ÖZET
Bu çalışmanın amacı, cam elyaf takviyeli kompozitlerde dolgu maddesi
kullanımının mekanik özelliklere ve maliyetlere etkisini incelemektir ve bu inceleme
sonucunda kompozit üretiminde hangi durumlarda hangi dolgu maddesinin
kullanılabileceğini belirlemektir. Bu çalışmada 4 farklı dolgu maddesi kullanılmıştır.
Bunlar; Kaolen, Kalsit A30, Talk ET5 (Mısır Talkı) ve Mikro Talk AT-200’dür.
Kompozit malzemelerde iki farklı amaçla dolgu maddesi kullanılabileceği
bilinmektedir. Bunlardan biri mekanik özellikleri iyileştirmek için kullanılan takviye
edici nitelikte dolgu maddeleridir. Diğeri ise ticari alanda yaygın olarak kullanılan ve
maliyet düşürücü nitelikte olan dolgu maddeleridir. Bu çalışmada kullanılan dolgu
maddeleri maliyet düşürücü nitelikte olduklarından, mekanik değerleri çok fazla
etkilemeden daha düşük bir maliyetle kompozit üretiminin nasıl gerçekleştirilebileceği
araştırılmıştır. Bunun için bir adet dolgusuz cam elyaf takviyeli kompozit ve 4 adet
farklı dolgu maddesi içeren cam elyaf takviyeli kompozit yapılmıştır. Tüm
kompozitlerde cam elyaf oranı aynıdır ve dolgulu kompozitlerdeki dolgu miktarı
polyester miktarının ağırlıkça %10’u kadardır. Mekanik özellikleri incelemek için
çekme, eğme testleri, Izod ve Charpy darbe testleri yapılmıştır. Ayrıca kompozitlerin
üretiminde kullanılan keçe, polyester ve dolgu maddelerinin fiyatları belirlenerek bir
maliyet hesabı yapılmıştır. Sonuç olarak mekanik değerler ve maliyet için çeşitli
tablolar elde edilmiştir.
Deneysel çalışma anlatılmadan önce genel olarak kompozitler ve kompozit
sistemlerinin bileşenleri anlatılmıştır. Daha sonra bunlar iki ana başlık olan termoset
ve termoplastikler adı altında ayrıntılı olarak incelenmiş ve üretim yöntemleri
anlatılmıştır. Devamında ise dolgu maddeleri ve dolgu maddelerinin mekanik
özelliklere etkileri anlatılmıştır.
Numune hazırlamak için kullanılan el yatırması yöntemi ayrıntılı olarak
anlatılmış ve bu üretim yöntemini etkileyen faktörler sonuç kısmında ayrıntılı olarak
açıklanmıştır. Ayrıca çekme testlerinde kopan numunelerin SEM görüntüleri alınarak iii
mekanik değerlerin nelerden etkilendiği bir de SEM görüntüleri üzerinden incelenerek
sonuç kısmında ayrıntılı bir şekilde ifade edilmiştir.
Bu çalışmanın sonucunda dolgusuz polyesterin mekanik değerleri dolgulu diğer
numunelere göre daha yüksek çıkmıştır. Bu çalışmada kullanılan dolgu maddelerinin
maliyet düşürücü nitelikte olduğu ve bunun için mekanik değerlere negatif yönde
etkileri olduğu belirlenmiştir.
Dolgulu 4 numuneyi mekanik özellikleri açısından kendi içlerinde
karşılaştırırıldığında, en yüksek çekme mukavemeti Mikro Talk At-200 ve Kalsit
dolgulu numunelerde, en yüksek eğme mukavemeti talk ET5 dolgulu numunede, en
yüksek izod darbe mukavemeti talk ET5 dolgulu numunede ve en yüksek Charpy
darbe mukavemeti ise kalsit dolgulu numunede görülmektedir.
Maliyetin % 25 önemli olduğu bir uygulamada dolgu maddesi kullanılmayan
(dolgusuz) kompozit tercih edilmelidir. Dolgusuz kompozit maliyeti en yüksek olandır
ve maliyetin fazla önemsendiği bir uygulamada dolgusuz kompozitten önce Kalsit
veya Talk ET5 dolgulu kompozitler tercih edilmelidir.
