tablo 3 Isıl deney sonuçları
Tm
T°m
e
(°C)
(°C)
(mJ/m2)
Hm
(J/g)
H°m
(J/g)
160
293
90
134,7
147
139
144
293
293
293
90
90
90
134,8
134,1
132,9
Xc
(%)
(nm)
VICAT
(°C)
146
54,6
14,5
132.0
146
146
146
50,2
47,4
49,1
14,7
13,8
12,5
132,3
132,1
132,1
Termoplastiklerin SKK ile birleştirilmesinde kaynak başlangıcında dalma ve bekleme
süresi birleştirme işlemi için gerekli olan ısının elde edilmesi, taşınması ve kaynaklı
birleştirmenin yüzey görüntüsü üzerinde etkili olmaktadır. Çok yüksek ya da çok düşük
dalma ve bekleme sürelerinin SKK kaynak performansı ve mukavemeti üzerinde etkili
olmaktadır. Kaynak başlangıcında dalma ve bekleme sürelerinin arttırılması, kaynaklı
bölgenin kristal yüzdelerini ve kristal lamel kalınlıklarını düşürmektedir.
Yüksek bekleme sürelerinde oluşan ısının etkisiyle kaynak bölgesindeki plastik malzeme
daha akışkan bir hale gelmekte ve plastik malzemenin kontrolü zorlaşmaktadır. Düşük
sürelerde ise birleştirme işlemi için gerekli olan ısının elde edilmesi ve taşınması
zorlaşmaktadır. Buna bağlı olaraktan kaynak bölgesinde kaynak takım ucu tarafından ana
139
malzemeden koparılan parçanın ısı ve basınç etkisiyle plastik kıvamına getirilmesi ve
kaynak bölgesini doldurması daha uzun bir çevrimde gerçekleşmektedir. Yetersiz nüfuziyet
ve kaynak ısısı kaynak performansını olumsuz yönde etkilemekte ve kaynaklı bağlantının
mukavemetini zayıflatmaktadır. İdeal dalma ve bekleme süresinin kullanılan takım omuz
çapına, takım geometrisine, karıştırıcı uç çapına, plastik malzeme türüne ve kalınlığına göre
değişiklik göstereceği unutulmamalıdır.
Semboller
Tm
T°m
Xc
e
Hm
H°m
: Erime pik sıcaklıkları (°C)
: Denge erime sıcaklığı (°C)
: Kristalizasyon yüzdesi (%)
: Kristallerin serbest yüzey enerjisi (mJ/m2)
: Erime entalpisi (J/g)
: %100 Kristal haldeki erime entalpisi (J/g)
: Kristal lamel kalınlığı (nm)
Kaynaklar
[1]Mishra, R.S., Ma, Z.Y., 2005 “Friction Stir Welding and Processing Materials”, Science
and Engineering Volume 50 (R50), p. 1-78.
[2]Karagöz, İ., 2014 “Termoplastiklerin Sürtünme Karıştırma Kaynak Özellikleri”,
Doktora Tezi, Marmara üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye.
[3]Kaluç, E., Taban, E., 2007 “Sürtünen Eleman İle Kaynak (FSW) Yöntemi”,
MMO/2007/460, Makina Mühendisleri Odası, Ankara, Türkiye.
[4]Santiago, D., Urguiza, S., Lombera, G., Vedia, L., 2009 “3D Modelling of Material
Flow and Temperature in Friction Stir Welding”, Soldagem Insp. Sao Paulo, Vol 148, p.
248-256
[5]Karagöz, İ., Öksüz, M., 2014 “Termoplastiklerin Sürtünme Karıştırma Kaynağında
Takım Devir Hızının Ve Takım Omzu Dalma Derinliğinin Etkisi”, 3.Uluslararası Kaynak
Teknolojileri Konferansı ve Sergisi, 21-23 Mayıs 2014, Manisa-Türkiye.
140
GÜN IŞIĞINDAN YOKSUN UZUN SÜRELİ
DEPOLANAN POLİPROPİLEN BLOK
KOPOLİMER/KALSİYUM KARBONAT/TİNKAL
HİBRİT KOMPOZİTLERİN ÇEKME ÖZELLİKLERİ
Şenol Şahina, Şeyma Melike Tatasb ve Burhan Çeliksözc
a
b
Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Öğrencisi,
c
Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Öğrencisi,
Özet
Bu deneysel çalışmada, konfor şartlarında gün ışığından yoksun bir ortamda uzun süre
depolanan polipropilen blok kopolimer (PPB)/kalsiyum karbonat (CC)/tinkal (TL) hibrit
kompozitlerin, çekme özellikleri, CC dolgu miktarına bağlı çalışılmıştır. Üretimlerinin
ardından uzun süreli depolama sonrası hibrit kompozit malzemelerin çekme özelliklerinin,
CC dolgu miktarına bağlı değişimleri hala belirsizliğini korumaktadır. Bu kapsamda
üretimlerinin ardından uzun süre depolanan saf ve hibrit kompozit malzemelerin, çekme
özelliklerini, CC dolgu miktarına bağlı incelemek çalışmanın amacıdır. Saf ve hibrit
kompozit malzemeler, en az 50 ay konfor şartlarında gün ışığından yoksun bir ortamda
depolandı. Deneysel sonuçlar, malzemelerin çekme özelliklerinin, TL katkı ve CC dolgu
miktarına bağlı olduğunu gösterdi.
Anahtar kelimeler: Kalsiyum karbonat, Tinkal, kompozit, çekme özellikleri
TENSILE PROPERTIES OF POLYPROPYLENE
BLOCK COPOLYMER/CALCIUM
CARBONATE/TINCAL HYBRID COMPOSITES
STORED LONG TERM WITHOUT ANY DAYLIGHT
Abstract
In this experimental study, the tensile properties of tincal (TL)/calcium carbonate (CC) /
polypropylene block copolymer (PPB) hybrid composites stored long term without any
daylight in a comfortable environment have been examined according to the contents of the
CC filler. The changes to tensile properties of the hybrid composite materials depending
upon contents of the CC filler after a long term storage period following their production
are still unclear. In this context, it is the aim of this study is to compare of the tensile
properties depending upon CC-contents between pure and hybrid composite materials, after
they stored long term in a comfortable environment without any daylight following their
production. Pure and hybrid composite materials were stored in a comfortable environment
without any daylight for at least 50 months. When the experimental results were evaluated
according to ISO 527, it was clearly seen that the tensile properties of materials is strict
related to contents of TL and CC fillers.
Keywords: Calcium carbonate, Tincal, composite, tensile properties
141
1. Giriş
Kısmi kristalin termoplastik malzemelerin ve bunların katkılı olanlarının mekanik
davranışları son yıllardaki çok sayıdaki araştırmanın konusu olmuştur. Bu malzemelerin
şekil değiştirme karakteristiklerini anlamak üzere pek çok deneysel çalışmalar
gerçekleştirilmiştir [1]. Mikro partiküllü kompozit malzemelerde, partikül boyunun,
yüzeyler arası yapışmanın [2] ve yüzey karakteristiğinin, dolgulu sistemin performansını
büyük ölçüde etkileyebileceği kabul gören genel bir görüştür. Bunların yanında partikül
şeklinin, partikül dağılımının ve katkı miktarı oranının da sistemin performansına önemli
etkisinin olduğu bilinmektedir [3]. Bu konudaki bilgi birikiminin oluşması süresince,
fiziksel modifikasyon ile mikro, hibrit ve hatta nano termoplastik kompozit malzemelerin
üretilmesinde, farklı tane boylarında ve farklı yüzde ağırlık oranlarında çok çeşitli
inorganik maddeler katkı ve/veya dolgu maddesi olarak denenmiştir. Wollastonit [4], kaolin
[5], talk [6] ve kalsiyum karbonat [7] maddeleri konvansiyonel olarak kullanılanlarıdır.
Bu deneysel çalışmada, konfor şartlarında gün ışığından yoksun bir ortamda uzun süre
depolanan PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemelerin, tek eksenli çekme özellikleri, CC
dolgu miktarına bağlı çalışılmıştır. Malzemelerin mekanik özelliklerine ait mukayese
değerleri ve sürekli mukavemetlerine ait değerler, çoğunlukla üretimlerinin ardından deney
parçalarına uygulanan kısa süreli ve uzun süreli testler sonucu tespit edilir. PPB
malzemelerin, üretimi sonrası mekanik özelliklerine ait değerlerin zamana bağlı olarak
azalabileceği yada artabileceği bilinmektedir. Ancak, üretimlerinin ardından uzun süreli
depolama sonrası PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemelerin çekme özelliklerinin, CC
dolgu miktarına bağlı değişimleri hala belirsizliğini korumaktadır. Bu kapsamda
üretimlerinin ardından konfor şartlarında gün ışığından yoksun bir ortamda uzun süre
depolanan saf PPB, PPB/TL ve PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemelerin, çekme
özelliklerini, CC dolgu miktarına bağlı incelemek çalışmanın amacıdır. Bu amaç için, saf
PPB, PPB/TL ve PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemeler, ağırlıkça yüzde 2 TL katkı
ve/veya farklı hacimce yüzde 10, 15, 17.5 ve 20 dolgu oranında kullanıldı. Saf PPB
PPB/TL ve PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemeler, en az 50 ay konfor şartlarında gün
ışığından yoksun bir ortamda depolandı. ISO 527-1 standardına göre malzemelere tek
eksenli çekme testleri uygulandı.
2. Deneysel
2.1 Malzemeler
Çalışmada, 900 kg/m3 yoğunluğa ve 0.30 g/10 min (230oC/2.16 kg) erime akış hızına sahip,
ticari ismi BorECOTM BEC5015 (Borealis A/S) olan polipropilen blok kopolimer (PPB)
kullanıldı. Basınçsız boru sistemleri için piyasaya sürülen boru hammaddesi için, ISO527
standardına göre çekme modülü 1500 MPa, akma gerilmesi 30 MPa ve akma uzaması %10
değerleri, bazı mekanik özelliklerine ait üretici verileridir (Borealis 22.01.2008 Ed.9).
Katkı ve dolgu miktarının etkisini incelemek için, Eti Maden İşletmeleri Genel Müdürlüğü
tarafından üretilen tane boyu elek altı 75 µm, ticari ismi Etibor48 ve yoğunluğu 1810 kg/m 3
olan TL minerali katkı maddesi olarak ve ortalama tane boyu 2.15 µm, ticari ismi
Mikrocarb-2X (Mikro Mineral Endüstriyel Mineraller San. ve Tic. A.Ş.) ve yoğunluğu
2700 kg/m3 olan CC minerali ise dolgu maddesi olarak kullanıldı.
142
Bigadiç-Balıkesir-Türkiye maden sahasından elde edilen TL mineralinin temel bazı
özellikleri Tablo 1 ve Tablo 2’de ve beyaz renkte, toz haldeki CC maddesinin tane boyu
dağılımı analizleri sonuçları ile ilgili üretici verileri ise Tablo 3’de verildi.
Bileşen
B2O3
Na2O
SO4
Cl
Fe
Tablo 1 Kimyasal Bileşimi
Birim
Miktar
%
47.80 min.
%
21.28 min.
ppm
200 maks.
ppm
70 maks.
ppm
3 maks.
Tablo 2 Elek Analizi
Partikül çapı
Birim
Miktar
+ 1.180 mm
%
2 maks.
- 0.075 mm
%
50 maks.
Tablo 3 Tane boyu dağılımı (Mikro Mineral 2004 Rev:03)
Tane boyu
Birim
Değer
Ortalama çap (D50%)
µm
2.15
11.600
TopCut (D97%)
µm
48
2 µm altı tanecikler
%
0.01
45 µm elek bakiyesi
%
2.2 Kompozit Hazırlama
PPB/TL ve PPB/CC/TL kompozit hammaddelerin üretilmesinde vida uzunluğu (L/D) 45,
burgu boyu (L) 1125 mm olan çift vidalı ekstrüzyon makinası (Coperion Werner ve
Pleiderer ZSK 25 P8.2 E WLE) kullanıldı. 900 rpm (1/min) devir sayısı, 30 kg/h üretim
kapasitesi, 220ºC-245ºC arasındaki zone sıcaklıklarındaki sabit ekstrüzyon
parametrelerinde üretilen granül haldeki kompozit hammaddelerin soğutulması 30 oC’deki
su banyosunda gerçekleştirildi. Elde edilen her bir granül kompozit hammaddeler 50ºC’de
4 saat kurutuldu.
Fiziksel modifikasyonla, ağırlıkça yüzde 2 tane boyu elek altı 75 µm, TL maddesi ve
hacimce yüzde 10, 15, 17.5 ve 20 (ağırlıkça yüzde 25.00, 34.62, 38.89 ve 42.86)
oranlarında ortalama tane boyu 2.15 µm olan CC maddesi dolgulu PPB/CC/TL kompozit
hammaddeler üretildi.
2.3 Deney Numunesi Hazırlama
Saf PPB, PPB/TL ve PPB/CC/TL kompozit hammaddeler, vida çapı (D) 25 mm ve vida
uzunluğu (L/D) 20 mm olan enjeksiyon makinesinde (Arburg Allrounder 370 CMD), ISO
527-2 standardına göre 216 mm x 10 mm x 4 mm ölçülerinde tip 1A çekme numunesine
basıldı. ISO 294-1 standardı dikkate alınarak gerçekleştirilen basma işleminde, 225ºC
meme sıcaklığı, 225oC/220oC/220oC/215oC zone sıcaklıkları, 1450 bar enjeksiyon basıncı,
143
650 bar ütüleme basıncı, 60 s. bekleme süresi ile 30ºC kalıp soğutma suyu sıcaklığında
sabitlenmiş enjeksiyon parametreleri kullanıldı.
Çok amaçlı deney parçaları deneylerden önce, konfor şartlarında, gün ışığı görmeyen bir
ortamda en az 50 ay depolandı.
2.4 Çekme Deneyi
Çekme deneyleri ISO 527-1 dikkate alınarak, üzerinde ölçü uzunluğu 50 mm olan klipsli
statik ekstansometre (INSTRON 2630-111) bulunan ve Bluehill-2 (2.6 sürüm) yazılımı
kurulu olan 5 kN kapasiteli (INSTRON 4411 H 4240) çekme cihazında gerçekleştirildi.
ISO 527-2 standardına göre 216 mm x 10 mm x 4 mm ölçülerindeki tip 1A çekme
numunesi, çekme cihazına, enjeksiyon girişi çekme cihazının sabit çenesine ve dolayısıyla
enjeksiyon yönü çekme cihazının hareketli çenesine gelecek şekilde yerleştirildi. Çekme
testlerinde, Young’s Modülü için 1 mm/dak ve diğer özellikler için ise 50 mm/dak çekme
hızları kullanıldı.
Deneyler 22ºC ± 1ºC sıcaklık ve %50 ± 10 nem oranındaki ortamda yapıldı. Her bir değer
için en az 5’er adet deney numunesi kullanıldı. Elde edilen değerler Chauvenet Kriterine [8]
göre istatistiksel olarak değerlendirildi.
Sonuçlar saf PPB malzemeden elde edilen veriler baz (başlangıç) alınarak, çekme
özelliklerindeki değişimler, farklı yüzde hacim miktarına bağlı olarak, başlangıç baz
değerine ve saf PPB malzemesine göre de yüzde olarak grafikleştirildi.
Burada önemle belirtilir ki, çalışmada saf PPB hammaddesi, PPB/TL ve PPB/CC/TL
kompozit hammaddeleri gibi, çift vidalı ekstrüzyon parametreleri etkisine maruz
bırakılmadan kullanıldı. Bu kapsamda da, enjeksiyon kalıplama yöntemiyle, sabit
enjeksiyon parametrelerinde basılan ve deneylerden önce, konfor şartlarında, gün ışığı
görmeyen bir ortamda en az 50 ay depolanan saf PPB, PPB/TL ve PPB/CC/TL kompozit
malzemelerin çekme özellikleri belirlendi.
Saf PPB ve tane boyu elek altı 75 µm olan TL maddesi ile ağırlıkça yüzde 2 katkılı olan
PPB/TL kompozit ve ayrıca ağırlıkça yüzde 2 TL katkılı ve ortalama tane boyu 2.15 µm
olan CC maddesi ile hacimce en az yüzde 10 en fazla yüzde 20 oranları arasında dolgulu
PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemelerin, tek eksenli çekme testlerinin sonuçları, şekiller
1 ila 5’te verildi.
Şekil 1, saf PPB malzemesinin Young’s Modülü’nün, ilave edilen TL katkı ve CC dolgu
miktarına bağlı değişimini göstermektedir. Saf PPB malzemesine, ilave edilen ağırlıkça
yüzde 2 TL katkı miktarı, saf PPB malzemesinin Young’s Modülünü kısmen değiştirmediği
tespit edildi. Diğer taraftan ilave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL katkı ve hacimce yüzde 10 CC
dolgu miktarının, saf PPB malzemesinin Young’s Modülünü yaklaşık yüzde 26
yükseltmektedir. Hacimce yüzde 10 CC dolgu oranından daha çok dolgu miktarlarında ise
PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemesinin E Modülü daha da yükselmektedir. Dolayısıyla,
ağırlıkça yüzde 2 TL katkılı ve hacimce yüzde 20 CC dolgulu PPB/CC/TL hibrit kompozit
malzemesinin Young’s Modülünün, saf PPB malzemesinin Young’s Modülüne göre,
yaklaşık yüzde 68 daha yüksek olduğu tespit edildi.
144
Tinkal miktarı
0
2
[ yüzde ağırlık ]
2
2
2
2
2
3000
180
2400
140
2200
2000
120
1800
100
N/mm
2
1600
1400
80
1200
1000
60
800
Saf PPB (deneysel )
PPB/TL kompozit
Hibrit kompozit
600
400
40
20
200
0
Başlangıç değerine göre yüzde değişim
160
2600
[%]
Young's Modülü ( E )
2800
0
0
0
10
12,5
Kalsiyum karbonat miktarı
15
17,5
20
[ yüzde hacim ]
Şekil 1. TL katkı ve CC dolgu miktarına bağlı PPB malzemenin Young’s Modülü değişimi
Şekil 2 ise, saf PPB malzemesinin akma gerilmesinin ilave edilen TL katkı ve CC dolgu
yüzde 2 TL katkı miktarı, saf PPB malzemesinin akma gerilmesini yaklaşık yüzde 4
düşürmektedir. Diğer taraftan ilave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL katkı ve hacimce yüzde 10
CC dolgu miktarının, saf PPB malzemesinin akma gerilmesini yaklaşık yüzde 22
düşürmektedir. Hacimce yüzde 10 CC dolgu oranından daha çok dolgu miktarlarında ise
PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemesinin akma gerilmesi daha da düşmektedir.
Dolayısıyla, ağırlıkça yüzde 2 TL katkılı ve hacimce yüzde 20 CC dolgulu PPB/CC/TL
hibrit kompozit malzemesinin akma gerilmesinin, saf PPB malzemesinin akma gerilmesine
göre, yaklaşık yüzde 29 daha düşük olduğu tespit edildi.
2
2
2
2
2
2
34
Akma Gerilmesi (
32
30
y
110
)
100
28
24
80
22
70
2
20
18
60
16
50
14
12
40
10
30
Saf PPB (deneysel )
PPB/TL kompozit
Hibrit kompozit
8
6
4
20
10
2
0
90
26
N/mm
[%]
Tinkal miktarı
0
0
0
0
10
12,5
Kalsiyum karbonat miktarı
15
17,5
20
[ yüzde hacim ]
Şekil 2. TL katkı ve CC dolgu miktarına bağlı PPB malzemenin akma gerilmesi değişimi
Şekil 3’te, saf PPB malzemesinin akma uzamasının ilave edilen TL katkı ve CC dolgu
145
yüzde 2 TL katkı miktarı, saf PPB malzemesinin akma uzamasını yaklaşık yüzde 6
yükseltmektedir. Diğer taraftan ilave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL katkı ve hacimce yüzde
10 CC dolgu miktarının, saf PPB malzemesinin akma uzamasını yaklaşık yüzde 36
PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemesinin akma uzaması daha da düşmektedir.
hibrit kompozit malzemesinin akma uzamasının, saf PPB malzemesinin akma uzamasına
göre, yaklaşık yüzde 67 daha düşük olduğu tespit edildi.
2
2
2
2
2
8
Akma Uzaması (
7
y
120
)
110
100
6
90
80
5
70
4
%
60
50
3
40
2
30
Saf PPB ( deneysel )
PPB/TL kompozit
Hibrit kompozit
1
20
10
0
[%]
2
Tinkal Miktarı
0
0
0
0
10
12,5
Kalsiyum karbonat
15
17,5
20
[ yüzde hacim ]
Şekil 3. TL katkı ve CC dolgu miktarına bağlı PPB malzemenin akma uzaması değişimi
TL katkı ve/veya CC dolgu maddesinin, diğer alışıla gelmiş talk [4-6], wollastonit [4] ve
kaolin [5] maddeleri gibi, termoplastik malzemelerin elastisite modüllerini [5-7], artan
dolgu miktarıyla, benzer bir şekilde yükselttiği ifade edilebilir. Ayrıca, artan dolgu
miktarıyla, talk, wollastonit ve kaolin maddelerinin akma gerilmesini [4-7] yükseltirken,
TL katkı ve/veya CC dolgu maddesinin, artan dolgu miktarıyla akma gerilmesini düşürdüğü
sonucuna ulaşılabilir. Ancak, TL katkı ve/veya CC dolgu maddesinin, termoplastik
malzemelerin akma uzamalarını [4,6], alışıla gelmiş dolgu maddeleri gibi artan dolgu
miktarıyla benzer bir şekilde düşürdüğü sonucu tespit edilebilir.
Dolayısıyla, TL katkı ve/veya CC dolgu maddesinin, termoplastik malzemelerin, akma
sınırına kadar, çekmedeki karakteristik özelliklerine sağladığı olumlu ve/veya olumsuz
katkıları açısından, diğer konvansiyonel dolgu maddelerine benzerliği dikkat çekmektedir.
Buna karşın TL katkı ve/veya CC dolgu maddesi ile mukayese edilen minerallerin,
termoplastik malzemelerin karakteristik özelliklerini etkileme miktarlarındaki farklılıkların,
ilgili minerallerin yüzeysel karakteristiklerinin yanında hem ilave edilme ve artan dolgu
miktarı oranlarının hem de ortalama tane boyları ve tane şekillerinin farklı olmasından
kaynaklanabileceği düşünülmektedir.
Şekil 4, saf PPB malzemesinin kopma gerilmesinin ilave edilen TL katkı ve CC dolgu
yüzde 2 TL katkı miktarı, saf PPB malzemesinin kopma gerilmesini yaklaşık yüzde 17
düşürmektedir. Diğer taraftan ilave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL katkı ve hacimce yüzde 10
CC dolgu miktarının, saf PPB malzemesinin kopma gerilmesini yaklaşık yüzde 15
146
PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemesinin kopma gerilmesi daha da düşmektedir.
hibrit kompozit malzemesinin kopma gerilmesinin, saf PPB malzemesinin kopma
gerilmesine göre, yaklaşık yüzde 24 daha düşük olduğu tespit edildi.
2
2
2
2
2
2
26
Kopma Gerilmesi (
24
B
110
)
100
22
80
16
70
14
60
2
18
12
50
10
40
8
30
PPB/TL kompozit
Hibrit kompozit
6
4
20
10
2
0
90
20
N/mm
[%]
Tinkal miktarı
0
0
0
0
10
12,5
Kalsiyum karbonat
15
17,5
20
[ yüzde hacim ]
Şekil 4. TL katkı ve CC dolgu miktarına bağlı PPB malzemesinin kopma gerilmesi
değişimi
Şekil 5’te ise, saf PPB malzemesinin kopma uzamasının ilave edilen TL katkı ve CC dolgu
yüzde 2 TL katkı miktarı, saf PPB malzemesinin kopma uzamasını yaklaşık yüzde 6
yükseltmektedir. Diğer taraftan ilave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL katkı ve hacimce yüzde
10 CC dolgu miktarının, saf PPB malzemesinin kopma uzamasını yaklaşık yüzde 250
yükseltmektedir. Hacimce yüzde 10 CC dolgu oranından daha çok dolgu miktarlarında ise
PPB/CC/TL hibrit kompozit malzemesinin kopma uzaması düşmektedir. Dolayısıyla,
ağırlıkça yüzde 2 TL katkılı ve hacimce yüzde 20 CC dolgulu PPB/CC/TL hibrit kompozit
malzemesinin kopma uzamasının, saf PPB malzemesinin kopma uzamasına göre, yaklaşık
yüzde 30 daha yüksek olduğu tespit edildi.
Öncelikle wollastonit [4] ve talk [4-6] maddelerinin, ilave edilen ve artan dolgu miktarında,
termoplastik malzemelerin kopma gerilmelerini [4-6] yükseltirken, TL katkı ve/veya CC
dolgu maddesinin ise düşürdüğü sonucuna ulaşılabilir. Sonra, ilave edilen dolgu
miktarında, kaolin, talk ve wollastonit maddeleri birden ve aşırı olmak üzere termoplastik
malzemelerin kopma uzamalarını düşürürken, TL katkı ve/veya CC dolgu maddesinin ise
ilave edilen dolgu miktarında kopma uzamasını birden ve aşırı olarak yükselttiği sonucu
tespit edilebilir.
Bu çalışmada, TL katkı ve/veya CC dolgu maddesinin, termoplastik malzemenin
çekmedeki karakteristik özelliklerine, diğer konvansiyonel dolgu maddelerinin olumlu
ve/veya olumsuz etkilerine benzer etkiler gösterdiğinin belirlenmesi yanında, sadece TL
katkı maddesinin akma uzamasını ve kopma uzamasını yükselttiği ancak TL katkı ve CC
dolgu maddesi ilavesinin ise kopma uzamasını da yükselttiği bulguları, yeni birer tespittir.
147
Tinkal miktarı
0
2
2
2
2
2
2
200
150
350
325
300
275
250
125
225
200
%
100
175
150
75
125
100
50
75
25
Kopma Uzaması (
B
)
0
50
25
[%]
375
PPB/TL kompozit
Hibrit kompzozit
175
0
0
0
10
12,5
Kalsiyum karbonat
15
17,5
20
[ yüzde hacim ]
Şekil 5. TL katkı ve CC dolgu miktarına bağlı PPB malzemesinin kopma uzaması değişimi
4. Sonuçlar
Konfor şartlarında, gün ışığı görmeyen bir ortamda en az 50 ay depolanan saf PPB
malzemesinin çekmedeki karakteristik özelliklerinin her biri, ilave edilen ağırlıkça yüzde 2
TL katkı miktarından etkilendi. Ayrıca, ilave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL katkı ve hacimce
yüzde 10 CC dolgu miktarından etkilendi. Bundan başka, ilave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL
katkı ve artan hacimce yüzde 10 CC dolgu oranından daha çok dolgu miktarlarında da
etkilendi.
İlave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL katkı miktarı, saf PPB malzemenin, akma uzamasını ve
kopma uzamasını yükseltti, akma gerilmesini ve kopma gerilmesini düşürdü, Young’s
modülünü ise değiştirmedi. İlave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL katkı ve hacimce yüzde 10
CC dolgu miktarı, saf PPB malzemenin kopma uzamasını ani ve birden daha çok ve
Young’s modülünü ise yükseltti, akma gerilmesini, akam uzamasını ve kopma gerilmesini
düşürdü. İlave edilen ağırlıkça yüzde 2 TL katkı ve artan hacimce yüzde 10 CC dolgu
oranından daha çok dolgu miktarları ise saf PPB malzemenin, akma gerilmesini, akma
uzamasını ve kopma gerilmesini düşürdü ancak Young’s modülünü daha çok ve kopma
uzamasını yükseltti.
PPB/CC/TL hibrit kompozit malzeme çalışmaların da, TL maddesinin daha çok katkı/dolgu
miktarları ve/veya daha küçük ve/veya daha büyük ortalama tane boyları kullanılarak ve
ayrıca farklı üretim parametreleri tercih edilerek devam ettirilmesinin faydalı olacağı
Teşekkür
Yazarlar, PPB/TL ve PPB/CC/TL kompozit hammaddelerin çift vidalı ekstrüzyon da
üretilmesinde ve çok amaçlı deney parçalarının enjeksiyon kalıplama yöntemiyle elde
edilmesindeki katkılarından dolayı EMAŞ Plastik Sanayi ve Ticaret A.Ş.’ye teşekkür eder.
148
Bu çalışma, tamamlanan “Mineral Dolgu Maddeleri İle Poliolefin Boruların Kısa ve Uzun
Süreli İç Basınç Performans Özelliklerinin Optimizasyonu” başlıklı 105M220 numaralı
Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) projesi kapsamında üretilen,
ancak proje sonuçlanınca (tamamlanınca) arta kalan numunelerin değerlendirilmesi
amacıyla yapıldı ve hazırlandı.
Kaynaklar
[1] Zhou, Y. & Mallick P.K. 2002. “Effects of Temperature and Strain Rate on the Tensile
Behavior of Unfilled and Talc-Filled Polypropylene. Part I: Experiments”, Polymer
Engineering and Science, Volume 42, Number 12, Pages 2449-2460.
[2] Wulin Q., Mai K., Zeng H. 2000. “Effect Of Silane-Grafted Polypropylene on The
Mechanical Properties and Crystallization Behavior of Talc/Polypropylene Composites”,
Journal of Applied Polymer Science, Volume 77, Pages 2974-2977.
[3] Wah C.A., Choong L.Y., Neon G.S. 2000. “Effects of Titanate coupling agent on
rheological behavior, dispersion characteristics and mechanical properties of talc filled
polypropylene”, Europian Polymer Journal, Volume 36, Pages 789-801.
[4] Hadal R.S., Dasari A., Rohrmann J., Misra R.D.K. 2004. “Effect of wollastonite and
talc on micromechanisms of tensile deformation in polypropylene composites” Materials
Science and Engineering A, Volume 372, Pages 296-315.
[5] Leong Y.W., Abu Bakar M.B., Mohd Ishak Z.A., Ariffin A., Pukanszk, B. 2004.
“Comparison of the Mechanical Properties and Interfacial Interactions Between Talc,
Kaolin and Calcium Carbonate Filled Polypropylene Composites”, Journal of Applied
Polymer Science, Volume 91, Pages 3315-3326.
[6] Premalal H.G.B., İsmail H., Baharin A. 2002. “Comparison of the mechanical
properties of rice husk powder filled polypropylene composites with talc filled
polypropylene composites”, Polymer Testing, Volume 21, Pages 833-839.
[7] Zuiderduin W.C.J., Wesrzaan C., Hue’tink J., Gaymans R.J. 2003. “Toughening of
polypropylene with calcium carbonate particles”, Polymer, Volume 44, Pages 261-275.
[8] Holman J.P. 1994. Experimental Methods for Engineers, 6 th Ed., McGraw-Hill.
149
150
MİKROPARTİKÜL TANELİ KOLEMANİT BOR
MADDESİNİN POLİPROPİLEN RANDOM
KOPOLİMER MALZEMENİN TERMAL
ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ
Tülin Şahina, Ece Cengiz Yücelb ve Şenol Şahinc
a
Kocaeli University, Department of Mechanical Engineering, 41380, Umuttepe, Kocaeli, Turkey,
[email protected]
b
Kocaeli University, Graduate School of Natural and Applied Science, 41380, Kocaeli,Turkey,
[email protected]
c
Kocaeli University, Department of Mechanical Engineering, 41380, Umuttepe, Kocaeli, Turkey,
[email protected]
Özet
Günümüze kadar dolgu ve katkı maddeleri ile ilgili çok sayıda çalışma yapılmıştır. Bu
çalışmada, Türkiye‘nin, dünyanın en büyük bor cevheri üreticisi olmasından yola çıkarak,
bor cevherinin bir ürünü olan kolemanitin de dolgu maddesi olarak kullanılabileceği
öngörülmüştür. Bu amaçla termoplastik malzemeye çeşitli oranlarda kolemanit ile
dolgulandırılıp termal özellikleri incelenmesi hedeflenmiştir. Çalışmada, polielefin grubu
olan polipropilen random kopolimer (PRK) malzeme seçilmiştir. Elde edilen tüm
malzemelere DSC (diferansiyel taramalı analiz) ve TMA (termomekanik analiz) deneyleri
uygulanmıştır ve malzemelerin %kristalleşme oranı, erime sıcaklığı, termal genleşme
katsayısı ve yumuşama sıcaklığı verileri incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucunda,
PRK malzemede artan dolgu oranı ile erime sıcaklığında önemli bir değişme görülmezken,
%kristalleşme derecesinde çok az bir düşüş gözlemlenmekte ve yumuşama sıcaklığında saf
PRK malzemeye göre bir miktar azalma meydana gelmektedir.
Anahtar kelimeler: Polipropilen, termal özellikler, kolemanit, TMA, DSC
THE EFFECT OF MICROPARTICLULATE
COLEMANITE BORON SUBSTANCE ON THE
THERMAL PROPERTIES OF POLYPROPYLENE
RANDOM COPOLYMER MATERIAL
Abstract
With fillers and additives as many academic studies have been performed until now. In this
study, regarding to Turkey's role as starting to be world's largest boron ore producer fact
that colemanite which is a product of boron ore, expected to be used as filler in
Polyprophelene Random Copolymer (PRK). For this purpose, auhors aimed to investigate
thermal properties of the thermoplastic material filled with various ratios of colemanite
filler.Differential Scanning Calorimeter (DSC) tests and Thermo Mechanical Analysis
performed to examine the new composites. The crystallization rate, melting temperature,
thermal expansion coefficient and softening temperature outputs investigated. Based on the
experimental study, with the increasing colemanite filler amount the melting temperature is
151
seemed to be same but crystallization rate and softening temperature is decreased when
compared to pure PRK material.
Keywords: Polypropylene, thermal properties, colemanite, TMA, DSC
1. Giriş
Termoplastikler, sıcaklık karşısında genleşme, yumuşama ve bozunma göstermesi
nedeniyle yüksek sıcaklıkta uzun süre kullanılmazlar. Plastikler, metallere ve cama göre ısı
ile daha fazla genişlerler. Özellikle termoplastiklerin genişlemesi yaklaşık 2-10 kat daha
fazladır. Isı ile genişleme, sıcaklıktaki bir derecelik değişikliğin plastik maddenin
uzunluğunda yaptığı değişiklik olarak tanımlanabilir. Her plastik maddenin ısı ile genişleme
katsayısı farklıdır [1].
Camsı geçiş sıcaklığı (Tg) gibi erime sıcaklığı da (T m) plastikler için önemli bir özelliktir.
Erime sıcaklığı plastiklerin işlenmesiyle ilgili bir özelliktir. Bazı plastikler yüksek
sıcaklıkta işlenebilir ve kullanılabilirler. Ancak genel olarak plastikler yüksek sıcaklığa pek
dayanıklı değildir ve yüksek sıcaklıkta bozunurlar. Artan sıcaklıkla önce yumuşarlar,
mekanik özelliklerini kaybederler, belirli bir sıcaklıkta erirler ve daha da yüksek sıcaklıkta
bozunarak kimyasal özelliklerini kaybederler [1].
Polimerlerin ısı etkisindeki hacimlerinin artması, birden fazla parça bir araya getirilerek
üretilen malzemelerde ve içlerine metal yerleştirilen polimerik ürünlerde önemlidir. Bu tür
malzemeler yapımlarında kullanılan metal ve plastiklerden yapılan dişliler gibi sürtünme
etkisinde kalan parçalarda, sürtünme ısısından dolayı polimerin genleşmesi kaçınılmazdır
[2,3]
Plastik hammaddelerin farklı yöntemlerle ürünlere dönüştürülmesi esnasında son ürünün
gerek maliyetini azaltmak gerekse de mekanik özellikler, görünüm vb. özelliklerini
iyileştirmek için şekillendirme esnasında ana plastiğe bir takım katkı ve dolgu maddeleri
ilave edilmektedir. Bu bağlamda mikro partikül dolgulu plastik malzemeler yıllardan beri
birçok alandaki çeşitli uygulamalar için büyük oranlarda kullanılmaktadır [4,5,6,7].
Kolemanit (Kalsiyum borat), mineraller içeren bordan meydana gelmektedir. Özel yapısı ve
boratın (borik asit tuzu) bağlanma karakteristiği, modern günlük sanayi uygulamalarında
anahtar olmuştur. Boratlar beyazlatmadaki leke çıkarıcı deterjan ve film üretimlerinde
tampon etkisine sahip önemli bir unsurdur. Dahası boratlar, boyaların ve yapıştırıcıların
viskozitesini kontrol eder. Termoplastiklerde, termal denge ve dayanıklılıklarından dolayı
çeşitli nano dolgu maddeleri nano kompozit matris ve yaygın olarak kullanılmaktadırlar.
Ancak zayıf boyut dengesinden dolayı termoplastik matrisler ve ilgili kompozitler
arasındaki ilişki sınırlıdır [8]. Moleküler formülü Ca2B6O11.5H2O şeklinde ifade edilebilir.
Kolemanit, cam fiberlerde ham madde olarak kullanılır. Türkiye’de ve dünyanın birkaç
yerinde bulunur.
Polimerlerin katkılandırılıp, DSC deneyi aracılığıyla kristalleşme derecesi ve erime
sıcaklığı değişimini incelemek amacıyla pek çok çalışma yapılmıştır [9-15]. Yarı kristalin
polimerlere partikül takviyesinin en öne çıkan özelliği, partiküllerin yapıda çekirdekleştirici
etki göstermesidir. Çekirdekleştirici etki dolgu maddesinin tipine, boyutuna ve yüzey
işlemlerine bağlıdır [12]. Örneğin talk polipropilenin kristalleşme morfolojisinde güçlü,
aktif bir rol oynamaktadır [16]. İnce, geniş yüzey alanına sahip mikrokristalin talk
kristalleşme derecesini arttırmak amacıyla kullanılmaktadır. Polipropilene her ne amaçla
152
katılırsa katılsın polimerin kristalleşme derecesini yükseltmektedir [17]. Kalsiyum karbonat
ise polipropilenin kristalleşmesinde etkin olmayan bir rol üstlenerek çok az bir etki
değişikliğe neden olmaktadır [18]. Dolgu maddelerine yüzey işlemleri uygulayarak,
kristalleşme derecesi arttırılabilir, azaltılabilir ya da değişmeden sabit bırakılabilir
[12,18,19].
Katkılandırılmış polimer malzemelerin termal genleşme katsayısı, camsı geçiş sıcaklığı ve
belirli bir yük altındaki termal davranışını incelemek amacıyla TMA deneyi uygulanarak
pek çok araştırma yapılmıştır [13,20,21]. Çeşitli katkı ve dolgu maddeleri ilavesi ile
polimerlerin camsı geçiş sıcaklıkları ve termal genleşme katsayıları değerlerinde değişimler
gözlenmektedir. Örneğin polipropilene talk ilavesi ile yük ve sıcaklık altındaki boyutsal
kararlılık artmaktadır [16].
Günümüze kadar dolgu ve katkı maddeleri ile ilgili çok sayıda çalışma yapılmıştır. Bu
çalışmada, Türkiye‘nin, dünyanın en büyük bor cevheri üreticisi olmasından yola çıkarak,
bor cevherinin bir ürünü olan kolemanitin de dolgu maddesi olarak kullanılabileceği
öngörülmüştür. Literatürde yapılmış olan çalışmalarda çeşitli polimer malzemeler çeşitli
dolgu maddeleri ile katkılandırılmış ve termal özellikleri incelenmiştir. Fakat mevcut
çalışmalarda polipropilenin kolemanit ile katkılandırıp termal özelliklerinin incelendiği
çalışmalar bulunmamaktadır. Bu amaçla termoplastik malzemeye çeşitli oranlarda
kolemanit ile dolgulandırılıp termal özellikleri incelenmesi hedeflenmiştir.
2. Deneysel Çalışma
2.1 Malzeme
2.1.1 Polipropilen
Resin malzeme olarak Borealis firmasından temin edilen RA130E polipropilen random
kopolimer kullanılmıştır. Tablo 1’de polipropilen random kopolimer malzemenin fiziksel
özellileri verilmektedir.
Tablo 1 RAE130E polipropilen random kopolimerin fiziksel özellikleri
Yoğunluk
0,9 g/cm3
MFI
12 g/10 dk. (230 C/2,16kg)
Çekme modülü
1450 Mpa
Akma Gerilmesi
33 Mpa
Charpy Darbe Dayanımı 0oC’de 3,5 kj/m2 23o C’de 20 kj/m2
2.1.2 Öğütülmüş kolemanit bor maddesi
Öğütülmüş kolemanit bor maddesi Eti Maden Bigadiç tesislerinden Elek altı 75 µ (ortalama
partikül boyutu 20,596µ) olarak alınmıştır. Fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 2’de
gösterilmiştir.
Tablo 2 Kolemanit Bor Maddesinin Özellikleri
Kimyasal Özellikler Fiziksel Özellikler
B2O3
42 %
Özgül Ağırlık
0,80-1,00 ton/m3
CaO
27%
Birim Hacim Ağırlığı
1.02 gr/cm3
SiO2
6,5%
Ortalama Partikül Boyutu 20,596µ
SO3
0,5%
153
2.2 Harmanlama
Numunelerin harmanlanmasında çift vidalı ekstrüzyon makinesi kullanılmıştır (Coperion
Werner ve Pleiderer ZSK 25 P8.2 E WLE ). Ekstrüzyon makinesinin L/D oranı 45 ve helis
uzunluğu 1125 mm.’dir. Her malzeme granül haldeyken 8 saat süre ile 80 oC sıcaklıkta nem
alma işlemine tabi tutulmuştur. Tablo 3’de polipropilen random kopolimerin üretim
parametreleri görülmektedir.
Ortalama partikül boyutu 20,596 µm olan kolemanit içeren RA130E Polipropilen random
kopolimerin malzeme karışımları Tablo 4’de verilmektedir. Bu çalışmada
homopolimerlerde partikül dağılımına faydalı olabileceğinden polietilen (PE) temelli PEWax kullanılmıştır.
Tablo 3 Polipropilen random kopolimer malzemenin üretim parametreleri
Özellikler Birim
Zone ayar Zone
3
4
5
6
7
8
9
10 Mem
Sistemi 1 2
C
- 170 220 240 24 240 25 25 25 25 270
sıcaklıkla oNo
e
Devir
1/dk
900
0
5
5
5
5
rı
Kapasite
kg/saat 30
o
Soğutma
C
30
Rejimde
oluşan malzeme iç sıcaklığı 300oC
suyu
sıcaklığı
Tablo 4 Ortalama partikül boyutu 20,596 µm olan kolemanit içeren RA130E Polipropilen
random kopolimerin karışım tablosu
Numune Adı Partikül Boyutu Kolemanit Oran
Wax Oranı
(µm )
( % Ağırlıkça )
( % Ağırlıkça )
PRK-NAT
PRK755
PRK7510
PRK7515
PRK7520
0
20,596
20,596
20,596
20,596
0
5,00
10,00
15,00
20,00
0
0,5
0,5
0,5
0,5
2.3 DSC Deneyi
Diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) bir polimerin fiziksel özelliklerini belirlemede
etkili ve yaygın kullanılan analitik bir yöntemdir [22, 23]. DSC, polimer malzemelerin
erime, kristalizasyon ve mezomorfik geçiş sıcaklıkları ile bunlara bağlı olan entalpi ve
entropi değişimleri, camsı geçiş karakterizasyonu, ısı kapasitesi gibi diğer özelliklerini
saptamamıza imkan verir. Kalorimetri yöntemi diğer termal analiz yöntemleri arasında özel
bir yere sahiptir. Basitliği ve üniversallığının yanı sıra kalorimetri ile ölçülen enerji
karakteristiği yorum yapmanın zor olduğu durumlarda bile düzgün bir fiziksel anlam
taşımaktadır [23].
DSC deneyi, Metler Toledo DSC1 cihazı ve Star System yazılımı kullanılarak 25˚C’den
200˚C’ye 10 ˚C/dk ısıtma hızında nitrojen atmosferi altında gerçekleştirilmiştir [24].
Kristalin erime sıcaklığı ve kristalin erime enerjisi deney sonuçlarında elde edilen erime
grafiğinden okunmuştur. Yaklaşık 10 mg ağırlığında olan numunelerin kristalleşme
derecesi (%c) malzemenin entalpi değerini kullanarak denklem (1) ile hesaplanmıştır.
c
H sc
.100
Hc
(1)
154
Bu bağıntıda ∆HSC yarı kristalin malzemenin erime entalpisi (j/g), ∆HC resin polimer
malzemenin erime entalpi değeri (j/g) ve c malzemenin kristalleşme derecesidir [9,25].
Kristalizasyon ve erime entalpi değerleri ekzotermik ve endotermik pik alanlarından
faydalanarak hesaplanmaktadır. Ekzotermik ve endotermik pik sıcaklıkları ise
kristalizasyon ve erime sıcaklığın değerlerini tespit etmek amacıyla kullanılmaktadır [12].
Mikro yapıdaki özelliklerin incelenmesinde kullanılan DSC deneyi, kristalizasyon
derecesindeki değişimin malzemenin mekanik özelliklerini nasıl etkilediğini incelemek
amacıyla kullanılmıştır.
2.4 TMA Deneyi
Termomekanik analiz (TMA), malzemelerin mekanik özelliklerini zaman ve sıcaklığın
fonksiyonuna bağlı olarak belirleyen bir metottur. Seçilen ölçme modlarına göre
malzemelerin termal genleşme, viskoz akış ve elastik davranışları araştırılabilir. Statik yük
altında yapılan deneyler TMA olarak adlandırılır [26].
Bu çalışmada TMA-50 Shimadzu marka termomekanik analiz cihazı kullanılmıştır. Bu
cihaz ile genleşme (expension) modunda deneyler yapılmıştır. Genleşme (expension)
modunda 5 oC/dakika ısıtma hızı ve 0,5 g. Yük uygulanmıştır. Deney için 6x6x3 mm.
Boyutlarındaki numuneler kullanılmıştır. Deneylerden elde edilen eğrilerin analizi TA60WS termal analiz paket programı kullanılarak yapılmıştır. Bu eğrilerden yumuşama
sıcaklığı TY [oC], herhangi bir sıcaklık aralığında lineer termal genleşme katsayısı [µm] ve
[1/K] cinsinden elde edilebilmektedir [26].
Lineer termal genleşme katsayısı, deney sonuçlarını kontrol etmek amacıyla denklem 2 ve
3’den faydalanılır.
1 V
x
V
T
1
l
x
3l T
1
l
(linear )
x
l T
(2)
(3)
Burada; V hacim, T sıcaklık ve l malzemenin uzunluğudur [13,27].
2.5 Taramalı elektron analizi (SEM)
Malzemelerin iç yüzeyleri Jeol 6060 marka SEM cihazında incelenmiştir.
3.1 PP kopolimer malzemenin DSC deneyi sonuçları
Şekil 1’de 20,596 µ ortalama tane boyuna sahip kolemanit ile katkılandırılan PRK
malzemeye ait %kristalleşme oranı ve erime sıcaklığına ait grafik görülmektedir. Artan
katkı oranı ile erime sıcaklığında önemli bir değişme görülmezken %kristalleşme
derecesinde çok az bir düşüş gözlemlenmektedir. Şekil 2’de aynı malzemelere ait DSC
diyagramları görülmektedir. Kristalleşme oranının azalmasını, TMA deneylerinden elde
edilen Şekil 4 deki azalan yumuşama sıcaklığı değerlerini desteklemektedir.
155
120
180
160
100
140
120
100
80
80
60
%c
Tm
40
60
[ Tm ] Katkısıza göre değişim [ % ]
[ % c ] Katkısıza göre değişim [ % ]
200
20,596 µ
20
0
5
10
15
20
Kolemanit Miktarı ( % ağırlıkça )
Şekil 1. Ortalama tane boyutu 20,596 µm olan kolemanit ilaveli PRK malzemenin
kristalleşme derecesi ve erime sıcaklığı eğrileri
-1
-2
-3
[mW]
-4
-5
-6
%0
%5
%10
%15
%20
-7
-8
20,596 µ
-9
40
60
80
100
120
140
160
180
200
O
Sıcaklık [ C]
Şekil 2. Ortalama tane boyutu 20,596 µm olan kolemanit ilaveli PRK malzemenin DSC
eğrileri
3.2 Polipropilen random kopolimerin TMA sonuçları
Şekil 3 ve Şekil 4’de ortalama tane boyutu 20,596 µm olan kolemanit ilaveli PRK
malzemenin TMA eğrileri ve termal genleşme katsayısı ve yumuşama sıcaklığı eğrileri
görülmektedir. Şekil incelendiğinde yumuşama sıcaklığında saf PPH malzemeye göre bir
miktar düşüş olmakta, daha sonra yumuşama sıcaklığı değeri sabit kalmaktadır.
3.3 Polipropilen random kopolimerin SEM sonuçları
Şekil 5’de PRK natürel malzemeye ait SEM görüntüsü bulunmaktadır. Ağırlıkça %10 ve en
büyük tane boyu 75 mikron olan kolemanit katkılı PRK malzemenin sem görüntüleri Şekil
6a ve Şekil 6b’de verilmektedir. Şekiller incelendiğinde dağılımın düzgün olduğu
görülmektedir. Hiçbir ara yüzey çalışması yapılması ve kolemanitin özel olarak mikronize
edilmemesi dikkate alındığında matris katkı maddesi ara yüzeyinde yapışmanın mevcut
olduğu görülmektedir.
156
1000
20,596 µ
%0
%5
%10
%15
%20
800
µm
600
400
200
0
40
60
80
100
120
140
160
o
Sıcaklık ( C)
Şekil 3. Ortalama tane boyutu 20,596 µm olan kolemanit ilaveli PRK malzemenin TMA
eğrileri
Kolemanit
5
10
15
20
160
140
Ty
120
o
40 C
o
80 C
100
80
60
40
o
20,596 µ
Yumuşama Sıcaklığı (T y) [ C]
-6
Termal Genleşme Katsayısı ( 10 /K )
0
340
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
20
0
0
5
10
15
20
Kolemanit Miktarı (% ağırlıkça)
Şekil 4. Ortalama tane boyutu 20,596 µm olan kolemanit ilaveli PRK malzemenin termal
genleşme katsayısı ve yumuşama sıcaklığı eğrileri
Şekil 5. PRK natürel malzemeye ait SEM görüntüleri (çentik dibi x1000 büyütme)
157
(a)
(b)
Şekil 6. PRK7510 kodlu malzemeye ait SEM görüntüleri, a) çentik dibi x65 büyütme,
b) çentik dibi x1500 büyütme
4. Sonuç
PRK malzemede kolemanit oranı, kolemanit tane büyüklüğü ve bondyram ilavesi erime
sıcaklığında bir değişime neden olmazken yumuşama sıcaklığında çok az bir düşüşe neden
olmaktadır.
Yapılan analizler sonucunda, dolgulandırma ile matris malzemesinin termal dengesinin
bozulmadığı tespit edilmiştir.. PRK malzemeyi kolemanit ile dolgulandırma da hiçbir ara
yüzey iyileştirici kullanılmaması durumun için, iyi bir ara yüzeyi yapışması olduğu
fraktografik inceleme sonucunda tespit edilmiştir.
Kaynaklar
[1] Kaya, F., 2005. “Ana Hatlarıyla Plastikler ve Katkı Maddeleri”, 2. Basım, Birsen
Yayınevi, 50.
[2] Saçak, M., “Polimer teknolojisi”, Gazi Kitabevi, 80-81, 2005.
[3] Richardson ve Lokensgard, 1997 .“Industrial Plastics Theory and Applications”,
Dermal Publishers Inc, 97,98.
[4] Mareri, P., Bastide, N. B., Crespy, A., 1998 .“Mechanical Behaviour of Polypropylene
Composites Containing Fine Mineral Filler: Effect of Filler Surface Treatment”,
Composites Science and Technology, , 58, 747-752.
[5] Misra, R. D. K., Nerikar, P., Bertrand, K. Murphy, D., 2004. “Some aspects of surface
deformation and fracture of 5–20% calcium carbonate-reinforced polyethylene
composites”, Materials Science and Engineering, 384, 284-298.
[6] Şahin, Ş. ve Yayla, P., 2005.“Effects of processing parameters on the mechanical
properties of polypropylene random copolymer”, Polymer Testing, 24, 1012-1021.
[7] Karger, J. K.,1999“Polypropylene An A-Z reference”, Kluwer Academic Publishers, 58,
150, 151, 240-246, 447, 715, 917.
[8] URL-1: http://www.colemanite.co.uk/index.html (Ziyaret Tarihi: 23 Kasım 2008)
[9] Sorrentino L.,Berardini, F., Capozzoli, M.R., Amitrano S., Iannace, S., 2009.
“Nano/micro Ternary Composites Based on PP, Nanoclay, and CaCO3”, Journal of Applied
Polymer Science,113, 3360–3367.
[10] Leong, Y. W., Abu Bakar, M. B., Mohd. Ihsak, Z. A., Ariffin, A., “2004.
Characterization of talc/calcium carbonate filled polypropylene hybrid composites
weathered in a natural environment,” Polymer Degradation and Stability, 83, 411-422.
158
[11] Leong, Y. W., Abu Bakar, M. B., Mohd. Ihsak, Z. A., Ariffin, A., Pukanszky, B. 2004.
“Comparison of the Mechanical Properties and Interfacial Interactions Between Talc,
Kaolin, and Calcium Carbonate Filled Polypropylene Composites” Journal of Applied
Polymer Science, 91, 3315–3326.
[12] Othman, N., Ismail, H., Mariatti, M., 2006.“Effect of compatibilisers on mechanical
and thermal properties of bentonite filled polypropylene composites” Polymer Degradation
and Stability, 91, 1761-1774.
[13] Sahebian, S., Zebarjad, S. M., Khaki, J. V., Sajjadi, S. A., 2009. “The effect of nanosized calcium carbonate on thermodynamic parameters of HDPE”, journal of materials
processing technology, 209, 1310–1317.
[14] Luyt, A. S., Dramicanin, M. D., Antic, Z., Djokovic, V., 2009. “Morphology,
mechanical and thermal properties of composites of polypropylene and nanostructured
wollastonite filler”, Polymer Testing, 28, 348-356.
[15] Zhaobin C., Tongsheng, L., Yang, Y. Liu, X., Lv, R., “Mechanical and tribological
properties of PA/PPS Blends”, Wear, 2004, 257, 696-707.
[16] Schlumpf H. F., 1990 “Plastic additives handbook: stabilizers, processingaids,
plasticizers, fillers, reinforcements colorants for thermoplastics”, 3rd Edition, Gachter R.,
Müller H., Klemchuk P. P, Hanser Publishers, 558-560.
[17] Clark, J. R. and Steen, W. P., 2003 “Handbook of Polypropylene and Polypropylene
Composites, Revised and Expanded.” Karian, H. G., CRC Press, 296.
[18] Zuiderduin W. C. J., Westzaan, C., Huetink, J., Gaymans, R. J. 2002. “Toughening of
polypropylene with calcium carbonate particles”, Polymer, , 44, 261-275.
[19] Meng, M., Dou, Q., 2008. “Effect of pimelicacid on the crystallization, morphology
and mechanical properties of polypropylene / wollastonite composites”, Materials Science
and Engineering, A 492, 177–184.
[20] Lin Y. X., Gao, C., Chen, M., 2009. “Thermomechanical properties and tribological
behaviour of CaCO3 whisker-reinforced polyetheretherketone composites”, Engineering
Tribology, 223, 1013-1018.
[21] Leszczynska A., and Pielichowski, K., 2008. “Application of thermal analysis methods
for characterization of polymer/montmorillonite nanocomposites”, Journal of Thermal
Analysis and Calorimetry, 93, 677–687.
[22] Davis, F. J., 2004. “Polymer Chemistry, A Practical Approach ”, Oxford University
Press, 19,
[23] Schick,C. 2009.”Differential scanning calorimetry (DSC) of semicrystalline polymers
(Review), Analytical and Bioanalytical Chemistry,395, 1589–1611.
[24] ISO 11357-3,2011.Plastics -- Differential scanning calorimetry (DSC) -- Part 3:
Determination of temperature and enthalpy of melting and crystallization
[25] Sperling, L. H., 2006 “Introduction to Physical Polymer Science”, fourth edition, John
Wiley&Sons, Inc. Publication, 244-245.
[26] Şahin, T., 2004. “Çevresel Faktörler ve Soğuk Çekmenin Polistren Malzemede
Mekanik ve Isıl Özelliklere Etkileri”, Doktora Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri
Enstitüsü , Kocaeli,.
[27] Hatakeyama, T ve Quinn, F. X. , 1999. “Thermal Analysis Fundamentals and
Applications to Polymer Science”, Second Edition, John Wiley&Sons, 127.
Not:
Bu çalışma, tamamlanan “Mikro Taneli Ham Kolemanit İle Polipropilen Malzemelerin
Mekanik Özelliklerinin Geliştirilmesi ve Yurtiçi Tüketim Miktarının Arttırılması” başlıklı
2009-ç0227 numaralı Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) projesi kapsamında
üretilen, ancak proje sonuçlanınca (tamamlanınca) arta kalan numunelerin
değerlendirilmesi amacıyla yapıldı ve hazırlandı.
159
160
GERİDÖNÜŞÜM POLİ(ETİLENTEREFTALAT) (RPET)-POLİPROPİLEN (PP) HARMANLARININ
MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ
Tuğba Güvena, İsminur Gökgöz Erkoçb, Muhammet Sözerc, Fatih Yıldırımd ve
Mustafa Doğue
Mir ARGE A.Ş Malzeme-Kimya Araştırmaları Bölümü İstanbul/TÜRKİYE,
a
[email protected], b [email protected],
c
[email protected], d [email protected],
e
[email protected]
Özet
Günümüzde plastik malzemeler her alanda kullanılmakta ve bu haliyle hayatımızın
vazgeçilmez parçası olmaktadır. Bu çalışmada; geri dönüştürülmüş polietilen tereftalatın,
polipropilen ile %10 %20 ve %30 oranlarında harmanlanmış ve malzemelerin mekanik
özellikleri incelenmiştir. Çalışmada harmanlama işlemi çift vidalı ekstruder yardımı ile
gerçekleştirilmiş olup, test numuneleri enjeksiyonla kalıplanarak elde edilmiştir.
Numunelerin eğme ve darbe özelliklerine ek olarak, konsantrasyon, frekans ve sıcaklık
değişimine göre dinamik özellikleri incelenmiştir. Analiz sonuçları, depolama ve kayıp
modül değerlerinin, eğme testinde elde edilen sonuçlara benzer şekilde, konsantrasyon ve
frekans artışı ile birlikte arttığını, sıcak artışı ile düştüğünü göstermiştir. Harmanlama
işlemi sonucunda polipropilenin 722MPa olan eğme modülü, %30 R-PET artışı ile birlikte
1150MPa mertebelerine çıkarken, çentiksiz darbe mukavemet değeri 8 (kJ/m 2)
mertebelerine düşmüştür.
Anahtar kelimeler: Geridönüşüm, polietilen teraftalat, polipropilen, harman, modül
INVESTIGATION OF MECHANICAL PROPERTIES
OF RECYCLED POLY(ETHYLENE
TEREPHTHALATE)/POLYPROPYLENE BLENDS
Abstract
Nowadays; plastic materials are widely used for many applications and essential part of our
lives. In this study, R-PET/PP blends were prepared at various R-PET compositions (10,
20, 30wt%) by co-rotating twin screw extruder and test samples were obtained by injection
molding. R-PET/PP blends were examined by Dynamic and mechanical properties test
machine. During DMA analysis, effect of concentration, frequency and temperature were
examined. According to results of analysis, storage and loss modulus values are similar to
the results of the flexural test results, while the modulus were increased by R-PET
concentrations and frequency on the other hand they were decreased by increasing
temperature. In consequence of study, flexural modulus increased simultanously 722 MPa
to 1150 MPa by increasing R-PET, but unnotched impact resistance dropped decreased to 8
kj/m2.
Keywords: Recycling, polyethyleneteraphlate, polypropylene, blend, modulus
161
1. Giriş
Termoplastik malzemeler nispeten ucuz, kolay işlenebilir, hafif, yüksek kimyasal ve
korozyon dirençlerine sahip malzemelerdir. Ancak bu malzemelerin seramik, metal ya da
mühendislik plastiklerine kıyasla daha düşük mekanik özelliklere sahip olması mukavemet
gerektiren pek çok uygulama için problem yaratmaktadır. Plastik sektöründeki bu maliyet
düşürme ve kalite yükseltme ihtiyacı nedeni ile kompozit ve harmanlama (birden fazla
polimerin birbiri ile karıştırılması-blend) teknolojileri gün geçtikçe önem kazanmakta,
üreticiler çeşitli takviye malzemeleri ile ürünlerinin özelliklerini geliştirmektedir.
Polimer harmanları (blend), en az iki polimerin fiziksel olarak karıştırılması sonucu
oluşmaktadır.
Harmanlama yöntemi, istenilen performansta, birçok farklı özelliğe sahip malzeme elde
etmenin en ekonomik yoludur. Polimer harmanların bir diğer avantajı ise çevreye dost bir
teknoloji olmasıdır. Bu yöntem aynı zamanda özel müşteri isteklerini yerine getirmek ve
geliştirmek için üretici firmalara önemli bir fırsattır.
Örneğin, 1930 yılından itibaren otomobil uygulamalarında kullanılan nitril kauçuğunun
havadaki ozon nedeni ile yıpranmasının önüne geçebilmek için ozona dayanıklı bir
malzeme olan PVC ile harmanlanması daha uzun ömürlü malzeme elde edilmesine neden
olmuş ve bu yöntem dünyada geniş çapta uygulanmaya başlanmıştır [1].
Harmanlama teknolojisinin keşfi ile birlikte tüm plastik endüstrisinde, polimer harmanların
kullanımı normal polimerlerin üç katı artış göstermiştir [2].
İki polimerin birbirini tamamlayıcı özelliklerini birleştirmenin en etkili yollarından biri
harmanlama işlemidir [3].
Polipropilen, diğer polimerlere göre nispeten ucuz, esnek ve proses edilebilirliği oldukça
yüksek bir polimerken mekanik özellikleri mühendislik polimerlerine göre düşüktür.
Çalışmada gerek mekanik özelliklerinin polipropilenden yüksek olması gerekse maliyet,
çevre ve yenilikçilik unsurları göz önünde bulundurularak, atık şişelerden elde edilmiş
polietilen(tereftalat) (R-PET)’in takviye polimeri olarak kullanılması ve PP’nin mekanik
özelliklerinin arttırılması hedeflenmiştir.
2. Deneysel
Çalışmada PP polimerinin mekanik özelliklerinin artması için 3 farklı konsantrasyonda
(%10, %20 ve %30) R-PET polimeri (takviye malzemesi) kullanılmıştır. Harmanlama
işlemi çift vidalı ekstrüderde, 90-235-245-260-265-270-270ºC sıcaklık profilinde
gerçekleştirilmiştir. Elde edilen R-PET/PP granülleri enjeksiyon ile kalıplanarak darbe,
eğme ve DMA test numuneleri elde edilmiştir.
Test numunelerinin eğme özellikleri oda sıcaklığında devotrans üniversal çekme cihazıyla
5mm/dk eğme hızı ile gerçekleştirilmiştir. Harmanın dinamik özellikleri (depo modülü,
kayıp modülü ve Tan ) Q800 TA cihazı ile 4ºC/dk sıcaklık artışında gerçekleştirilmiş
ayrıca 5 farklı frekans değerinde depolama modül değerleri ölçülmüştür.
162
Malzemelerin eğme ve darbe özellikleri Tablo 1’de gösterilmiştir. Eğme modül ve gerilim
değerleri R-PET miktarı arttıkça artış göstermiştir. Bu artışın sebebi R-PET’in, PP
polimerinden daha sert bir malzeme olmasından kaynaklanmaktadır.
Darbe dayanımları incelendiğinde ise %100 PP ve %10 R-PET katkılı harmanların darbeye
karşı dirençli oldukları gözlenmektedir. R-PET miktarının %20 ve %30’a artması ile
birlikte harmanların darbe dayanımları R-PET miktarı ile ters orantılı olarak azalmıştır. RPET miktarı arttıkça malzeme elastik özelliğini kaybetmiş ve darbe dayanımı düşmüştür.
Darbe dayanımdaki azalma R-PET’in kırılgan davranış göstermesinden kaynaklanmaktadır
[4].
Tablo 1 PP/R-PET harmanlarının mekanik özellikleri
Izod
Izod
Eğme
Eğme
Harman
Çentiksiz Çentikli M F I Modulu Mukavemeti
(kJ/m2) (kJ/m2)
(MPa)
(MPa)
% 100 PP
NB
35
1,31
722
27
% 90 PP + % 10 R-PET
NB
9
0,52
702
30
% 80 PP + % 20R- PET
41
5
0,3
991
36
% 70 PP + % 30R- PET
8
5
0,21
1150
31
Şekil 1’de R-PET/PP harmanlarının farklı R-PET miktarlarındaki depolama modülü, kayıp
modülü ve tan∆ değerleri sıcaklığın bir fonksiyonu olarak gösterilmiştir. E’ değeri
sıcaklıkla birlikte kademeli olarak azalmış ancak bu azalma 75ºC’den sonra hızlı bir şekilde
gerçekleşmiştir. Bu düşüşün keskin bir şekilde olmasının nedeni, Şekil 2 ve Şekil 3‘teki
tan∆ grafiklerinden de açıkça görüldüğü gibi R-PET’in camsı geçiş sıcaklığından
kaynaklanmaktadır. Saf R-PET’in modül değeri saf PP’den yüksek olduğundan, depolama
modülü R-PET miktarı arttıkça artmıştır [5].
Şekil 1. Farklı R-PET miktarındaki harmanların elastik modülü
163
Şekil 2. Farklı R-PET miktarındaki harmanların depolama modülü
Şekil 3. Farklı R-PET miktarındaki harmanların elastik modülü
Şekil 4’de 5 farklı frekans değerinde (0,5Hz, 1Hz, 3Hz, 5Hz, 10Hz) test uygulanan
%30RPET harmanının elastik depolama modül değerleri yer almaktadır. Görüldüğü gibi
frekans değeri arttıkça depolama modül değerleri de artmıştır.
4. Sonuç
Çalışma kapsamında %10, %20 ve %30R-PET’li harmanlar hazırlanmış ve saf PP ile
mekanik ve dinamik özellikleri incelenmiştir. R-PET miktarı arttıkça eğme gerilimi ve
modül değerlerinin R-PET’in yüksek mekanik özelliklerinden dolayı artığı görülmüştür.
Aynı şekilde dinamik test sonuçları incelendiğinde R-PET miktarı arttıkça depolama ve
kayıp modül değerleri artmıştır. Sıcaklıktan dolayı düşme eğiliminde olan depolama
164
modülü 75ºC’den sonra daha hızlı bir şekilde düşmüştür. Hızlı düşüş R-PET’in camsı geçiş
sıcaklığının yaklaşmasından kaynaklanmaktadır.
Şekil 4. Farklı frekanslarda %30R-PET katkılı harmanların depolama modülü
Semboller
DMA
E’
E’’
PP
R-PET
: Dinamik mekanik analiz
: Depolama modülü
: Kayıp modülü
: Polipropilen
: Geridönüşüm polietilenteraftelat
Teşekkürler
Bu çalışma Mir Arge A.Ş. tarafından desteklenmiştir.
Kaynaklar
[1] J. L. White, S. H. Bumm, 2011, Polymer Blend Compounding and Processing, 1-26
[2] L. A. Utracki, (1999),”Polymer Blends Handbook”Volume 1,
[3] Thirtha V., Lehman R. and Nosker T.(2005), “Glass Transition Effects In Immiscible
Polymer Blends”, Antec 2005 / 2380
[4] Kaci M., Benhamida A., Cimmino S. , Silvestre C., Carfagna C., 2005 Macromol.
Mater. Eng., 290, 987–995
[5] C.I.W. Calcagno et al. (2008) “Composites Science and Technology” 68,2193–2200
165
166
KESTANE AĞACI TALAŞI VE FARKLI İNORGANİK
DOLGULAR İLAVE EDİLMİŞ DÖKME
POLİMETİLMETAKRİLAT HİBRİT
KOMPOZİTLERİN MEKANİKSEL
ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ
İlyas Kartala, Halil Demirerb ve Kenan Büyükkayac
a
Marmara Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü,
b
c
Giresun Üniversitesi, Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu, Makine ve Metal
Teknolojileri Bölümü, Giresun/TÜRKİYE, [email protected]
Özet
Bu çalışmanın amacı kestane ağacı talaşı ve değişik inorganik malzemelerin dökme
polimetilmetakrilat kompozitlerde dolgu malzemesi olarak kullanılması ve elde edilen
kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesidir. Bu amaçla dökme polimetilmetakrilat
matrise ağırlıkça % 15 sabit oranında kestane ağacı talaşı ve % 2,5 – 5 – 7,5 ve 10
oranlarında wollastonit, cam küre, talk, mika ve kalsit ilave edildi. Elde edilen hibrid
kompozit numuneler üzerinde çekme, darbe, üç nokta eğme ve sertlik gibi mekanik testler
yürütüldü. Kompozitte inorganik dolgu miktarı arttıkça çekme dayanımı ve kopma uzaması
düşerken çekmede elastiklik modülü arttı. Eğmede kopma dayanımı ve kopma uzaması
artan inorganik içerikle birlikte azaldı. İzot darbe dayanımı ve sertlik değerleri ise inorganik
dolgunun türüne göre farklılıklar gösterdi.
Anahtar Kelimeler: Kestane ağacı talaşı, inorganik katkı, polimetilmetakralat, mekanik
özellikler
OF WALNUT WOOD FLOUR AND DIFFERENT
INORGANIC FILLERS ADDED
POLYMETHYLMETACHRYLATE HYBRID
COMPOSITES
Abstract
The aim of this study is to utilise the walnut wood flour and various inorganic materials as
fillers in cast polymethylmethacrylate composites and investigate the mechanical properties
of resultant composites. With this aim 15% by fixed weight walnut tree flour was added
into the polymethylmethacrylate matrix and 2.5, 5, 7.5 and 10 % by weight wollastonit,
glass bead, talc, mika ve calcite were also added to this mixture. Tensile, Izod impact, three
point bending and hardness tests were conducted on the obtained hybrid composite
samples. Values for tensile strength and elongation at break decreased whereas E-modulus
increased when the amount of inorganic filler increased. Break strength and elongation at
167
break in bending decreased with the increasing inorganic content. Izod impact strength and
shore D hardness values exhibited differences depending on the type of inorganic filler.
Keywords: Chestnut wood flour, inorganic additives, polymethilmethacrylate,
mechanical properties
1. Giriş
Günümüzde polimer esaslı kompozit malzemeler düşük maliyete ilaveten yüksek spesifik
dayanım ve arttırılmış yorulma ömrü gibi mükemmel mekanik özellikleri nedeniyle günlük
basit kullanımdan ileri teknoloji uygulamalarına kadar bir çok alanda artan bir şekilde
kullanılmaktadır. Farklı takviye malzemelerinin kolayca ilave edilebilmesi polimer esaslı
kompozit malzemelere önemli avantajlar sağlamaktadır. Son zamanlarda ağaç talaşı
kompozit malzemelerde bir dolgu malzemesi olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
Öte yandan organik/inorganik hibrid dolgulu kompozitler büyük önem kazanmıştır. Hibrit
kompozitler hibrit etkiye yol açan farklı mekanik/fiziksel ve/veya diğer özelliklere sahip iki
veya daha fazla farklı türdeki takviyenin bir araya gelmesinden oluşmaktadırlar [1-2].
1940'ların sonlarında geliştirilen cam elyaf takviyeli plastikler günümüzde en çok
kullanılan ve ilk modern polimer esaslı kompozit malzemedir. Bugün üretilen tüm
kompozit malzemelerin yaklaşık olarak % 85'i cam elyaf takviyeli plastiktir ve yoğun
olarak tekne gövdeleri, spor araçları, paneller ve araba gövdelerinde kullanılmaktadır. Uzun
ve kısa kırpılmış, sürekli, küre vb. cam fiber çeşitleri geniş kullanım alanına sahip olup hem
termoset hem de termoplastik malzemelerin mukavemet, boyutsal ve ısıl stabilite, korozyon
direnci, dielektrik özellikleri vb. özelliklerinde artış sağlarlar [3].
Talk doğada 3MgO·4SiO2·H2O formülüne sahip su içeren bir bileşik halinde magnezyum
silikat olarak bulunur. Talkın başlıca içeriği magnezyumun hidroksit ve oksit bileşikleridir
ve bunlar sandviç şeklinde iki silikon oksit tabakası arasında yer alırlar. Talk, son
zamanlarda polimer sektöründe özellikle tokluk söz konusu olunca en çok tercih edilen
dolgu maddelerinden biridir. Bu bakımdan talkın işlevi sadece dolgu amaçlı olmasına değil,
aynı zamanda ince taneli ve katmanlı bir yapısı olmasına da bağlıdır [4-5].
Vollastonit bir kalsiyum inosilikat (CaSiO3) minerali olup az miktarda demir ve
magnezyum içerebilir. Genellikle beyaz renklidir. Saf olmayan kireçtaşı veya dolomit
yüksek sıcaklık ve basınca maruz kaldığında bazen de metaformik kayaların silika taşıyan
sıvıların varlığında oluşur. Vollastonit yüksek parlaklık ve beyazlık, düşük nem ve yağ
absorbsiyonu ve düşük uçucu içeriğe sahip olması nedeniyle seramiklerde, sürtünmeli
ortamlarda, boya katkılarında ve plastiklerde yoğun olarak kullanılmaktadır. Bununla
beraber yer ve duvar karoları, tek pişirimli fayans imali, elektrik izolatörleri, porselen, sır,
emaye, mineral elyaf, beyaz boya ve abrasif disk imalinde fren ve debriyajlar için tercih
edilmektedir [6-7].
Mika bir silikat grubu olup lamelli yapıya sahip bir mineraldir. 500°C’nin üstünde bile
sıcaklıktan dolayı yapısı bozulmaz. Yaygın olarak beyaz ve siyah mika kullanılmaktadır.
Malzemeye çok iyi yalıtkanlık kazandırır, inci parıltısı verir, yüksek dayanıklılık ve
sağlamlık kazandırır. Ancak homojen olarak karışma sorunu vardır. Mika, yalıtkanlık,
saydamlık ve ince levhalara ayrılma özelliklerinden dolayı plastik-boya ve kâğıt sanayinde,
elektronik, yapı malzemeleri üretiminde, lastik ve duvar kâğıdı imalatında ve sondajcılıkta
kullanılmaktadır [7-11].
168
Kalsit daha çok inaktiv dolgu olup düşük yüzey enerjisine sahiptir. Kalsit fiyatta ucuzluk
getirirken reçinenin diğer özelliklerinde olumsuz bir değişime neden olmaz. Bazı özel
dolgularda artış görülse de hala dolgulu plastiklerde %50 oranında kalsit tercih
edilmektedir.
Bu çalışmada % 15 oranında kestane talaşı içeren polimetilmetakralat reçinesine farklı
oranlarda cam kürecik, talk, mika, kalsit ve vollastonit ilavesiyle elde edilen kompozitin
mekanik özeliklerine etkisi incelenmiştir. Kompozitte inorganik dolgu miktarı arttıkça
çekme dayanımı ve kopma uzaması düşerken çekmede elastiklik modülü arttı, eğmede
kopma gerilmesi ve kopma uzaması azaldı. Darbe dayanımı ve sertlik değerleri ise
inorganik dolgunun türüne göre farklılıklar gösterdi.
2. Malzeme ve Metod
2.1 Malzemeler
Kompozit matris malzemesi için polimetilmetakralat (Ottobock, Türkiye) firmasından
temin edildi. Dolgu olarak kullanılan kestane talaşı yerel firmalardan; cam küre
(Spheriglass Grade 3000CP03/CP01, 2-26 mikron,) Potters Industries Ltd. firmasından,
vollastonit (Nyglos1 8, boyut oranı ~19/1, (~150/8 mikron), Nyco Minerals Ltd.
firmasından, talk (Omyatalc5-KP, 5 mikron), mika (Mikro MikaTM 105) ve kalsit
(Omyacarb2-KA, 2 mikron) Omya madencilik firmasından alındı.
2.2 Numunelerin Hazırlanması
Kompozitler dökme PMMA içerisine ağırlıkça % 15 oranında kestane talaşı ilave edilmiş,
sonra inorganik katkılar ağırlıkça (%) 2,5 – 5 – 7,5 – 10 oranlarında eklenmiştir.
Numuneler teflon kalıplara dökülerek cam küre, vollastonit, talk, mika ve kalsit ilave
edilmiş kestane talaşı katkılı PMMA kompozitler elde edilmiştir. Kalıptan çıkarılan
kompozit tabakalara ilk olarak kenar düzeltme işlemi uygulandı. Test numuneleri kompozit
tabakalardan ilgili standartlarda belirtilen ölçülere göre kesildi. Numuneler kesme sırasında
kenarlarında oluşan çapakların zımparalanmasıyla teste hazır hale getirildi.
2.3 Mekanik Deneyler
Hazırlanan numunelerin çekme deneyi ASTM D 3039, üç noktalı eğme deneyi ASTM 79002 standardına göre Zwick Z010 model üniversal çekme cihazında 5 mm/dakika hız ile
gerçekleştirildi. Çentikli numunelerin Izod darbe mukavemeti ise ASTM D 256 standardına
göre Zwick B5113.30 model darbe cihazında 5,4 J’lük çekiç kullanılarak test edildi.
3. Bulgular ve Değerlendirme
Bu çalışmada % 15 oranında kestane talaşı içeren polimetilmetakralat reçinesine farklı
oranlarda cam kürecik, talk, mika, kalsit ve vollastonit ilavesiyle elde edilen kompozitin
mekanik özeliklerine etkisi incelendi. İnorganik dolgu türüne göre kompozit numunelerin
mekanik özelliklerdeki değişimler tablolar halinde sunuldu.
Cam kürecik, talk, mika, kalsit ve vollastonit ilavesiyle elde edilen kestane talaşı katkılı
PMMA kompozitlerin çekme deneyi sonuçları tablo 1’de verildi. Tablo 1’de görüldüğü gibi
kestane talaşı katkılı PMMA’nın sertlik değeri 73 Shore D değerindedir. Kompozite cam
169
küre, talk ve mika ilavesiyle sertlik değeri doğru orantılı olarak yükselmiştir. % 10
Vollastonit ve % 10 kalsit ilavesiyle kompozitin sertlik değerleri en üst değere (77 Shore D)
ulaşmıştır.
Tablo 1 İnorganik dolgular ilave edilen PMMA hibrit kompozitlerin sertlik deneyi
sonuçları
Numune Adı
İnorganik Katkı % Shore D
PMMA 15 KES
PMMA 15 Kes
Cam Küre
PMMA 15 Kes
Vollastonit
PMMA 15 Kes
Talk
PMMA 15 Kes
Mika
PMMA 15 Kes
Kalsit (2KA)
-
73
2,5
73
5
75
7,5
75
10
76
2,5
73
5
74,5
7,5
76
10
77
2,5
70
5
73
7,5
74
10
74
2,5
71
5
72
7,5
74
10
75
2,5
75
5
76
7,5
77
10
77
Tablo 2’de inorganik dolgular ilave edilen PMMA hibrit kompozitlerin darbe deneyi
sonuçları verilmiştir. Kestane talaşı ilaveli PMMA kompozit en düşük değere sahipken (3,8
kJ/m2) cam küre ilavesiyle bu değer en yüksek değere (7,1 kJ/m2) ulaşmıştır. Diğer tüm
inorganik katkıların artışı ile darbe mukavemeti az da olsa artmıştır.
170
Tablo 2 İnorganik dolgular ilave edilen PMMA hibrit kompozitlerin darbe deneyi sonuçları
Numune Adı
İnorganik Katkı %
kJ/m2
PMMA 15 KES
PMMA 15 Kes
Cam Küre
PMMA 15 Kes
Vollastonit
PMMA 15 Kes
Talk
PMMA 15 Kes
Mika
PMMA 15 Kes
Kalsit (2KA)
-
3,8
2,5
4,8
5
4,9
7,5
5,7
10
7,1
2,5
3,8
5
4,8
7,5
4,9
10
5,1
2,5
4,1
5
5,5
7,5
5,8
10
5,8
2,5
4,2
5
4,8
7,5
5
10
5,2
2,5
4,9
5
5,2
7,5
5,3
10
5,3
Tablo 3’de inorganik dolgular ilave edilen hibrit kompozitlerin çekme deneyi sonuçları
verilmiştir. Kestane talaşı ilaveli PMMA kompozit çekme mukavemeti 19,01 MPa, modül
563 MPa ve % uzama değeri 2,11 olarak tespit edilmiştir. Kompozite ilave edilen bütün
inorganik katkılar çekme mukavemetini düşürmüş, katkı oranı arttıkça düşüş devam
etmiştir. En düşük çekme mukavemeti % 10 talk ilaveli hibrid kompozitte görülmüştür.
Aynı şekilde inorganik katkılar uzama değerlerini düşürmüştür. Modül değerlerinde ise
sadece mika takviyeli hibrid kompozitin modülü artmış olup % 10 mika ilaveli hibrid
kompozitte 575 MPa olarak tespit edilmiştir.
171
Tablo 3 İnorganik dolgular ilave edilen PMMA hibrit kompozitlerin çekme deneyi
sonuçları
Numune Adı
İnorganik
Katkı %
Çekme
Mukavemeti
(MPa)
Elastik
Modülü
(MPa)
%
Uzama
PMMA 15 KES
-
19,01
563
2,11
2,5
19,23
518
2,26
5
19,02
524
2,2
7,5
15,79
530
1,58
10
13,82
544
1,45
2,5
18,9
525
2,21
5
18,6
481
2,19
7,5
15,65
480
1,71
10
12,32
407
1,69
2,5
15,71
411
2,46
5
15,69
402
2,26
7,5
12,6
397
2,18
10
12,1
388
1,84
2,5
19,04
501
2,26
5
18,05
520
2,2
7,5
13,6
530
1,58
10
13,4
575
1,45
2,5
16,86
405
2,47
5
15,24
412
1,94
7,5
15
439
1,85
10
14,55
444
2,1
PMMA 15 Kes
Cam Küre
PMMA 15 Kes
Vollastonit
PMMA 15 Kes
Talk
PMMA 15 Kes
Mika
PMMA 15 Kes
Kalsit (2KA)
Tablo 4’de inorganik dolgular ilave edilen hibrit kompozitlerin üç noktalı eğme deneyi
sonuçları verilmiştir. Kestane talaşı ilaveli PMMA kompozit eğilme mukavemeti 30 MPa,
eğilme elastik modülü 2600 MPa ve maksimum gerilmedeki % eğilme değeri 1,23 olarak
tespit edilmiştir. Kompozite ilave edilen cam küre eğilme mukavemetini bir miktar artırmış,
diğer inorganik katkılar kompozitin eğilme mukavemetinde kayda değer bir artış veya
düşüş göstermemiştir. Kompozitin eğilme elastik modülünde talk, mika ve kalsit ilavesiyle
bir miktar artış olmuş, en yüksek artış ise 3215 MPa ile % 10 talk ilaveli hibrid kompozitte
olmuştur. Tüm inorganik katkılar maksimum gerilmedeki % eğilme değerlerini ise
düşürmüş, en düşük değer ise yine % 10 talk ilaveli hibrid kompozitte gözlenmiştir.
172
Tablo 4 İnorganik dolgular ilave edilen PMMA hibrit kompozitlerin üç nokta eğme deneyi
sonuçları
Eğilme
Eğilme
Max.
İnorganik
Elastiklik
Numune Adı
Mukavemeti
Gerilmedeki
Katkı, %
Modülü
(MPa)
% Eğilme
(MPa)
PMMA 15 KES
PMMA 15 Kes
Cam Küre
PMMA 15 Kes
Vollastonit
PMMA 15 Kes
Talk
PMMA 15 Kes
Mika
PMMA 15 Kes
Kalsit (2KA)
-
30
2600
1,23
2,5
33
2401
1,47
5
35
2459
1,36
7,5
36
2504
1,41
10
37
2515
1,30
2,5
35
2828
1,39
5
33
2657
1,31
7,5
27
2409
1,23
10
25
1999
1,13
2,5
24
1861
1,51
5
26
1919
1,29
7,5
28
2713
1,11
10
29
3215
1,04
2,5
35
2119
1,54
5
33
2296
1,49
7,5
25
2301
1,34
10
24
2809
1,19
2,5
25
1916
1,45
5
27
2309
1,4
7,5
29
2501
1,16
10
33
2760
1,05
Bu çalışmada PMMA ya % 15 oranında kestane talaşı ilave edilmiş, sonrasında farklı
inorganik katklılar farklı oranlarda takviye edilerek elde edilen hibrid kompozitin mekanik
özellikleri incelenmiştir.
Kompozite cam küre, talk ve mika ilavesiyle sertlik değeri doğru orantılı olarak yükselmiş
olup % 10 vollastonit ve % 10 kalsit ilavesiyle kompozitin sertlik değerleri en üst değere
(77 Shore D) ulaşmıştır. Kestane talaşı ilaveli PMMA kompozit en düşük darbe
mukavemetine sahipken (3,8 kJ/m2) cam küre ilavesiyle bu değer en yüksek değere (7,1
kJ/m2) ulaşmıştır. Diğer tüm inorganik katkıların artışı ile darbe mukavemeti az da olsa
artmıştır. Kompozite ilave edilen bütün inorganik katkılar çekme mukavemetini düşürmüş,
katkı oranı arttıkça düşüş devam etmiştir. En düşük çekme mukavemeti % 10 talk ilaveli
hibrid kompozitte görülmüştür. Aynı şekilde inorganik katkılar uzama değerlerini
düşürmüştür. Modül değerlerinde ise sadece mika takviyeli hibrid kompozitin modülü
173
artmış olup % 10 mika ilaveli hibrid kompozitte 575 MPa olarak tespit edilmiştir.
Kompozite ilave edilen cam küre eğilme mukavemetini bir miktar artırmış, diğer inorganik
katkılar kompozitin eğilme mukavemetinde kayda değer bir artış veya düşüş
göstermemiştir. Kompozitin eğilme elastik modülünde talk, mika ve kalsit ilavesiyle bir
miktar artış olmuş, en yüksek artış ise 3215 MPa ile % 10 talk ilaveli hibrid kompozitte
olmuştur. Tüm inorganik katkılar maksimum gerilmedeki % eğilme değerlerini ise
düşürmüş, en düşük değer ise yine % 10 talk ilaveli hibrid kompozitte gözlenmiştir.
Kaynaklar
[1] Unal, H “Performance of polyamide-6/wollastonite/kaolin hybrid composites” Science
and Engineering of Composite Materials, Vol. 10, pp. 407-414
[2] Unal, H; Findik, F; Mimaroglu, A “Mechanical behavior of nylon composites
containing talc and kaolin” Journal of Applied Polymer Science, Vol. 88, pp. 1694-1697
[3] Aricasoy, O., “Kompozit Sektör Raporu”, İstanbul Ticaret Odası, 2006
Gächter, R – Müller, H, Plastics Additives 2nd Edition, Hanser Publishers, Munich, 1987
[4] Rosato, Donald – Rosato, Dominick, Reinforced Plastics Handbook 3rd Edition,
Elsevier Science & Technology Books, 2004
[5] http://www.etimaden.gov.tr/tr/madensozluk/V.htm
[6] www.mta.gov.tr/mineraller/vollastonit.asp
[7] Akçakale, N, NR/SBR Tipi Elastomer Esaslı Ayakkabı Taban Malzemelerinin
Mekaniksel Özelliklerine Bazı Dolgu Maddelerinin Etkilerinin İncelenmesi, Sakarya
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Sakarya, 2008
[8] Vahapoğlu, V, Kauçuk Türü Malzemelerin Malzeme Sabitlerinin Eş-İki Eksenli Çekme
Deneyi İle Belirlenmesi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek
Lisans Tezi, Trabzon, 1998
[9] Plastiklerde Kullanılan Dolgu ve Takviye Malzemeleri, Plastik ve Ambalaj Teknolojisi
Dergisi, Eylül 1996
[10] Demirer A, Soyel D, Plastiklere Katılan Mukavemet Arttırıcı Katkı Maddeleri, Plastik
ve Ambalaj Tek. Dergisi Sayı: 126, Sf. 130-136, Haz. 2007
[11] http://www.metalurji.org.tr, Nisan, 2008.
174
KARBON/CAM VE KEVLAR KUMAŞLARLA
TAKVİYELENDİRİLMİŞ EPOKSİ HİBRİT
KOMPOZİTLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN
İNCELENMESİ
İlyas Kartala ve Halil Demirerb
a
b
Özet
Bu çalışmanın amacı hibridize edilmiş kumaş takviyelerin epoksi kompozitlerin mekanik
özellikleri üzerindeki etkisinin incelenmesidir. Bu amaçla karbon/cam/Kevlar kumaşlar
epoksi matrisi takviye etmek üzere hibridize edildi. Kompozit numuneler vakum infüzyon
yöntemi kullanılarak elde edildi. Sadece karbon, cam veya Kevlar kumaş ile takviye
edilmiş kompozitler referans kompozitler olarak hazırlandı. Kompozit numuneler üzerinde
çekme ve darbe testleri gerçekleştirildi. Kompozit numunelerin kırık yüzeyleri taramalı
elektron mikroskopisi (SEM) yoluyla incelendi. Sadece karbon kumaş takviyeli kompozit
en yüksek çekme mukavemeti sergilerken hibrid kumaş takviyeli kompozit karbon takviyeli
kompozitten daha düşük çekme mukavemeti sergiledi. Sadece Kevlar kumaş takviyeli
kompozit en yüksek darbe dayanımı sergilerken sadece cam kumaş takviyeli kompozit en
düşük darbe dayanımı sergiledi. Hibrid kumaş takviyeli kompozitler Kevlar kumaş
takviyeli kompozitlere göre daha düşük bir darbe dayanımıyla sonuçlandı.
Anahtar kelimeler: Epoksi, Hibrit Kompozit, Mekanik Özellikler
OF EPOXY HYBRID COMPOSITES REINFORCED
WITH CARBON/GLASS AND KEVLAR FABRICS
Abstract
The aim of this study is to investigate the effect of hybridization of fabric reinforcements on
mechanical properties epoxy composites. With this aim carbon/glass/Kevlar fabrics were
hybridized to reinforce epoxy matrix. Composite specimens were obtained by using
vacuum infusion method. Composites reinforced with only carbon, glass or Kevlar fabrics
were prepared as reference composites. Tensile and impact tests were conducted on
composite specimens. The surfaces of composite specimens were examined by scanning
electron microscopy (SEM). Only carbon fabric reinforced epoxy composite exhibited the
highest tensile strength whereas the tensile strength of hybridised fabric reinforced epoxy
composite was lower than that of only carbon reinforced epoxy composite. Only Kevlar
fabric reinforced epoxy composite exhibited the highest impact strength whereas the impact
strength of only glass fabric reinforced epoxy composite was the lowest. Impact strength of
hybridised fabric reinforced epoxy composites were lower than that of only Kevlar
reinforced composites.
Keywords: Epoxy, hybride composite, mechanical properties
175
1. Giriş
Teknolojinin hızla ilerlemesi sonucu, daha mukavemetli, daha hafif ve daha sert
malzemelere olan ihtiyaç, gün geçtikçe artmıştır. Bu sebeple 20. yüzyılın ikinci yarısında
bu tip malzemelerin elde edilmesi için yapılan çalışmalar hızlanmış ve farklı özelliklerdeki
malzemelerin bir araya getirilmesiyle oluşan kompozit malzemeler ortaya çıkmıştır.
Kompozit malzemeler alışılageldik malzemelere göre sahip oldukları üstün özellikler
nedeniyle günlük basit uygulamalardan havacılık uygulamalarına kadar birçok alanda
yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Takviye malzemelerinin çeşitliliği polimer esaslı
kompozit malzemelere büyük avantajlar sağlamaktadır. Bu avantajları bünyesinde
barındıran hibrid kompozitler farklı fiziksel/mekanik ve/veya diğer özelliklere sahip iki ya
da daha fazla farklı türdeki takviye malzemesinden oluşmaktadır[1-3].
Polimer esaslı kompozitler başta uzay ve havacılık olmak üzere, tıp, otomotiv, tekstil,
inşaat, yapı ve gelişen diğer teknolojilerde her geçen gün daha yoğun olarak
kullanılmaktadır. Bu gelişmelere paralel olarak hem daha güçlü ve sağlam elyaflar, hem de
daha yüksek ısı dayanımlı, çatlak oluşturmayan, darbe dayanımı yüksek ve sert polimer
matrisler üzerinde çalışmalar dünyada ve ülkemizde devam etmektedir [4-5].
Epoksiler; kimyasallara karşı dirençleri, dayanıklılıkları, esnek oluşları ve iyi yapışma
özellikleri nedeniyle yüzey kaplamalarında geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Epoksiler
kompozitler için de iyi bir matris malzemesidir. Epoksilerin % 80’i kaplama, laminant
hazırlama ve kompozit yapımında tüketilir. Epoksiler, çapraz bağlanma sırasında uçucu
madde oluşturmaması, çapraz bağlanma sonrası çekme ve büzülme oranının düşüklüğü (%
1-5), kolay işlenmeleri, ucuzlukları ve lifleri iyi ıslatmaları nedeniyle kompozitlerde matris
amaçlı kullanıma yatkındırlar, ancak kırılgandırlar ve su absorbsiyonları yüksektir.
Absorblanan su, takviye edici-polimer etkileşimlerini zayıflatır. Fiberlerle takviye edilen
epoksinin mekanik dayanımı, kimyasal direnci, elektrik yalıtımı ve atmosfer koşullarına
dayanımı doymamış polyesterlerden daha iyidir. Ancak fiyatları yüksektir ve pişirme
zamanları uzundur. Pişirme zamanını azaltmak amacıyla hızlandırıcılar kullanılarak çapraz
bağlanma tepkimeleri hızlandırılır. Kullanım sıcaklıkları 150 oC’ ye kadar çıkar [6-7].
Polimer matrisli bir kompozit yapımında cam elyaf, karbon elyaf ve aramid elyaf gibi
takviye malzemeleri ile beraber epoksi, polyester ve vinilester gibi matris malzemeleri
sıklıkla tercih edilir. Bu kompozit malzemeler yüksek dayanım, hafiflik, rijitlik ve
özelliklede iyi korozyon direnci sağlamalarından dolayı metal malzemelere oranla birçok
kullanımda tercih edilmektedirler [8].
Cam elyaflar yüksek çekme mukavemeti, düşük fiyatlı, kimyasal malzemelere karşı direnç,
elektriği iletmemeleri ve ısıl dirençlerinin düşük olması gibi avantajlara sahiptir. Bununla
beraber düşük çekme elastisite modülüne ve düşük yorulma direncine sahip olmaları gibi
dezavantajları da vardır [8-9].
Karbon elyaflar ağırlığına göre yüksek çekme ve basma mukavemeti, kırılmada yüksek
çekme şekil değiştirmesi, yüksek aşınma ve yorulma mukavemetleri, düşük ısıl genleşme
katsayısı ve sürünme mukavemetlerinin yüksek olması gibi avantajlarının yanı sıra yüksek
maliyet, yüksek elektrik iletkenliği, gevrek yapılarından dolayı düşük tokluk ve düşük
darbe direnci gibi dezavantajları vardır [5].
176
Kevlar elyaflar ise, yüksek çekme mukavemeti, düşük ağırlıklı, yüksek darbe direnci, fiber
doğrultusunda düşük ısıl genleşme katsayısı, yüksek tokluk ve esnek bir yapıya sahip
olmaları gibi avantajları ile beraber düşük basma mukavemetine sahip olması ve zor
kesilmeleri gibi dezavantajları söz konusudur [5].
Bu elyaflar gibi iki veya daha fazla farklı elyafın bir matris ile bir araya getirilerek, daha iyi
özelliklere sahip bir kompozitin elde edilmesiyle hibrit kompozitler yapılır. Böylece yeni ve
farklı tip kompozitler elde edilebilir. Hibrit kompozitler yüksek mukavemet, düşük ağırlık,
iyi hasar toleransı ve iyi bir darbe direnci, iyi bir yorulma ömrü ve iyi bir korozyon direnci
gibi özellikleri sebebiyle özellikle havacılık, otomotiv ve savunma sanayinde yaygın bir
kullanıma sahiptir [9].
Hibrit kompozit malzemeler üzerine mekanik özellikleri birçok araştırma yapılmış,
günümüzde de bu çalışmalar devam etmektedir. Bu çalışmada epoksi matrise ilave edilen
hibrit kumaş takviyelerin mekanik özellikler üzerindeki etkisi incelenmiştir.
2. Malzeme ve Metod
2.1 Malzemeler
Kompozit matris malzemesi için epoksi reçinesi (Biresin CR122) ile sertleştiricisi (Biresin
CH122-3) Sika firmasından temin edildi. Takviyelendirici olarak kullanılan karbon
(CWUD300), Kevlar (400 g/m2) ve cam (300 g/m2) kumaşlar Metyx firmasından alındı.
Karbon kumaş 300g/m2 olup +90/-90 yönlerinde dikişli olarak örülüdür.
2.2 Numunelerin Hazırlanması
Kompozitler vakum infüzyon yöntemi ile üretilmiştir. Kompozitlerin üretimi için
alüminyumdan iki parçalı kalıp hazırlandı. Vakum torbası içine ağırlıkça % 70 oranlarında
elyaflar yerleştirildi. Vakum açılarak torbanın içindeki bütün bölgelerin reçine ile ıslanması
sağlandı. Daha sonra vakuma alınmış kompozitler 30 oC sıcaklıkta 18 saat ön kürleme, 70
o
C sıcaklıkta ise 18 saat son kürleme işlemine tabi tutuldu. Kalıptan çıkarılan kompozit
tabakalara ilk olarak kenar düzeltme işlemi uygulandı. Test numuneleri kompozit
tabakalardan ilgili standartlarda belirtilen ölçülere göre elyaf yönünde kesilerek elde edildi.
Numuneler kesme sırasında kenarlarında oluşan çapakların zımparalanmasıyla teste hazır
hale getirildi. Kompozit matrisi reçinesinde reçine ile sertleştiricisi 100/30 karışım oranına
sahip olup kompozit içinde ağırlıkça reçine oranı (%30) sabit tutulmuştur.
Karbon/cam/Kevlar kumaşlar epoksi matris içerisinde hibridize edilerek üretimi
gerçekleştirildi. Referans kompozitler olarak sadece karbon, cam veya Kevlar kumaş ile
takviye edilmiş kompozitler hazırlandı. Kompozit numunelerin vakum infüzyon prosesi
görüntüsü fotoğraf olarak Şekil 1’de verilmiştir.
2.3 Mekanik Deneyler
Hazırlanan numunelerin çekme deneyi ASTM D 3039 standardına göre Zwick Z010 model
üniversal çekme cihazında 5 mm/dakika hız ile gerçekleştirildi. Çentiksiz numunelerin Izod
darbe mukavemeti ise ASTM D 256 standardına göre Zwick B5113.30 model darbe
cihazında 5,4 J’lük çekiç kullanılarak test edildi.
177
Şekil 1. Vakum infüzyon prosesinin fotoğraf görüntüsü
3. Bulgular ve Değerlendirme
Bu çalışmada tek yönlü olarak standartlara göre hazırlanan karbon/cam/Kevlar kumaşlarla
takviyelendirilmiş epoksi matrisli hibrid kompozit numunelerin mekanik özellikleri
incelendi. Kumaş türüne göre kompozit numunelerde mekanik özelliklerdeki değişimler ile
hibrid kompozitlerdeki değişimler tablolar halinde sunuldu.
Karbon/cam ve kevlar kumaşlarla takviyelendirilmiş epoksi hibrit kompozitlerin çekme
deneyi sonuçları Tablo 1’de verildi. Tablo 1’de görüldüğü gibi en yüksek çekme
mukavemetine sahip olan kompozit Kevlar takviyeli olan olup aynı zamanda en yük uzama
göstermiştir. Karbon kumaş takviyeli kompozit ise Kevlara göre daha az çekme
mukavemeti ve uzama göstermiştir. Cam takviyeli kompozit ise en az mukavemet ve uzama
göstermiştir. Hibrid kompozitler ise beklenildiği gibi hibrid yapılara göre mukavemet ve
uzama özellikleri sergilemiştir.
Tablo 1 Karbon/cam ve kevlar kumaşlarla takviyelendirilmiş epoksi hibrit kompozitlerin
çekme deneyi sonuçları
Çekme
%
Takviye Adı
Mukavemeti
uzama
(MPa)
Karbon
437
6,0
Kevlar
451
8,2
Cam
419
3,1
Kevlar+Cam
437
5,3
Karbon+Cam
433
5,1
Karbon+Kevlar
440
6,9
Karbon+Kevlar+Cam
441
5,6
178
Tablo 2’de karbon/cam ve kevlar kumaşlarla takviyelendirilmiş epoksi hibrit kompozitlerin
darbe deneyi sonuçları verilmiştir. Beklenildiği gibi en yüksek darbe mukavemet değeri
(248 kJ/m2) Kevlar kumaş takviyeli kompozit, en düşük darbe mukavemeti değeri (113
kJ/m2) ise cam kumaş takviyeli kompozit numuneye ait olduğu tespit edilmiştir. Hibrid
kompozitler ise beklenildiği gibi hibrid yapılara göre darbe mukavemet özellikleri
sergilemiştir.
Tablo 2 Karbon/cam ve kevlar kumaşlarla takviyelendirilmiş epoksi hibrit kompozitlerin
darbe deneyi sonuçları
Darbe Mukavemeti
Takviye Adı
(kJ/m2)
Karbon
138
Kevlar
248
Cam
113
Kevlar+Cam
228
Karbon+Cam
136
Karbon+Kevlar
207
Karbon+Kevlar+Cam
239
Şekil 2’de epoksi hibrit kompozitlerin SEM görüntüleri verilmiştir. Şekil 2(a)’da
Karbon/Cam/Kevlar takviyeli kompozitin, Şekil 2 b)’de ise Karbon/cam takviyeli kompozit
kırık yüzey görüntüsü görülmektedir.
(a)
179
(b)
Şekil 2. Epoksi hibrit kompozitlerin SEM görüntüleri (a) Karbon/Cam/Kevlar takviyeli
kompozit (b) Karbon/cam takviyeli kompozit
Bu çalışmada epoksi matrise ilave edilen hibrit kumaş takviyelerin mekanik özellikler
üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sadece Kevlar kumaş takviyeli kompozit en yüksek çekme
mukavemeti sergilerken hibrid kumaş takviyeli kompozit karbon takviyeli kompozitten
daha düşük çekme mukavemeti sergiledi. Kevlar kumaş takviyeli kompozit en yüksek
darbe dayanımı sergilerken cam kumaş takviyeli kompozit en düşük darbe dayanımı
sergiledi. Hibrid kumaş takviyeli kompozitler Kevlar kumaş takviyeli kompozitlere göre
daha düşük bir darbe dayanımı sergilediği görüldü.
Kaynaklar
[1] Pierre Delhaès, Fibers And Composites, Taylor & Francis Inc, London, 2003
[2] James F. Shackelford, W. Alexander, Materials Science and Engineering Handbook,
CRC Press LLC., New York, 2001
[3] Deborah D. L. Chung, Carbon Fiber Composites, Butterworth-Heinemann, 1994
[4] Güneri Akovali, Handbook of Composite Fabrication, Rapra Technology Ltd., Ankara,
2001
[5] Mallik P.K., Fiber Reinforced Composites: Materials, Manufacturing and Design,
Marcel Dekker, New York, 1990
[6] Dorel Feldman, Alla Barbalata, Synthetic Polymers, Chapman & Hall, 1995
[7] İlyas Kartal, Yalçın Boztoprak, Mustafa Çakır, Cam Kürecik Takviyeli Polyester
Kompozit Malzemenin Kırılma Morfolojisinin İncelenmesi, 18. Ulusal Elektron
Mikroskopi Kongresi, Eskişehir, 2007
[8] Sanjay K. Mazumdar, Composites Manufacturing Materials, Product, and Process
Engineering, Crc Press Llc, Florida, 2002
[9] Suong V. Hoa, Principles of The Manufacturing of Composite Materials, Destech
Publications, 2009, Pennsylvania
180
YALIN VE KARBON SİYAHI KATKILI
POLİPROPİLEN VE POLYAMİD MALZEMELERİN
MATKAPLA DELİNMESİNDE TAKIM AŞINMASI
Alper Uysala ve Erhan Altanb
a
Yıldız Teknik Üniversitesi Makine Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü,
b
Yıldız Teknik Üniversitesi Makine Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü,
İstanbul/TÜRKİYE , [email protected]
Özet
Polimer malzemeler havacılık, otomotiv, elektrik-elektronik vb. birçok sanayi alanında
kullanılmakta ve bu malzemelere duyulan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Polimer
malzemelerin kullanıldığı her sektörün bu malzemelerden talep ettiği teknik özellikler
değişiklik göstermektedir. Günümüzde, polimer malzemelerin sahip olduğu özelliklerinin
yanında elektrik iletkenliğinin de beklendiği uygulamalar artmaktadır. Bu sebeple, karbon
siyahı, karbon fiber, grafit, grafen, metal ve metal oksitler, karbon nano tüp gibi elektrik
iletkenliği yüksek malzemelerin katılmasıyla elde edilen polimer kompozit malzemeler bu
uygulamalarda kullanılabilmektedir. Bu malzemeler plastik enjeksiyon, kalıpta
şekillendirme gibi yöntemler ile üretilebilseler de montaj işlemleri için talaşlı
şekillendirmeleri özellikle de matkapla delinmeleri gerekmektedir. Kompozit malzemelerin
matkapla delinmesine yönelik çeşitli çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Ancak parçacık
takviyeli ve elektriği ileten polimer kompozit malzemelerin matkapla delinmesinin
incelenmesi konusunda literatürde bazı eksiklikliklerin bulunduğu görülmektedir. Bu
çalışmada, yalın ve karbon siyahı takviyeli polipropilen ve polyamid malzemeler, farklı
kesme hızı ve farklı uç açılı matkaplarla delinmiş ve takım aşınmaları incelenmiştir.
Minimum takım aşınması küçük uç açılı matkap ile elde edilmiş ve kesme hızının
arttırılması takım aşınmasının artmasına neden olmuştur. Ayrıca, karbon siyahı katkılı
polimer malzemelerin matkapla delinmesi sırasında oluşan takım aşınma değerlerinin yalın
polimer malzemelerin delinmesi sırasında oluşan aşınma değerlerinden daha yüksek olduğu
gözlemlenmiştir.
Anahtar kelimeler: karbon siyahı; polipropilen; polyamid; matkapla delik delme; takım
aşınması; matkap uç açısı
TOOL WEAR IN DRILLING OF PURE AND CARBON
BLACK REINFORCED POLYPROPYLENE AND
POLYAMIDE MATERIALS
Abstract
Polymer materials have been used in many industrial areas such as aviation, automotive and
electric-electronic and the demand for these materials has increased day by day. Technical
specifications demanded from the polymer materials vary according to each industrial
sector using these materials. Nowadays, the usages of polymer materials increase in
applications that demand the electrical conductivity besides their own properties. Therefore,
polymer composite materials which are obtained by reinforcing high electrically conductive
materials such as carbon black, carbon fiber, graphite, graphene, metals and metal oxides,
181
carbon nanotubes can be employed in these applications. Although these composite
materials can be produced by such methods as injection molding and shaping in molds, the
machining methods of them especially drilling are required for the assembly operations.
Various studies aimed at drilling of composite materials were performed. However, it can
be seen that there is a lack in literature about the examination of drilling of the particle
reinforced and electrically conductive polymer composite materials. In this study, pure and
carbon black reinforced polypropylene and polyamide materials were drilled at different
cutting speed with drill tools having different drill point angles and tool wears were
investigated. The minimum tool wear was obtained in the drilling with small drill point
angles and increasing the cutting speed caused an increment in the tool wear. In addition, it
was observed that the tool wear values occurring during drilling of carbon black reinforced
polymer materials were higher than that during drilling of pure polymer materials.
Keywords: carbon black; polypropylene; polyamide; drilling; tool wear; drill tool angle
1. Giriş
Birçok farklı polimer malzeme endüstride kullanılmakta ve tüketilen polimer hacmi çelik
malzeme hacminden daha fazla olmaktadır. Polimer malzemelerin bu kadar fazla
kullanılmasının nedenleri arasında korozyona dayanıklı olmaları, hafif olmaları,
ağırlıklarına oranla yüksek dayanımlı olmaları, kolay ve hızlı şekillendirilebilmeleri,
maliyet avantajları, tasarım aşamasında serbestlik tanımaları, montaj zamanlarını
azaltmaları gibi özelliklere sahip olmaları gelmektedir. Tüm bu özelliklerinden dolayı
otomotiv, havacılık, uzay sanayi, ambalaj, ev aletleri, elektrik ve elektronik cihazlar vb.
kullanım alanlarına sahiptirler [1-3]. Polimer malzemeler, düşük elektrik iletkenliğine
sahiptirler ancak polimer malzemelerin kullanılmasına ihtiyaç duyulan birçok uygulamada
elektrik iletkenliğine de ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeple; karbon siyahı, karbon fiber,
grafit, grafen, metal ve metal oksitler, karbon nano tüp gibi elektrik iletkenliği yüksek
malzemelerin polimer malzemeler katılmasıyla kompozit malzemeler geliştirilmiştir.
Ayrıca, polimer kompozit malzemelerin elektrik iletkenliklerinin, katkı malzemelerinin
miktarı ve elektriksel iletkenliklerine göre değiştiği bilinmektedir [3-8]. Elektronik, uzay ve
havacılık sanayisinde tercih edilen elektriği ileten polimer kompozit malzemelerin kullanım
alanı gün geçtikçe artmaktadır. Örneğin; elektriği ileten polipropilen (PP), elektriksel
kıvılcımlardan kaynaklanan patlama risklerinden korunmak amacıyla yakıt tanklarında
kullanılmaktadır [3]. Karbon siyahının polimer malzemelerde elektrik iletkenliğini arttırdığı
ve karbon siyahı katkılı elektriği ileten polimer kompozit malzemelerin maliyet açısından
avantajlı olduğu bilinmektedir [7-9]. Saad vd. [10] karbon siyahı katkılı polivinilklorür
(PVC) polimer kompozit malzemenin elektrik iletkenliğini ve mekanik özelliklerini
araştırmışlar ve elektronik bileşenler için iyi elektrik iletkenliğine sahip numuneler
geliştirmişlerdir.
Polimer malzemeler, genellikle plastik enjeksiyon, ekstrüzyon vb. kalıpta şekillendirme
yöntemleri kullanılarak üretilebilseler de, talaşlı şekillendirmeye ihtiyaç duyulan karmaşık
ve hassas uygulamalar ile de karşılaşılabilmektedir. Polimer malzemelerin talaşlı
şekillendirmede gösterdikleri davranış; takım malzemesi, talaş açısı, kesici ağız yuvarlatma
yarıçapı, kesme derinliği, ilerleme ve kesme hızı gibi işlem parametrelerinden
etkilenmektedir. Ayrıca, farklı polimer malzemelerin mekanik özellikleri farklılık
gösterdiğinden talaş formları ve işlenmiş yüzey kaliteleri de talaş kaldırma parametreleri ile
değişmektedir. Metal malzemelerin talaşlı şekillendirilmesi sırasında oluşan ısının çoğu
talaş ile uzaklaştırılırken ve kesici takıma iletilirken, polimer malzemelerin talaşlı
şekillendirilmesinde ise düşük ısıl iletkenliklerinden dolayı birinci deformasyon bölgesinde
182
oluşan ısı çabucak kesici takıma iletilemez ve sadece ince arayüz katmanındaki ısı, ısının
iletimle uzaklaştırılmasında önemli rol oynar. Isıl iletkenliklerinin düşük olmasından dolayı
polimer malzemelerin işlenmiş yüzeylerinde sürtünmeden kaynaklanan yerleşik ısı aşırı
ısınmaya, termoset polimerlerde işlenmiş yüzeyinin yanmasına veya termoplastik
polimerlerde kesici takıma yapışmasına neden olabilmektedir. [11]. Rubio vd. [12] farklı
mühendislik plastiklerinin (ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen, polioksimetilen,
politetrafluoroetilen) matkapla delinmesinde kesme parametrelerinin etkilerini
araştırmışlardır. Kesme hızının küçük seçilmesinin yüzey pürüzlülüğünü azalttığını
belirtmişlerdir. Ayrıca, matkapla delinmesi işleminde, ilerleme ve matkap uç açısı arasında
bir ilişki olduğunu ve küçük ilerleme-büyük uç açısı ve büyük ilerleme-küçük uç açısı
eşleşmelerinde daha az yüzey pürüzlülüğü değerlerinin elde edildiğini belirtmişlerdir.
Parçacık ve fiber katkılı polimer kompozit malzemelerin talaşlı şekillendirilmesine yönelik
de çeşitli çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Rubio vd. [13] cam whisker katkılı polyamid
kompozit malzemelerin matkapla delinmesinde ilerleme hızı, kesme hızı ve kesici takım
geometrisinin yüzey pürüzlülüğüne etkilerini araştırmışlardır. Küçük ilerleme kuvvetinin
yüzey pürüzlülüğünü azalttığını ve yüzey pürüzlülüğünün matkapla delik delme
parametrelerinden etkilendiğini belirtmişlerdir. Gaitonde vd. [14] yalın ve %30 cam fiber
katkılı polyamid malzemelerin matkapla delinmesinde kesme hızı ve ilerleme hızının yüzey
pürüzlülüğüne etkilerini incelemişlerdir. Yüzey pürüzlülüğünün ilerleme hızının artmasıyla
azaldığını ve yüksek hızlarda matris malzemesinin yumuşamasından dolayı yüzey
pürüzlülüğünün ilerleme hızına karşı daha az duyarlı olduğunu belirtmişlerdir. Uysal vd.
[15] cam fiber katkılı polimer kompozit malzemenin matkapla delinmesinde kesme hızı,
ilerleme ve matkap uç açısının takım aşınmasına etkilerini incelemişlerdir. Araştırmacılar,
takım aşınması üzerine en etkin parametrenin ilerleme olduğunu ve seçilen şartlarda kesme
hızının en az etkin parametre olduğunu belirtilmişlerdir.
Bu çalışmada, literatürde eksikliği görülen parçacık katkılı polimer kompozit malzemelerin
talaşlı şekillendirilmesinin incelenmesi amacıyla yalın ve karbon siyahı katkılı polipropilen
ve polyamid malzemelerin matkapla delinmesinde kesme hızının ve matkap uç açısının
takım aşınması üzerine etkileri incelenmektedir. Ayrıca, karbon siyahı katkısının da takım
aşınması üzerine etkileri araştırılmıştır.
Bu çalışmada, Capilene® marka yalın polipropilen (PP), Premix PRE-ELEC® PP 1399
marka karbon siyahı katkılı polipropilen (KS-PP), Eurotec® marka yalın polyamid (PA) ve
Premix PRE-ELEC® PA 1411 marka karbon siyahı katkılı polyamid (KS-PA) malzemeler,
First marka MCV-300 model CNC işleme merkezi kullanılarak Şekil 1’de görüldüğü gibi
kuru şartlarda delinmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılan polimer malzemelerin
özellikleri Tablo 1’de verilmektedir.
Tablo 1 Yalın ve karbon siyahı takviyeli polipropilen ve polyamid malzemelerin özellikleri
Özellik
Yalın PP KS-PP
Yalın PA
KS-PA
Özgül ağırlık [gr/cm3]
0,92
0,98
1,14
1,25
Akma dayanımı [MPa]
22
26
76
70
Elastisite modülü [MPa]
1100
1400
3250
3100
Kopma uzaması [%]
>50
30
≥50
12
Akma uzaması [%]
10
10
12
8
Hacimsel özdirenç [Ωcm] >1013
103-107
≥1014
<50
Yüzey direnci [Ω]
>1013
105-108
>1013
<104
183
Şekil 1. Polimer malzemelerin CNC işleme merkezinde matkapla delinmesi
Yalın ve karbon siyahı takviyeli polipropilen ve polyamid deney numuneleri, plastik
enjeksiyon makinesinde 150x150x10 mm boyutlarında üretilmiştir. Üretim işleminden önce
polimer malzemelere ait granüller 2 saat süreyle 60°C’de kurutulmuştur. Matkap delik
delme işlemlerinde, Şekil 2’de verilen 80°, 120° ve 80°-120° çift uç açılı 8 mm çapında
HSS (yüksek hız çeliği) matkap uçları kullanılmıştır. Deneylerde, kesme hızı 40 ve 120
m/dak ve ilerleme ise 0.1 mm/dev olarak seçilmiş ve yalın ve karbon siyahı katkılı
polipropilen ve polyamid malzemelere toplam 100’er adet delik delinmiştir. Matkap ucu
aşınma ölçümleri her 50 adet delik delinmesi sonrası SOIF marka XJP-6A model trinoküler
metal mikroskop ve MShot yazılımı aracılığıyla ölçülmüştür.
Şekil 2. Matkap uçları, a) 80°, b) 80°-120°, c) 120°
3. Deneysel Sonuçlar ve Tartışma
Yalın ve karbon siyahı katkılı polimer malzemelerin matkapla delinmesinde takım
aşınmasının kesme hızı ile değişimi Şekil 3 ve Şekil 4’de verilen grafiklerde görülmektedir.
Kesme hızının arttırılması ile oluşan sürtünmeden hem yalın hem de karbon siyahı katkılı
polipropilen ve polyamid malzemelerin matkapla delinmesi sonucu oluşan takım
aşınmalarını arttırmaktadır.
184
Şekil 3. Polipropilen (PP) ve karbon siyahı katkılı polipropilen (KS-PP) malzemelerin
matkapla delinmesinde takım aşınmasının kesme hızı ile değişimi (80° uç açılı matkap),
a) 50 delik ve b) 100 delik
Şekil 4. Polyamid (PA) ve karbon siyahı katkılı polyamid (KS-PA) malzemelerin matkapla
delinmesinde takım aşınmasının kesme hızı ile değişimi (80°-120° çift uç açılı matkap),
a) 50 delik ve b) 100 delik
Polimer malzemelerin ısıl iletkenlikleri oldukça düşüktür ve talaş kaldırma esnasında
oluşan ısı iletilemediğinden malzeme yüzeyinde birikir. Ancak, karbon siyahı katkısı,
polimer malzemelerin ısıl iletkenliklerinin artmasını sağlar ve böylece işlem sırasında
oluşan ısı malzeme boyunca iletilebilmektedir. Yalın polimer malzemelerin matkapla
delinmesi sırasında matkap ucu ısıdan etkilenen ve daha yumuşak hale gelmiş malzemeye
delik delmekte iken karbon siyahı katkılı polimer malzemeler de ise matkap ucu ısıdan daha
az etkilenen malzemeye delik delmektedir. Bu sebeple, karbon siyahı katkılı polimer
malzemelerin matkapla delinmesi sırasında delinen aynı delik sayısına karşılık yalın
polimer malzemelerin delinmesine göre daha fazla aşınma gözlemlenmiştir (Şekil 3-Şekil
6).
Şekil 5. Polipropilen (PP) ve karbon siyahı katkılı polipropilen (KS-PP) malzemelerin
matkapla delinmesinde takım aşınmasının matkap uç açısı ile değişimi
(40 m/dak kesme hızı) a) PP ve b) KS-PP
185
Şekil 6. Polyamid (PA) ve karbon siyahı katkılı polyamid (KS-PA) malzemelerin matkapla
delinmesinde takım aşınmasının matkap uç açısı ile değişimi
(40 m/dak kesme hızı) a) PA ve b) KS-PA
Ayrıca, matkap uç açısı küçüldükçe kesme işlemi kolaylaştığından daha az matkap uç
aşınması oluştuğu Şekil 5 ve Şekil 6 incelendiğinde görülmektedir. Minimum matkap ucu
aşınmasının 80° uç açılı matkapta oluştuğu, daha sonra 80°-120° çift uç açılı matkabın
geldiği ve en fazla aşınmanın ise 120° uç açılı matkapta oluştuğu görülmektedir. Takım
ucunun sivri olması kesme işlemini kolaylaştırmakta iken takım uç açısı arttırıldıkça plastik
malzeme bir miktar ezilmekte ve bu da oluşan sürtünmeleri ve dolayısıyla aşınma miktarını
arttırmaktadır. Çift uç açılı (80°-120°) matkapların kullanılması, matkap ucu aşınmasının
azaltılmasında 120° uç açılı matkaplara göre fayda sağlamakta ancak 80° uç açılı matkaplar
kadar etkinlik gösteremediği de yapılan deneysel çalışmalar sonucunda anlaşılmıştır.
4. Sonuçlar
Bu çalışma kapsamında yalın ve karbon siyahı katkılı polipropilen ve polyamid
malzemelerin matkapla delinmesi sırasında oluşan takım aşınması üzerine matkap uç
açısının ve kesme hızının etkileri araştırılmıştır. Ayrıca, karbon siyahı katkısının da takım
aşınmasına etkileri incelenmiştir. Gerçekleştirilen deneysel çalışma sonucunda aşağıdaki
bulgular elde edilmiştir.
Matkap uç açısı küçüldükçe kesme işlemi kolaylaşmakta ve oluşan ısı azalmaktadır. Bu
sebeple, yalın ve karbon siyahı katkılı polimer malzemelerin matkapla delinmesi sırasında
minimum takım aşınma değerleri 80° matkap uç açısına sahip takımlarda görülmüştür.
Matkap uç açısının arttırılması ile polimer malzemeler, kesme işlemi ile birlikte bir
miktar plastik deformasyona maruz kalmakta, matkapla delik delme için gerekli kuvvet
artmakta ve ayrıca sürtünme ve sıcaklıkta da artışlar gözlemlenmektedir. Bu sebeple, yalın
ve karbon siyahı katkılı polimer malzemelerin matkapla delinmesi sırasında maksimum
takım aşınma değerleri 120° matkap uç açısına sahip takımlarda görülmüştür.
Polimer malzemelerin matkapla delinmesinde, çift uç açılı (80°-120°) matkapların
kullanılması sonucunda oluşan takım aşınma değerlerinin, 80° uç açısına sahip
matkaplardan daha fazla ancak 120° uç açısına sahip matkaplardan daha az olduğu
belirlenmiştir. Çünkü çift uç açılı matkapların sivri olan uç kısımları kesme işlemini
kolaylaştırmakta ancak daha geniş ikinci kısım ise kesme ile birlikte bir miktar plastik
deformasyona ve ısı artışına sebep olarak takım aşınma miktarının artmasına neden
olmaktadır.
Polimer malzemelerin matkapla delinmesinde, yalın ve karbon siyahı katkılı
polipropilen ve polyamid malzemelerde ve kullanılan tüm matkap uç açılarında kesme hızı
arttıkça, artan sürtünmeden kaynaklı aşınma değerlerinin arttığı gözlemlenmiştir.
186
Karbon siyahı katkısının malzemenin ısıl iletkenliğini arttırması sonucu çalışma
bölgesindeki ısının malzeme boyunca iletildiği ve ısı bir bölgede birikmediğinden, yalın
polimer malzemelere göre daha az yumuşama görüldüğü gözlemlenmiştir. Bu sebeple,
karbon siyahı katkılı polimer malzemelerin matkapla delinmesi sırasında oluşan takım
aşınma değerleri yalın polimer malzemelerde gözlemlenen aşınma değerlerinden daha fazla
olmaktadır.
Teşekkür
Bu araştırma Yıldız Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü'nce
desteklenmiştir. Proje No: 2014-06-01-GEP01.
Kaynaklar
[1] Alauddin, M., Choudhury, I.A., Baradie, M.A.E., Hashmi, M.S.J. 1995, “Plastics and
their machining: a review”, Journal of Materials Processing Technology, Volume 54, Pages
40-46.
[2] McCrum, N.G., Buckley, C.P., Bucknall, C.B. 1996. Principles of Polymer Engineering.
Oxford University Press Inc., New York.
[3] Gulrez, S.K.H, Mohsin, M.E.A., Shaikh, H., Anis, A., Pulose, A.M., Yadav, M.K., Qua,
E.H.P., Al-Zahrani, S.M. 2014, “A review on electrically conductive polypropylene and
polyethylene”, Polymer Composites, Volume 35, Pages 900-914.
[4] Krupa, I., Cecen, V., Boudenne, A., Prokeš, J., Novák, I. 2013, “The mechanical and
adhesive properties of electrically and thermally conductive composites based on high
density polyethylene filled with nickel powder”, Materials and Design, Volume, 51, Pages
620-628.
[5] Hopmann, C., Fragner, J., Haase, S. 2014, “Development of electrically conductive
plastic compounds based on filler combinations”, Journal of Plastics Technology, Volume
10, Pages 49-67.
[6] Zhao, P., Luo, Y., Yang, J., He, D., Kong, L., Zheng, P., Yang, Q. 2014, “Electrically
conductive graphene-filled polymer composites with well organized three-dimensional
microstructure”, Materials Letters, Volume 121, Pages 74-77.
[7] Carneiro, O.S., Covas, J.A., Reis, R., Brule, B., Flat, JJ. 2012, “The effect of processing
conditions on the characteristics of electrically conductive thermoplastic composites”,
Journal of Thermoplastic Composite Materials, Volume 25, Number 5, Pages 607-629.
[8] Kim, I. 2007, “Investigation of electrically conductive acrylonitrile-butadiene rubber”,
Journal of Vinyl and Additive Technology, Volume 13, Number 2, Pages 71-75.
[9] Zhijun, Q., Xingxiang, Z., Ning, W., Jianming, F. 2009, “Poly(1,3-butylene adipate)
plasticized poly(lactic acid)/carbon black as electrical conductive polymer composites”,
Polymer Composites, Volume 30, Number 11, Pages 1576-1584.
[10] Saad A.L.G., Aziz, H.A., Dimitry, O.I.H. 2004, “Studies of electrical and mechanical
properties of poly(vinyl chloride) mixed with electrically conductive additives”, Journal of
Applied Science, Volume 91, Pages 1590-1598.
[11] Ahmad, J.Y.S. 2009. Machining of Polymer Composites. Springer, New York.
[12] Rubio, J.C.C., Panzera, T.H., Scarpa, F. 2015, “Machining behaviour of three highperformance engineering plastics”, Proceedings of the Institution Mechanical Engineers,
Part B: Journal of Engineering Manufacture, Volume 229, Number 1, Pages 28-37.
[13] Rubio J.C., Panzera, T.H., Abrao, A.M., Faira, P.E., Davim, F.P. 2011, “Effects of
high speed in the drilling of glass whisker-reinforced polyamide composites (PA66 GF30):
187
statistical analysis of the roughness parameters”, Journal of Composite Materials, Volume
45, Number 13, Pages 1395-1402.
[14] Gaitonde, V.N., Karnik, S.R., Rubio, J.C., Abrão, A.M., Correia, A.E., Davim, J.P.
2012, “Surface roughness analysis in high-speed drilling of unreinforced and reinforced
polyamides”, Journal of Composite Materials, Volume 46, Number 21, Pages 2659-2673.
[15] Uysal, A., Altan, M., Altan, E. 2012, “Effects of cutting parameters on tool wear in
drilling of polymer composite by Taguchi method”, International Journal of Advanced
Manufacturing Technology, Volume 58, Pages 915-921.
188
POLİMER ESASLI KALÇA PROTEZLERİNİN
YÜZEYLERİNDE SÜRTÜNMEYE BAĞLI OLUŞAN
SICAKLIK ARTIŞININ BELİRLENMESİ
Binnur Sağbaşa ve M.Numan Durakbaşab
a
Yıldız Teknik Üniversitesi Makine Fakültesi Makine Müh. Bölümü, İstanbul/TÜRKİYE,
[email protected]
b
Viyana TeknikÜniversitesi İkame Edilebilir İmalat ve Endüstriyel Metroloji Bölümü,
Karlsplatz 13/3113 A-1040 Wien/Austuria
[email protected]
Özet
Bu çalışmada, çapraz bağlı Ultra Yüksek Moleküler Ağırlıklı Polietilen (UHMWPE)
malzemeden imal edilmiş asetabular insert ile CoCrMo femur başı arasındaki hareket
yüzeylerinde sürtünmeye bağlı olarak ortaya çıkan sıcaklık artışının belirlenmesi
amaçlanmıştır. Asetabular insert yüzeylerinde 0,5 mm çapında gözenekler oluşturulmuş ve
bu gözeneklerin sürtünme sıcaklığı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Deneyler özel olarak
imal edilmiş kalça simülatöründe, gerçek protez numuneleri kullanılarak yapılmıştır. Sonuç
olarak yüzeyde oluşturulan gözeneklerin sürtünmeye bağlı ortaya çıkan sıcaklığın
düşmesine katkı sağladığı belirlenmiştir.
Anahtar kelimeler: UHMWPE, total kalça protezi, sürtünme sıcaklığı, asetabular insert
DETERMINING FRICTIONAL TEMPERATURE
RISE ON POLYMER BASED HIP PROSTHESIS
SURFACES
Abstract
In this study, it was aimed to determine frictional temperature rise between cross-linked
ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) acetabular insert and CoCrMo
femoral head articulating surfaces. 0,5 mm in diameter dimples were machined on frictional
surface of UHMWPE acetabular insert. Effects of these dimples on frictional temperature
rise have been investigated. Frictional temperature rise on material surfaces were measured
on custom made experimental setup by using real prosthesis samples. The results show that
surface dimples served to decrease frictional temperature rise of the surfaces.
Keywords: UHMWPE, total hip prosthesis, frictional heating, acetabular insert
1. Giriş
Kemik iltihapları, kemik erimesi, tümörler ve benzeri hastalıklar, düşme, çarpma ve benzeri
travmalar doğal kalça ekleminin fonksiyonunu yerine getirmesinde bir takım aksaklıkların
yaşanmasına neden olmaktadır. Bu aksaklıkların giderilmesi için ise cerrahi operasyonlara
ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tür tedavi yöntemlerinde doğal bağlantı elemanının hasar görmüş
olan kısmı temizlenerek yerine yapay protez malzemeleri yerleştirilmektedir [1]. Yapay
189
protezlerin imalatında plastik (teflon, polyester, polytetrafloroetilen, ultra yüksek moleküler
ağırlıklı polietilen, poliasetal, PMMA), metal (paslanmaz çelik, CoCr, CoCrMo, CrNi, Ti)
ve seramik (zirkonya, alümina) olmak üzere üç temel malzeme grubu kullanılmaktadır
[2,3]. Total protezlerin her bir elemanı farklı türde yükleme ve harekete maruz kaldığından
protezin her bir bölgesi için uygun malzemelerin seçilmesi son derece önem arz etmektedir
[4].
Sahip olduğu mükemmel biyouyumluluk, kimyasal kararlılık, yük sönümleme özelliği ve
düşük sürtünme katsayısı ile ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen son 40 yılda en çok
kullanılan asetabular insert malzemesi olmuştur. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen
(UHMWPE), moleküler ağırlığı 2-6x106 gr/mol, kristal oranı ise 55–60% olan yarı kristalin
bir malzemedir [5-8]. Yüksek tokluğu ve yorulma dayanımı ile plastik şekil değişimlerinde
yüksek oranda enerjinin absorbe edilmesine katkı sağlamaktadır. Özellikle kalça ve diz
protezlerinde yüksek yükler altında ortaya çıkabilecek ani darbe oluşumlarında, enerjinin
sönümlenmesi ile oluşabilecek hasarların önlenmesi mümkün olmaktadır [9].
Viskoelastisitesi ve düşük sürtünme katsayısı ile biyomalzemeler içerisinde, doğal insan
dokusuna en yakın malzeme olma özelliğini taşımaktadır. Bütün olumlu özelliklerine
rağmen UHMWPE'nin aşınması sonucu ortaya çıkan polimerik aşınma parçacıkları,
bağlantı yüzeylerine zarar vererek osteolize ve aseptik gevşemeye neden olduğundan, total
kalça protezlerinin ömürlerini etkileyen en temel sorun olmaktadır [10,11]. Bu sorunun
çözülmesi amacıyla UHMWPE'nin tribolojik özelliklerinin iyileştirilmesi ve aşınma
dayanımının arttırılması yönünde pek çok çalışma yapılmaktadır. Gama ışınları ile çapraz
bağlama, kristalin yapının düzenlenmesi, fiziksel ve kimyasal özelliklerin iyileştirilmesi,
vitamin E gibi katkı maddelerinin kullanılması bu çalışmalara örnektir [12-14]. Polietilen
içerisinde enerji depolanması temelde amorf ve kristalin bölgede meydana gelen plastik
şekil değişiminde gerçekleşir. Plastik şekil değişimi ise malzemenin sünekliğine ve kristal
oranına bağlıdır [9]. Aşınma oranının azalmasının, amorf yapı içerisinde çapraz bağlanmış
olan polimer zincirlerinin malzemenin sünekliğini azaltması ile ilgili olduğu
düşünülmektedir. Radyasyonla çapraz bağlama işlemi uygulanmış olan UHMWPE
asetabular insertler klinik uygulamalarda başlangıçta konvansiyonel UHMWPE asetabular
insertlere nazaran daha yüksek aşınma dayanımı göstermişlerdir. Fakat vücut içerisinden
çıkarılmış hasarlı asetabular insertler incelendiğinde yüzeylerinde çatlakların olduğu,
mekanik ve oksidatif deformasyonların oluştuğu gözlemlenmiştir [15-17]. Çapraz bağlama
işlemi sonrasında yapıda artık halde bulunan serbest radikaller oksijenle bir araya
geldiklerinde peroksitleri oluşturarak UHMWPE’nin oksitlenmesine neden olmaktadırlar.
Serbest radikallerin azaltılması için çapraz bağlama işleminin ardından ısıl işlemler
uygulanmakta bu ısıl işlemler ise UHMWPE’nin kristalleşme oranını ve mikro yapısını
değiştirmektedir [18]. Sonuç olarak, radyasyonla çapraz bağlama sonucu UHMWPE 'nin
aşınma dayanımı artmakta fakat oksidasyon dayanımı, moleküler hareketlilik, mekanik
özellikler ve yorulma dayanımı gibi özellikler azalmaktadır [19-22]. Çapraz bağlama
sonrasında uygulanan ısıl işlemlerin olumsuz etkilerini ortadan kaldırmak amacıyla,
UHMWPE’nin yapısına vitamin E (α-tocopherol) eklenerek doğal bir antioksidan ile yapıda
bulunan artık serbest radikallerin kararlı hale getirilmeleri amaçlanmıştır [20]. Bu yönde
yapılan çalışmalarda UHMWPE’nin yapısına vitamin E’nin eklenmesi ile hem
konvansiyonel hem de çapraz bağlı UHMWPE’nin oksidasyon, tabakalaşma, aşınma ve
yorulma direncinin arttığı, mekanik özelliklerinin iyileştiği ve biyouyumluluğunun
korunduğu belirlenmiştir [23-26].
Yüzeyler arasındaki sürtünme işine bağlı ortaya çıkan mekanik enerji ısı enerjisine
dönüşmekte ve malzemeler arasında dağılarak temas yüzeylerinde sıcaklık artışına neden
olmaktadır. Meydana gelen bu sıcaklık artışı sürtünen parçaların tribolojik davranışları
190
üzerinde önemli etki yaratabilmekte ve yüzeylerin zarar görmesine neden olabilmektedir.
Asetabular insert ve femur başı yüzeylerindeki sıcaklık özellikle UHMWPE gibi
malzemelerin yapısını ve özelliklerini değiştirebilmekte, yüzeylerin oksidasyona
uğramasına neden olabilmektedir. Bu tür sıcaklık artışları sinovial kapsül içerisinde
bulunan yağlayıcı sıvının özelliklerini de etkilemekte ve sıvı içerisindeki proteinlerin
çökelmesi ile yağlama özelliğinin bozulmasına neden olabilmektedir. Potansiyel biyolojik
hasarlar 40 oC sıcaklıkta ortaya çıkmaya başlamaktadır [27]. 42 oC veya 43 oC’de yumuşak
dokular, 45 oC'den itibaren de kemik hücreleri hasar görmeye başlamaktadır [28].
Yüzeylerde ortaya çıkan 6 oC’lik sıcaklık artışı hücre ölümlerine, fibroz doku oluşumlarına
ve bunların sonucunda protezin gevşemesine neden olabilmektedir [29].
Bu çalışmada, çapraz bağlı UHMWPE malzemeden imal edilmiş asetabular insert ile
CoCrMo femur başı arasındaki hareket yüzeylerinde sürtünmeye bağlı olarak ortaya çıkan
sıcaklık artışının belirlenmesi amaçlanmıştır. Asetabular insert yüzeylerinde gözenekler
oluşturulmuş ve bu gözeneklerin sürtünme sıcaklığı üzerindeki etkisi incelenmiştir.
2. Deneysel Çalışma
Asetabular insert numunleri, 40 mm çapında 1000 mm uzunluğunda Chirulen 1020 X
çubuklarından (MediTECH Medical Polymers, Vreden, Almanya) imal edilmiştir. İç
çapları 28 mm olacak şekilde, CNC torna tezgahında, ISO 7206-2:2011 ve ISO 21535
[30,31] standartlarına uygun bir şekilde işlenmişlerdir. Yüzeyde oluşan sürtünme
sıcaklığının tek tip bir malzeme içerisinde yayılımının sağlanması için asetabular insertlerin
cihaza bağlanmasında metal arkalık ya da herhangi bir bağlantı aparatı kullanılmamıştır. Bu
nedenle numunelerin dış yüzeyleri 40 mm çapında, silindirik olarak tasarlanmış ve alt
kısımlarında üç tane vida deliği açılmıştır. İki grup numune hazırlanmış, birinci grup
numunelerin yüzeyleri 800, 1000, 1200 ve 2000 kumluk zımparalar ile zımparalanmıştır,
diğer grup numune yüzeylerine ise 0,5 mm çapında gözenekler işlenmiştir. Deliklerin
derinliği, 0,5 mm, merkezleri arasındaki mesafe ise 2 mm’dir. Gözeneklerin geometrileri
literatür çalışmaları göz önüne alınarak belirlenmiştir [32-34]. Daha önce yapılan çalışmalar
incelendiğinde gözeneklerin sadece düzlemsel yüzeylerde işlenmiş olduğu görülmektedir.
Gerçek bir asetabular insert numunesinin iç yüzeyine gözenek oluşturulmasına ilişkin bir
çalışmaya rastlanılmamıştır. Gözeneklerin insert yüzeyindeki sayısı ve dağılımının
belirlenmesi noktasında, yürüme hareketi esnasında asetabular insert ve femur başının
yüzeylerinin temas ettiği alan göz önünde bulundurulmuştur.
Numune yüzeylerinde sürtünmeye bağlı sıcaklık artışının ölçümü için kullanılacak olan ısıl
çiftlerin yerleştirilebilmesi amacıyla numunelerin dış yüzeylerinden, sürtünme yüzeylerine
0.5 mm kalacak şekilde kör delikler açılmıştır. 3 mm çapındaki deliklerin bir tanesi
asetabular kabın dip noktasında, üçer tanesi ise hareket ekseni doğrultusunda, simetrik
olarak 3’er mm ara ile oluşturulmuştur. Asetabular insertlerin 7 farklı noktasından sıcaklık
ölçümü yapılmıştır. Numune yüzeyindeki gözenekler ve ısıl çift delikleri 5 eksenli freze
tezgahında, Şekil 1(a)’daki tasarıma uygun olarak işlenmiştir. Delik geometrileri 3D
Keyence Laser Scanning Microscope VK- X100/X200 Series kullanılarak kontrol
edilmiştir (Şekil 1(c)).
191
a)
b)
c)
Şekil 1. a) Asetabular insert numunelerinin CAD/CAM ortamındaki 3B tasarım görüntüsü,
b) Yüzeyine gözenek işlenmiş asetabular insert numunesi, c) yüzeylerde oluşturulan
gözeneklerin üç boyutlu görüntüsü
Asetabular insert numuneleri, ultrasonik temizleyicide 30 oC sıcaklıkta, ilk olarak 15 dk.
ultra saf su içerisinde, ardından 30 dk. etil alkol çözeltisinde, son olarak 15 dk. ultra saf su
içerisinde yıkanmış, ardından açık havada kurumaya bırakılmıştır. Kurutulan numuneler
steril edilerek deneye hazır hale getirilmiştir. CoCrMo femur başı numuneleri ise vücut
içerisinde kullanılmak üzere, 28 mm çapında imal edilmiş olan ticari ürünler arasından
seçilmiştir.
Sürtünme deneyleri literatür çalışmaları ve ISO 14242 standardında [35] belirtilen şartlar
göz önünde bulundurularak tasarlanıp, imal edilmiş olan kalça simülatörü deney
düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. Cihaz, standartta belirtildiği gibi, bükme - germe
düzleminde (fleksiyon-ekstensiyon) ±24o açıyla, 1 Hz frekansında basit harmonik hareket
yapmaktadır. Deneylerin uygulanması esnasında ortaya çıkabilecek olumsuzlukların
önlenmesi ve yağlayıcı sıvının sürtünme yüzeyleri arasında kalmasının sağlanabilmesi için
literatürdeki çalışmalar [36-38] referans alınarak, deney numuneleri anatomik pozisyonun
aksine femur başı yukarıda asetabular insert aşağıda olacak şekilde konumlandırılmıştır.
Deney düzeneği ve numunelerin yerleşme pozisyonu Şekil 2’ de görülmektedir.
Şekil 2. a) Deney düzeneği, b) Femur başı ve asetabular kabın deney düzeneğindeki
yerleşme pozisyonu
192
Deneyler vücut ağırlığı ve protezli bir bireyin durmaksızın yürüyebileceği en uzun süre
dikkate alınarak 1000 N statik yük altında, toplam 3 saatte (10.800 çevrim) tamamlanmıştır.
Deneylerde 1, 2 ve 3 saatlik yürüme çevrimleri sonucu sürtünme yüzeylerinde ortaya çıkan
sıcaklık artışları ölçülmüştür. Yağlayıcı olarak 5 ml 25% bovine-calf serum kullanılmıştır.
Bakteriyel etkileşimlerin önlenmesi için yağlayıcı içerisine 0.3% sodyum azid ve 5 mM
EDTA eklenmiştir. NDJ-1 Rotary Viscometer kullanılarak yapılan viskozite ölçümünde
yağlayıcı sıvının viskozitesi 0.002 Pa s olarak kaydedilmiştir.
Asetabular insert numunelerinin yüzeylerindeki sıcaklık artışları ısıl çiftlerin numune
yüzeylerine 0,5 mm kalıncaya kadar işlenen kör deliklere ısıyı ileten silikon yardımıyla
yapıştırılması ile ölçülmüştür. Femur başı numunelerinde ise ısıl çiftler femur boynunun
yerleştirileceği boşluğa, femur boynu içerisinden geçirilerek yapıştırılmışlardır (Şekil 3).
(Deney düzeneği ve prosedürüne ait daha detaylı açıklamalar 4 numaralı kaynakta
verilmiştir.)
Şekil 3. Montaj halindeki numunelerin kesit görüntüsü ve termokuplların yerleşim
pozisyonları
Şekil 4’de 1000 N statik yük altında 10.800 çevrim boyunca, çapraz bağlı UHMWPE
asetabular insert numuneleri ile CoCrMo femur başı numunelerinin sürtünme yüzeylerinde,
farklı noktalarda kaydedilen sıcaklık dağılım eğrileri görülmektedir. Grafik üzerine
yerleştirilen numunelerin kesit resminden de görüldüğü gibi, 4 numaralı ısıl çift (T4) femur
başının sürtünme noktasında meydana gelen sıcaklık artışını kaydetmiştir. Asetabular kabın
sürtünme yüzeyinin merkezinde meydana gelen sıcaklık artışı ise 1 numaralı ısıl çift (T1)
ile ölçülmüştür. Hareket ekseni boyunca asetabular insert yüzeyinde meydana gelen
sıcaklık artışı T1’in sağına ve soluna yerleştirilen 2, 3, 5, 6, 7, 8 numaralı ısıl çiftler ile
ölçülmüştür.
CoCrMo femur başının ısıl iletim katsayısı (12,1 W/(m*K)) çapraz bağlı UHMWPE
asetabular kabın ısıl iletim katsayısından (0,458 W/(m*K) ) daha büyük olduğundan
sürtünme yüzeylerinde ortaya çıkan sıcaklığın büyük bir bölümü femur başının içerisine
ilerlemiştir. Bu nedenle en yüksek sıcaklık değeri 4 noktasında 50,37 oC olarak
ölçülmüştür. Asetabular insert üzerindeki 1 noktasında 36,66 oC olarak kaydedilen sıcaklık
değerleri, hareket ekseni boyunca , 2 ve 6 noktalarında sırasıyla 35,59 oC ve 35,82 oC, 3 ve
7 noktalarında 35,91 oC ve 35,03 oC, 5 ve 8 noktalarında ise 33,96 oC ve 34,53 oC olarak
ölçülmüştür. Asetabular insert numuneleri üzerinde en yüksek sıcaklık değeri kuvvetin
uygulandığı ve en fazla sürtünmenin gerçekleştiği merkez noktada bulunan 1 noktasında
kaydedilmiştir. Asetabular kabın ±24o hareket ettiği doğrultu boyunca, 3 mm yükseklik
193
farkı ile konumlanmış olan 2, 3, 5, 6, 7 ve 8 noktalarında ölçülen sıcaklık değerleri merkeze
göre simetrik bir dağılım sergilemiştir. Merkezden uzaklaşıldığında ise ölçüm noktasının
konumuna bağlı olarak sıcaklık değerlerinde farklı oranlarda düşüş gözlemlenmiştir.
Hareket çevrimi esnasında asetabular kabın + ve – yöndeki hareketine bağlı olarak femur
başı ve kabın 1 ve 4 noktalarındaki teması devam ederken, hareket yönünün aksi
istikametinde kalan noktalarda temas azalmaktadır. Böylelikle yağlayıcı sıvı bu noktalara
doğru hareket ederek soğutma görevini gerçekleştirmekte ve sıcaklık değerlerini
düşürmektedir.
Şekil 4. Çapraz bağlı UHMWPE/CoCrMo malzeme çiftinin sürtünme yüzeylerinde, 8 farklı
noktada ölçülen sıcaklık değerlerinin zamana bağlı değişimi
Sıcaklık ölçümleri kontrollü bir atmosferde yapılmadığından farklı deneyler için başlangıç
sıcaklık değerleri de farklılıklar gösterebilmektedir. Bu nedenle sonuçların ölçüm
noktalarındaki sıcaklık artım miktarları ile değerlendirilmesinin daha uygun olacağı
düşünülmektedir. Yüzeyi gözeneksiz asetabular kap numunelerinin deney sonrasında
yüzeylerinde ölçülen sıcaklık artışı 1 noktasında 11,57 oC, 4 noktasında 25,87 oC ' dir.
Yüzeyi gözenekli çapraz bağlı UHMWPE numunelerinin yüzeylerindeki sıcaklık artış
miktarı ise 1 noktasında 8,67 oC, 4 noktasında 17,03 oC olarak hesaplanmıştır. Verilmiş
olan ΔT değerleri femur başı ve asetabular insert numunelerinin yüzeylerinde, deney
düzeneğinde 3 saat (10.800 çevrim) çalışma sonucunda meydana gelen sıcaklık artışı
değerleridir. Bu değerler deney sonunda ölçülen son sıcaklık değerinden, ortam sıcaklığı
olan başlangıç sıcaklığının çıkartılması ile bulunmuştur. Sürtünme simülatörü ile
gerçekleştirilen sıcaklık ölçümü deneylerinde asetabular insert yüzeylerinin
gözeneklendirilmesi ile oluşturulan yüzey modifikasyonu sürtünmeye bağlı ortaya çıkan
sıcaklığın belirli oranlarda düşmesini sağlamıştır. Yağlayıcı sıvı yüzeydeki gözeneklerin
içine dolmuş ve hareket esnasında sürtünme yüzeyleri arasında yağlama özelliğini
iyileştirerek yüzeyin daha fazla soğumasına katkı sağlamıştır.
Önceki çalışmalarımızda belirtildiği gibi [39] 1000 N yük altında, 3 saatlik (10.800 çevrim)
deney sonunda 1 numaralı ölçüm noktasında UHMWPE'nin maksimum sıcaklığı 29,91 oC,
CoCrMo femur başının sıcaklığı ise 38,93 oC olarak ölçülmüştür. Aynı koşullarda Vitamin
E ile katkılandırılmış UHMWPE’nin sıcaklığı 30,54 oC, femur başının 4 noktasındaki
sıcaklık değeri ise 40,73 oC olarak ölçülmüştür. Lu ve McKELLOP [36] de kalça bağlantı
194
simülatörü kullanarak 2030 N yük atında 6 saatlik deney süresinde yaptıkları vücut dışı
çalışmada zirkonyum femur başında sıcaklık değerini 51 oC, asetabular insertte ise 51,3 oC
olarak ölçmüşlerdir. Aynı çalışmada CoCrMo femur başı sıcaklığı 40 oC, asetabular insert
sıcaklığı ise 40,4 oC olarak ölçülmüş ve malzemeler arasındaki sıcaklık artışı farklılığı
malzemelerin ısıl iletim katsayılarının farklı olmasına bağlanmıştır. Liao vd. [37] de
yaptıkları çalışmada CoCr femur başında sıcaklık değerini 41 oC zirkonya femur başında
ise 55 oC olarak ölçülmüştür. Yazarlar sıcaklık artışına bağlı olarak zirkonya femur başının
bulunduğu bağlantıdaki yağlayıcı sıvı içerisinde daha yüksek oranda proteinin çökeldiğini
belirtmişlerdir. Bergmann vd. [28] ise insan vücudunda yaptıkları bir çalışmada CoCrMo
femur başı sıcaklığını 43 oC olarak rapor etmişlerdir. Aynı yazarlar bilgisayar ortamında
sonlu elemanlar analizi ile gerçekleştirdikleri bir diğer çalışmada ise pürüzsüz yüzeylerde
sinovial sıvının sıcaklığının 46 oC’ye ulaştığını ve bu sıcaklık değerlerinde sıvının
yağlayıcılık özelliğini kaybedeceğini belirtmişlerdir [28]. Pritchett [29] de vücut içerisinde
yaptığı çalışmada 60 dakikalık yürüme sonrasında CoCrMo femur başı/UHMWPE
asetabular insert çiftinde 7 oC’lik sıcaklık artışı gözlemlemiştir. Rocchi vd. [40] de
yaptıkları çalışmada 28 mm çapındaki CoCrMo femur başı ve UHMWPE asetabular insert
bağlantı çiftinde, insert yüzeyindeki sürtünmeye bağlı sıcaklık artışını 6 saat süren deney
sonunda 51,44 oC olarak ölçmüşlerdir. Yazarların sonlu elemanlar analizi ile tahmin
ettikleri asetabular insert yüzey sıcaklığı ise 48,88 oC'dir. Bir diğer modelleme çalışmasında
Hu vd. [27] de iki boyutlu sonlu elemanlar analizi uygulayarak, asetabular insert sıcaklığını
42,9 oC olarak tahmin etmişlerdir.
Yapılan deneyler sonucunda sürtünmeye bağlı sıcaklık artışının oldukça yüksek değerlere
ulaşabildiği görülmüştür. Bu sıcaklık artışı yağlayıcı sıvı içerisindeki proteinlerin
çökelmesine sebep olacağından, yağlayıcı sıvının yağlama özelliği artan sıcaklık ve zaman
ile bozulacak ve malzemelerin adezif aşınması artacaktır [36]. Potansiyel biyolojik hasarlar
40 oC sıcaklıkta ortaya çıkmaya başlamakta [41], 42 oC veya 43 oC'de yumuşak dokular
hasar görmekteyken, kemik hücreleri 45 oC’ye kadar dayanabilmektedir [28]. Bu bilgiler ve
elde edilen sonuçlar dikkate alındığında bağlantı elemanlarında meydana gelen sıcaklık
artışının gerek implant ömrünü, gerekse çevresindeki canlı dokuyu olumsuz yönde
etkileyeceği anlaşılmaktadır.
Çapraz bağlı UHMWPE asetabular insert numunelerinin yüzeyinde ölçülen sıcaklık artışı
değerleri, normal bağlı UHMWPE ve vitamin E ile katkılandırılmış UHMWPE
numunelerinin yüzeylerinde ölçülen sıcaklık değerlerinden daha yüksektir. Radyasyonla
çapraz bağlama prosesinde C - H ve C - C bağları koparak serbest radikal
oluşturmaktadırlar. Bu radikallerin bir kısmı çapraz bağ oluşturmak için tekrar
bağlanmakta, bir kısmı ise bağlanacak bir başka radikal bulamadığından kristal yapı
içerisinde serbest halde hapsolmaktadır. Yapıda serbest halde bulunan bu radikaller ise
uzun vadede malzemenin oksidasyona uğramasına neden olmaktadır. Oksijen ile
reaksiyona giren serbest radikaller kararsız peroksit bileşikleri oluşturmakta, yapıdaki
peroksit yoğunluğunun artması ise polimerin kırılganlaşmasına, yüzeyinde bazı
düzensizliklerin ortaya çıkmasına neden olmaktadır [18]. Deneyler süresince çapraz bağlı
UHMWPE yüzeyinde oksidasyona bağlı düzensizlikler oluşmuş olabileceğinden bu
malzeme grubunda sürtünme katsayısı ve sıcaklık artışı değeri yüksek olarak ölçülmüştür.
Bunun yanında çapraz bağlı UHMWPE’nin ısıl iletim katsayısının diğer asetabular insert
malzemelerine göre daha yüksek olmasının da elde edilen yüksek sıcaklık değerleri
üzerinde etkisinin olduğu düşünülmektedir.
195
4. Sonuç
Yapılan deneyler sonucunda protez malzemelerinin yüzeylerinde sürtünmeye bağlı
sıcaklık artışının oldukça yüksek değerlere ulaşabildiği görülmüştür. Bu sıcaklık artışı
yağlayıcı sıvı içerisindeki proteinlerin çökelmesine sebep olacağından, yağlayıcı sıvının
yağlama özelliği artan sıcaklık ve zaman ile bozulacak ve malzemelerin adezif aşınması
artacaktır. Bu bilgiler ve elde edilen sonuçlar dikkate alındığında bağlantı elemanlarında
meydana gelen sıcaklık artışının gerek implant ömrünü, gerekse çevresindeki canlı
dokuyu olumsuz yönde etkileyeceği anlaşılmaktadır.
Total kalça protezlerinde kullanılmakta olan yeni nesil malzemelerin yüzeylerinde
oluşturulan gözeneklerin, malzeme yüzeylerinde sürtünmeye bağlı sıcaklık artışını
azalttığı görülmüştür. Bu sonuçlardan yola çıkılarak ana malzemenin özelliklerinin
korunduğu, yüzey özelliklerinin ise iyileştirildiği uygun yüzey modifikasyonun
uygulanması ile bağlantı çiftlerinin tribolojik açıdan ömürlerinin uzatılabileceği
Teşekkür
Bu çalışma, Yıldız Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü’nün
2011-06-01-DOP03 numaralı projesi ile desteklenmiştir.
Yüzey ölçümlerinin gerçekleştirilmesinde destek sağlayan Viyana Teknik Üniversitesi,
Nanometroloji Laboratuarına teşekkürlerimi sunarım.
Kaynaklar
[1] Kurtz, S., Ong, K., Lau, E., Mowat, F., Halpern. M., 2007. "Projections of primary and
revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030", The Journal of
Bone & Joint Surgery, Volume 89(4), Pages 780–785.
[2] Ettienne-Modeste, G., 2009. “A study of lubrication, processing conditions, and
material combinations that affect the wear of micro-textured-carbide coated cobaltchromium-molybdium (CoCrMo) alloy surfaces used for artificial joint implants”, Doktora
Tezi, Maryland Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Baltimore.
[3] Bruck, A.L., 2007. “Friction and wear behavior of ultra-high molecular weight
polyethylene as a function of crystallinity and in the presence of the phospholipid DPPC
(dipalmitoyl phosphatidylcholine)”, Yüksek Lisans Tezi, Iowa State University, Iowa.
[4] Sağbaş, B., 2013, “ Kalça Protezlerinde Sürtünmeye Bağlı Olarak Değişim Gösteren
Fiziksel Büyüklüklerin ve Geometrik Özelliklerin Ölçüm, Analiz ve Metrolojik
Değerlendirilmesi“, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
[5] Kurtz, S.M., Hozack, W., Marcolongo, M., Turner, J., Rimnac, C., Edidin, A., 2003.
"Degradation of mechanical properties of UHMWPE acetabular liners following long-term
implantation", The Journal of Arthroplasty, Volume 18(1), Pages 68–78.
[6] Goswami, T., Alhassan, S. 2008. "Wear rate model for UHMWPE in total hip and knee
arthroplasty", Material Design, Volume 29, Pages 289–96.
[7] Cho, H.J., Wei, W.J., Kao, H. C., Cheng, C.K., 2004. "Wear behavior of UHMWPE
sliding on artificial hip arthroplasty materials", Mater. Chem. Phys. Volume 88, Pages 9–
16.
[8] Teoh, S.H., Chan, W.H., Thampuran, R., 200). "An elasto-plastic finite element model
for polyethylene wear in total hip arthroplasty", J. Biomech. Volume 35, Pages 323–30.
[9] Oral, E., Godleski Beckos, C.A., Lozynsky, A.J., Malhi, A.S., Muratoglu, O.K., 2009.
"Improved resistance to wear and fatigue fracture in high pressure crystallized vitamin E-
196
containing ultra-high molecular weight polyethylene", Biomaterials, Volume 30(10), Pages
1870-1880.
[10] Howling, G.I., Sakoda, H., Antonarulrajah, A., Marrs, H., Stewart, T.D., Appleyard,
S., Rand, B., Fisher, J., Ingham, E., 2003. "Biological response to wear debris generated in
carbon based composites as potential bearing surfaces for artificial hip joints", J. Biomed.
Mater. Res. B, Volume 67, Pages 758–64.
[11] Sambasivan, S., Fischer, D.A., Shen, M.C., Hsu, S.M. 2004. "Molecular orientation of
ultrahigh molecular weight polyethylene induced by various sliding motions", J. Biomed.
Mater. Res. B, Volume 70, Pages 278–285.
[12] Kurtz, S.M., Gawel, H.A., Patel, J.D., 2011. "History and Systematic Review of Wear
and Osteolysis Outcomes for First-generation Highly Crosslinked Polyethylene", Clin
Orthop Relat Res., Volume 469(8), Pages 2262-77.
[13] Muratoglu, O., Bragdon, C., O’Connor, D, Jasty, M., Harris, W., Gul, R., McGrary, F.,
1999. "Unified wear model for highly crosslinked ultra-high molecular weight
polyethylenes (UHMWPE) ",Biomaterials, Volume 20, Pages 1463–1470.
[14] Ries, M., 2005. "Highly cross-linked polyethylene: the debate is over-in opposition" J.
Arthroplasty, Volume 20(2), Pages 59–62.
[15] Jacobs, C.A., Christensen, C.P., Greenwald, A.S., McKellop, H., 2007.“Clinical
Performance of Highly Cross-Linked Polyethylenes in Total Hip Arthroplasty”, The
Journal of Bone & Joint Surgery Am, Volume 89, Pages 2779-2786.
[16] Bradford, L.,Bbaker, D.A., Graham, J.,Chawan, A.,Ries, M.D., Pruitt, L.A., 2004.
“Wear and Surface Cracking in Early Retrieved Highly Cross-Linked Polyethylene
Acetabular Liners”, the Journal of Bone & Joint Surgery, Volume 86(6), Pages 1271-1282.
[17] Furmanski, J., Gupta, S., Chawan, A., Kohm, A., Lannutti, J., Jewett, B., Pruitt, L.A.,
Ries, M.D., 2001. “Aspherical femoral head with highly cross-linked ultra-high molecular
weight polyethylene surface cracking”, the Journal of Bone & Joint Surgery, Volume 89,
Pages 2266-2270.
[18] Kurtz,S., UHMWPE Biomaterials Handbook, 2009, 2nd ed., ISBN: 9780123747211
Elsevier Inc., Academic Press, Burlington.
[19] Bhatt, H., Goswami, T., 2008. “Implant wear mechanisms—basic Approach”,
Biomedical Materials, Volume 3(4), Pages 1-9.
[20] Vaidya, C., Alvarez, E., Vinciguerra, J., Bruce, D.A., DesJardins, J.D., 2011.
"Reduction of Total Knee Replacement Wear with Vitamin E Blended Highly CrossLinked Ultra-High Moleculae Weight Polyethylene", Proc Inst Mech Eng H., Volume
225(1), Pages 1-7.
[21] Oral, E., Wannomae, K.K., Hawkins, N., Harris, W.H., Muratoglu, O.K., 2004.
"Alpha-tocopherol-doped irradiated UHMWPE for high fatigue resistance and low wear",
Biomaterials, Volume 25(24), Pages 5515-22.
[22] Oral, E., Malhi, A. S., Muratoglu, O. K., 2006. “Mechanisms of decrease in fatigue
crack propagation resistance in irradiated and melted UHMWPE”, Biomater., Volume
27(6), Pages 917–925.
[23] Oral, E., Christensen, S.D., Malhi, A.S., Wannomae, K.K., Muratoglu, O.K., 2006.
"Wear Resistance and Mechanical Properties of Highly Cross-linked, Ultrahigh–Molecular
Weight Polyethylene Doped With Vitamin E", Joint Arthroplasty, Volume 4, Pages 580591.
[24] Tomita, N., Kitakura, T., Onmori, N., Ikada, Y., Aoyama, E., 1999. "Prevention of
fatigue cracks in ultrahigh molecular weight polyethylene joint components by the addition
of vitamin E", Journal of Biomedical Material Research, Volume 48, Pages 474–478.
[25] Wolf, C., Lederer, K., Muller, U., 2002. "Tests of biocompatibility of alphatocopherol
with respect to the use as a stabilizer in ultrahigh molecular weight polyethylene for
197
articulating surfaces in joint endoprostheses", J Mater Sci Mater Med, Volume 13, Pages
701-705.
[26] Oral, E., Rowell, S.L., Muratoğlu, O.K., 2006. "The effect of a-tocopherol on the
oxidation and free radical decay in irradiated uhmwpe", Biomaterials, Volume 27(32),
Pages 5580–5587.
[27] Hu, C.C., Liau, J.J., Lung, C.Y., Huang, C.H., Cheng, C.K., 2001. "A two dimensional
finite element model for frictional heating analysis of total hip prosthesis", Materials
Science and Engineering C, Volume 17, Pages 11–18.
[28] Bergmann, G., Graichen, F., Rohlmann, A., Verdonschot, N., Van Lenthe, G.H., 2001.
"Frictional heating of total hip implants Part 2: Finite element study", Journal of
Biomechanics, Volume 34, Pages 429–435.
[29] Pritchett J., 2011. "Heat generated by hip resurfacing prosthesis : an in vivo pilot study
", Journal of Long Term Effects of Medical Implants, Volume 21(1), Pages 55-62.
[30] ISO 7206-2, 2011. Implants for surgery -- Partial and total hip joint prostheses -- Part
2: Articulating surfaces made of metallic, ceramic and plastics materials, ISO.
[31] ISO 21535:2007, Non-active surgical implants -- Joint replacement implants -Specific requirements for hip-joint replacement implants
[32] Suh, N.P., Mosleh, M., Howard, P.S., 1994. "Control of friction", Wear Volume 175,
Pages 151–158.
[33] Nishimura, I., Yuhta, T., Ikubo, K., Shimooka, T., Murabayashi, S. Mitamura, Y.,
1993. “Modification of the frictional surfaces of artificial joints”, ASAIO Journal, Volume
39(3), Pages 762–766.
[34] Young, S.K., Lotito, M.A. Keller, T.S., 1998. “Friction reduction in total joint
arthroplasty”, Wear, Volume 222, Pages 29–37.
[35] ISO 14242-2, 2000, Implants for surgery — wear of total hip joint prostheses. Part 2.
Methods of measurement, ISO, İsviçre.
[36] Lu, Z., McKellop, H., 1997. "Frictional heating of bearing materials tested in a hip
joint wear simulator", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part H
Journal of Engineering in Medicine, Volume 211, Pages 101-108.
[37] Liao, Y.-S., McKellop, H., Lu Z., Campbell, P., Benya, P., 2003. “The effect of
frictional heating and forced cooling on the serum lubricant and wear of UHMW
polyethylene cups against cobalt–chromium and zirconia balls”, Biomaterials, Volume 24,
Pages 3047–3059.
[38] Yan, Y., Neville, A., Dowson, D., Williams, S., Fisher, J., 2009. “Effect of metallic
nanoparticles on the biotribocorrosion behaviour of Metal-on-Metal hip prostheses”, Wear,
Volume 267, Pages 683–688.
[39] Sağbaş, B., Durakbaşa, M.N., 2013, “Effect of surface patterning on frictional heating
of vitamin E blended UHMWPE”, Wear, Volume 303, Pages 313–320.
[40] Rocchi, M., Affatato, S., Falasca, G., Viceconti, M., 2007. "Thermomechanical
analysis of ultra-high molecularweight polyethylene–metal hip prostheses", Proceedings of
the Institution of Mechanical Engineers Part H Journal of Engineering in Medicine,
[41] Hu, C.C., Liau, J.J., Lung, C.Y., Huang, C.H., Cheng, C.K., 2001. "A two dimensional
finite element model for frictional heating analysis of total hip prosthesis", Materials
Science and Engineering C, Volume 17, Pages 11–18.
198
POLİMER/METAL HİBRİD YAPILARIN PLASTİK
ENJEKSİYON KALIPLAMA İLE
ŞEKİLLENDİRİLMESİ
Mihrigül Ekşi Altana ve Burak Yavuzb
Yıldız Teknik Üniversitesi , Makine Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü
34349, İstanbul/TÜRKİYE,
a
Özet
Farklı türlerde malzemelerin kombinasyonuyla elde edilen hibrid malzemelerin üretimi
günümüz teknolojisinde önem taşımaktadır. Özellikle, polimer/metal hibrid yapılar
havacılık, otomotiv, beyaz eşya gibi endüstriyel alanlarda yoğun olarak kullanılmaktadır.
Bu çalışmada, polimer/metal hibrid yapılar geleneksel plastik imalat yöntemlerinden plastik
enjeksiyon kalıplamanın, plastik enjeksiyon şekillendirmeye (Plastic Injection Forming,
PIF) dönüştürülmesiyle elde edilmiştir. Bu bağlamda, hem metalin şekillendirmesi hem de
polimer/metal yüzeylerinin adhezyonu tek adımda gerçekleştirilmiştir.
Yapılan deneysel çalışmada, PIF için özel olarak tasarlanmış dikdörtgen bir kalıp
kullanılmıştır. Hibrid yapının metal bileşeni için 75x115x1.5 alüminyum plakalar
kullanılmıştır. Enjekte edilen polimer olarak saf ve elastomer içerikli polipropilen (PP)
tercih edilmiştir. Değişik enjeksiyon basınçları altında alüminyum plakaların
şekillendirilebilirliği incelenmiştir. Polimer/metal yüzeyler arası adhezyonun sağlanması
için plakalar ve polimer arasına primer uygulanmıştır. Geliştirilen hibrid yapılara 3-nokta
eğme testi uygulanmış ve sonuçlar sonlu elemanlar yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Sonuç
olarak, plastik enjeksiyon şekillendirmenin, polimer/metal hibrid yapıların imal edilmesi
için alternatif bir yöntem olduğu, özellikle metalin ve polimerin aynı anda
şekillendirilmesinden ötürü karmaşık geometrili hibrid yapıların eldesi için uygun bir
yöntem olduğu görülmüştür.
Anahtar kelimeler: polimer/metal hibrid yapı, plastik enjeksiyon, eğme davranışı
FORMING POLYMER/METAL HYBRID
STRUCTURES BY INJECTION MOLDING
Abstract
The hybrid materials obtained by combination of different kinds of materials have great
importance in today’s’ technology. Especially, polymer/metal hybrid structures are widely
used in the fields of aircraft, automotive, white goods.
In this study, polymer/metal hybrid structures were obtained by converting a traditional
plastic injection machine to plastic injection forming (PIF). In this method, deforming of
the metal and adhering the metal with polymer was done in one step.
In the experimental study, a special mold within rectangular cavity was used in PIF process.
Aluminum plates with dimensions of 75x 115 x1.5mm were used as the metal part of the
structure. The injected polymers were polypropylenes and elastomer added polypropylene.
The deformability of the Al plates were examined under different injection pressures. In
199
order to provide adhesion between metal and polymer, an adhesive was applied on the
metal plate prior injection molding. 3-point bending test was applied to the specimens and
the results were compared with finite element method. As a result, plastic injection forming
is an alternative method for generating polymer/metal hybrid structures, especially for
complex geometrical parts in one step manufacturing.
Keywords: Polymer/metal hybrid structure, plastic injection molding, bending behavior
1. Giriş
Polimer/metal hibrid yapılar birçok alanda kullanılmaktadır. Polimerlerin metaller ile bir
arada kullanılması ile elde edilen hibrid ürünler hafiflikleri, kolay şekillendirilmeleri ve
dayanımlarının yüksek olmasından ötürü havacılık, otomotiv ve beyaz eşya gibi farklı
alanlarda tercih edilmektedir. Son yıllarda gözlemlenen teknolojik gelişmelere paralel
olarak hibrid malzemelerin kullanımının arttığı görülmektedir. Literatürdeki araştırmalar
incelendiğinde, hibrid malzemelerin geliştirilmesindeki temel kriterlerden birisinin bu tip
malzemelerin daha düşük maliyetle üretilmesi, diğeri ise malzemenin dayanımlı ve hafif
olma özelliklerini korumaları yönündedir [1-4]. Ancak, hibrid yapıları elde etmek hem
zaman yönünden hem de işçilik yönünden ekonomik değildir. Geleneksel imalat
yöntemlerinde, metal ve plastik ürün ayrı ayrı imal edilmekte ve daha sonra da bu iki farklı
malzeme birbirilerine bir yapıştırıcı ile yapıştırılmaktadır. Ancak, bu tip uygulamalar hem
işçilik yönünden maliyeti olmakta hem de boyutsal kalite yönünden istenen sonuçları
verememektedir [5].
Plastik enjeksiyonla şekillendirme (Plastic Injection Forming, PIF), polimer/metal hibrid
yapıların farklı geometrilerde ve yüksek boyutsal hassasiyetle imalatının
gerçekleştirilmesini sağlayan bir yöntemdir. [6-8]. PIF yönteminin en önemli
avantajlarından biri, hibrid yapıyı oluşturan plastik ve metal bileşenlerinin aynı anda ve tek
adımda şekillendirilmesidir. Ayrıca, plastik enjeksiyon ile şekillendirmede kullanılan
makinanın geleneksel plastik enjeksiyon makinası olması, yöntemi pratik ve yapılabilir
kılmaktadır.
Plastik enjeksiyon ile şekillendirme yöntemi, enjeksiyon kalıbının çekirdeği üzerine
yerleştirilmiş metal plakanın, enjekte edilen ergiyik polimer basıncı ile şekillendirmesi
esasına dayanmaktadır [8,9]. Ergiyik polimer aracılığı ile uygulanan basınç ile metal plaka,
tıpkı sac şekillendirme yöntemlerinde olduğu gibi şekillendirilmektedir. Metal plakanın
enjeksiyon kalıbı içinde çekilerek ve/veya sıvanarak akması ve istenilen forma girmesi
sağlanmaktadır [10-12].
Bu çalışmada, polimer/metal hibrid yapılar, plastik enjeksiyon kalıplamanın alışılagelmişin
dışında uygulanması ile elde edilmiş, geliştirilen polimer/metal hibrid yapılara 3 nokta
eğilme testleri uygulanarak yapıların eğme davranışı incelenmiştir.
2.1 Malzeme
Deneysel çalışmada, polimer /metal hibrid yapılarda kullanılan metal bileşen alüminyum
(1100 serisi) plakalar olup, özellikleri Tablo 1’de verilmiştir. Alüminyum plakaların
boyutları 115 x 75 x 1.5 mm’ dir. Hibrid yapıdaki polimer malzeme saf polipropilen (PP,
200
Sabic Inc.), termoplastik elastomer (TPE) ve titanyum dioksit partikül takviyeli PP
kullanılmıştır. Ticari olarak temin edilen polimer malzemelerin özellikleri Tablo 2’de
verilmiştir.
Tablo 1 Alüminyum ( 1100-0) serisinin özellikleri
Özellikler
Elastiklik modülü (GPa)
70
Çekme dayanımı (MPa)
90
Akma dayanımı (MPa)
35
Sertlik,
23
Kopmadaki uzama (%)
35
Tablo 2 Kullanılan polimerlerin özellikleri
Polipropilen
Termoplastik Elastomer
PP/EPDM
Elastiklik modülü (GPa)
1-2
0.23
Akış indeksi (g/10 dak)
6.2
10
Sertlik
68 (Shore D)
65 (Shore A)
Kopmadaki uzama (%)
25
600
Özellik
2.2 Yüzey Hazırlama
Alüminyum plakalar enjeksiyon şekillendirme öncesinde 3M’ in aşındırıcı süngerleri
(Diapad kırmızı seri, Al2O3) ile pürüzlendirilmiştir. Zımparalama işleminden sonra
aşındırılmış yüzeyler alkalin sabun ile yakınmış, aseton ile yıkandıktan sonra saf su ile
durulanmış ve kurutulmuştur. Tüm bu işlemleriden sonra metal plakaların yüzeyine adhesif
özellik taşıyan primer (Methan Inc) uygulanmıştır.
2.3 Enjeksiyon Kalıplama
Enjeksiyon kalıplama işlemi için 40 tonluk plastik enjeksiyon makinesi kullanılmıştır.
Yöntemde 30-60 bar arasında farklı enjeksiyon basınçları uygulanmıştır. Plastik enjeksiyon
şekillendirmenin işlem sırası Şekil 1’de gösterilmiştir.
Şekil 1. Plastik enjeksiyonla şekillendirme yöntemi (PIF)
2.4 Eğme Testi
3-nokta eğme testi (ASTM C393) , Zwick 1455 Universal çekme cihazında uygulanmıştır.
Her bir numune için testler 3 kere tekrarlanmış ve ortalaması alınmıştır. Test hızı 5 mm/dak
201
alınmıştır. Eğme testi numunelerinin eldesi için hibrid yapılar üzerinden su jeti ile 3400 bar
basınç altında numuneler kesilerek hazırlanmıştır.
Alüminyum plakaların şekillendirilebilirliğini incelemek için öncelikle plakalara primer
malzeme uygulamadan enjeksiyon şekillendirme işlemi gerçekleştirilmiştir. Farklı
enjeksiyon basıncı değerlerinde şekillendirilen plakalar Şekil 2 ve Şekil 3’de verilmiştir.
30 ve 40 bar enjeksiyon basıncının alüminyum plakaları şekillendirmek için yeterli
olmadığı görülmüştür. Öte yandan, enjeksiyon basıncı yükseldiğinde, metal plakaların
şekillendirilebilirliğinin yükseldiği fakat enjeksiyon basıncı 60 bar gibi bir değerde
olduğunda, plakalarda yırtılmaların meydana geldiği görülmüştür.
Şekil 2. Alüminyum plakaların basınç altında şekillendirilmesi
Şekil 3. Enjeksiyonda ergiyik polimer basıncı ile şekillendirilmiş plakalar
Metal plakaların şekillendirilmesi için uygun enjeksiyon basıncı (50 bar) tespit edildikten
sonra hibrid yapılar elde edilmiştir. Bu yapılara 3-nokta eğme testinin uygulanması için
hibrid yapılardan su jeti ile numuneler kesilmiştir. Su jetinin polimer/metal yüzeyler arası
yapışma bölgesini olumsuz etkilemiş olup olmadığı gözlemleyebilmek için hibrid
yapılardan saf PP içeren numunelere sonlu elemanlar yöntemi (ANSYS Mechanical Apdl
v12.1) uygulanmıştır. Analizde iki metal yüzey, bir polimer çekirdek bölge ve iki adhesive
yüzeyden ibaret 5 tabaka tanımlanmış ve dört nodlu 3D elemanlar seçilmiştir. Elde edilen
sonuçlar Şekil 4’ te verilmiştir. 3-nokta eğme testinden elde edilen sonuçlar ise Tablo 3’ de
ve Şekil 5’ de verilmiştir. Deneysel çalışmada elde edilen sehim 9.36 mm iken, sonlu
elemanlar yöntemi 9.87 mm vermiştir. Eğme dayanımının da sırasıyla 29.37 MPa ve 28.99
MPa olmuştur. FEM ve deneysel sonuçların birbiri ile uyumlu olduğu, plastik enjeksiyon
202
şekillendirme ile elde edilen hibrid yapıların, klasik yöntemlerle elde edilen
numunelerinkine benzer sonuçlar verdiği görülmüştür. Su jeti ile kesmenin de olumsuz
etkisi dikkate alındığında, numunelerin başarılı olduğu kanaatine varılmıştır.
(a) Eğme dayanımı
(b) Sehim
Şekil 4. Saf PP çekirdekli polimer/metal hibrid yapının FEM analiz sonucu
Diğer polimer tiplerini içeren hibrid yapıların eğme testleri irdelendiğinde, PP’ nin titan
dioksit içermesinden ötürü malzemenin rijitliğinin artması sebebi ile eğilme dayanımının
arttığı ve sehim değerinin ise azaldığı görülmüştür. Öte yandan daha esnek bir yapıya sahip
olan termoplastik elastomerin bünyesinden elastomer içerikten dolayı, hibrid yapının sehim
değeri artmıştır.
Malzeme
PP
PP/TiO2
PP/EPDM
Tablo 3 3-nokta eğme testinin sonuçları
Maks. Eğme
Sehim
dayanımı (MPa)
(mm)
29,37
9,36
28,7
8,29
27,34
9,39
Şekil 5. Polimer/metal hybrid yapıların 3-nokta eğme testi eğrileri
4. Sonuç
Polimer/metal hibrid yapıların boyutsal hassasiyeti yüksek ve tek adımda imal edilmesi için
plastik enjeksiyon yöntemi alışılagelmişin dışında bir şekilde uygulanmıştır. Yöntemde,
enjeksiyon basıncının metalin şekillendirilmesi için etkili olduğu, yüksek enjeksiyon
203
basıncında metal plakada yırtılmalar meydana gelmiştir. 3-nokta eğme testi sonuçlarına
göre polimer/metal numunelerin tatmin edici sonuçlar verdiği ve elde edilen hibrid
yapıların özellikle otomotiv, beyaz eşya veya uçak gibi alanlarda kullanılabilecek alternatif
malzemeler olduğu görülmüştür.
Teşekkür
Yazarlar, bu çalışmanın 113M150 numaralı proje kapsamında gerçekleştirilmesinde destek
olan Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu’na (TÜBİTAK) teşekkür eder.
Referanslar
[1] Grujicic, M., Sellappan , V., Omar M.A., Seyr N., “An overview of polymer to metal
direct adhesion hybrid technologies for load bearing automotive components”, Journal of
Material Processing Technology, 197,363-373, 2008
[2] Chen, M., Zhang X., LEi, Q., Fu Jiexing, “ Finite Element Analysis of Forming of Sheet
Metal Blank in Manufacturing Metal/Polymer Macro Composite Components via Injection
Molding”, International Journal of Machine Tools & Manufacture 42, 375-383 , 2002
[3] Abibe AB, Filho AST, Santo JF, Hage E (2013) Mechanical and failure behavior of
hybrid polymer-metal staked joints. Mater Design 46:338-347.
[4] Zhang J, Supernak P, Alander MS, Wang CH (2013) Improving the bending strength
and energy absoprtion of corrugated sandwich structure. Mater Design doi:52: 767-773.
10.1016/j.matdes.2013.05.018
[5] Messler, Robert, “The challenges for joining to keep pace with advancing materials and
designs”, Materials & Design, 16(5), 261-269, 1995.
[7]Bariani, P.F., Bruschi S., Ghiotti A., Lucchetta G., “An Approach to Modeling of
Forming Process of Sheet Metal-Polymer Composites”, Annals of the CIRP, 56(1), 261264, 2007.
[6] Zoellner OJ, Evans JA. Plastic-metal hybrid: A new development in the injection
molding technology. ANNUL Technical Conference, ANTEC, 002 1-4.
[7] Boerio F, Shah P (2005) Adhesion of Injection Molded PVC to Steel Substrates. J
Adhesion. 81(6): 645-675.doi: 10.1080/00218460590954656
[8] Tekkaya A.E., Hussain M.M., Witulski J., “The non hydrostatic response of polymer
melts as a pressure medium in sheet metal forming”, Production Engineering – Research
and Development, 6, 385-394, 2012.
[9] Gutscher G, Wu H-C, Altan, Determination of flow stress for sheet metal forming using
the viscous pressure bulge (VPB) test, Journal of Material Processing Technology, 146, (17), 2004
[10] Berry DH, Namkanisorn A (2005) Fracture toughness of a silane coupled polymermetal interface: silane concentration effects. J Adhesion, 81: 347-370. doi:
10.1080/00218460590944657
[11] Sasaki H, Kobayashi I, Sai S, Omoto T, Mori K (1998) Direct adhesion of nylon resin
to stainless steel plates coated with triazine thiol polymer to electropolymerization during
injection molding. J Polym Tech 55(8): 470-476.
[12] Luccheta G, Baesso R (2007) Polymer injection forming (PIF) of thin walled sheet
metal parts –preliminary experimental results. AIP Conference Proceedings 2007;
907:1046-1051.
204
205

Sempozyum Bildirileri Kitabı

Transkript

Benzer belgeler

GOT-It 2.0.1 ile Elektromanyetik Sistemlerin

LDAP Administrator ile Active Directory Yonetimi Active Directory

Araştırma derinliği Yüzeyden verilen akımın nüfüz derinliği tamamen

asat genel müdürlüğü coğrafi bilgi sistemleri veri üretimi ve teslimi

Tunceli İli Ali Baba Mahallesindeki Yapı Uygulamalarında Görülen

Lab 1 On-Calisma

Makaleyi Yazdır - Selçuk Teknik Online Dergi

kullanma kılavuzu 222

Mutfak tipi bir mikrodalga fırının mikroişlemci ile kontrolü