Deneysel çalışmalar Cam Elyaf A.Ş. AR-GE laboratuarlarında
gerçekleştirilmiştir ve numune hammaddeleri olarak Cam Elyaf A.Ş’de üretilmiş
polyester (CE 92) ve cam elyaf keçesi (Mat8-450, toz bağlayıcılı) ve Omya
Madencilik A.Ş, Mondo Minerals OY ve Esen Mikronize Maden San. ve Tic. A.Ş’den
alınan dolgu maddeleri kullanılmıştır. iv
1.GİRİŞ ve TEMEL BİLGİLER
Kompozit malzemeler artık gittikçe artan oranlarda ve yeni sektörlerde
kullanılmaya başlanmıştır. Uzun zaman uçak sanayisindeki ihtiyaçların yönlendirdiği
kompozit malzeme gelişmeleri son dönemde yeni birçok sektörde birçok farklı amaç
için kullanılmaktadir.[15]
Malzeme bilimi önderliğinde daha üstün teknolojilerin üretildiği günümüzde
özellikleri daha üstün olan malzemelerin ve buna paralel olarak da kompozit
malzemelerin kullanımının önemi artmıştır. Bu çalışmada cam elyaf takviyeli
kompozit malzemelerinde dolgu maddesi kullanımının mekanik özelliklere etkisinden
bahsedilecektir.
1.1.Kompozit Malzemeler
Karma manasına gelen kompozit kelimesi fransızcadaki composite kelimesinden
gelmektedir.
Kompozit, birbirinden biçimleri ve kimyasal bileşimleriyle ayrılmış ve esas
olarak birbiri içinde çözünmeyen iki veya daha çok mikro ve makro bileşenin karışımı
veya bileşimiyle oluşan malzemedir. [1]
Fakat uygulamada kompozitler, bileşenlerin makro düzeyde bir araya geldiği
malzemeler olarak anılmaktadır. [2]
Kompozit malzemeler aslında prensip olarak uzun yıllar önce kullanılmaya
başlanmıştır. Kerpiçin bileşimindeki kil, dayanıklığının artması için saman ve bitkisel
liflerle harmanlanmıştır. Günümüzde ise en çok kullanılan kompozitlerden biri
betondur. Çimento ve kumdan meydana gelen matris çelik çubuklar ile
takviyelenir.[15]
İlk modern sentetik plastiklerin 1900'lerin başında gelişitirilmesinin ardından,
1930'ların sonunda plastik malzemelerin özellikleri diğer malzeme çesitleri ile rekabet 2
edecek düzeyde gelişmeye başlamiştir. Kolay biçim verilebilir olmaları, metallere
oranla düşük yoğunlukta olmaları, üstün yüzey kalitesi ve korozyona karşı dayanımı
plastiklerin yükselmesindeki en önemli özelliklerdir. Bir çok üstün özelliğinin yanı
sıra sertlik ve dayanıklılık özelliklerin düşük olması plastik malzemelerin
güçlendirilmesi için çalışmalar yapılmasını sağlamıştır. Bu eksikliğin giderilmesi
amacıyla 1950'lilerde polimer esaslı kompozit malzemeler geliştirilmiştir. [15]
Bir malzemede aynı anda bir çok özellik istenebilir. Fakat ne yazık ki
malzemeler kendi başlarına istenen özelliklerin tümünü gösteremeyebilir. Yüksek
performanslı bir malzemeye ihtiyaç duyulan bir alanda aynı anda sağlamlık, aşınma
dayanımı, rijitlik, darbe dayanımı, hafiflik istenebilir. Ve bu özelliklerin sadece
metallerle, sadece seramiklerle veya sadece polimerlerle elde edilmesi güçtür. Böyle
bir durumda her biri belli bir özelliği ile iyi olan malzemeler kompozitin bir fazını
oluşturacak şekilde bir araya getirilip üretilen kompozit denen karma malzemelere
ihtiyaç vardır. Her bir fazın kompozitteki görevi farklıdır. Fazlar birbiri içinde
çözünmeden bir araya gelmesi gerektiğinden aralarındaki arayüzeyle fiziksel olarak
belirlenebilir. Fazlar arasındaki arayüzeyler ve her fazın özelliği kompozitte görünür.
Kompozitler, özellikle polimer kompozitler yüksek mukavemet, boyut ve termal
kararlılık, sertlik, aşınmaya karşı dayanıklılık gibi özellikleriyle pek çok avantajlar
sağlar. Ayrıca kompozit malzemeler nerdeyse metaller kadar dayanıklı ve sert
olmalarının yanında çok da hafiftirler.[15]
Bir kompozitte 2 temel faz vardır: matris ve takviye faz. Bu 2 unsurun
özellikleri, ihtiyaç duyulan nitelikleri karşılayacak şekilde kontrol edilebilir.
1.2.Takviye Edilen Faz
Matris fazı, takviye eden fazın takviye ettiği fazdır. Son ürüne şeklini verir ve
takviye malzemesini bir arada tutup dış ortamdan da korur. Yük uygulandığında ise
yükü takviye malzemeye aktarır. Matris aynı zamanda kompozitin darbe, mukavemet,
tokluk gibi mekanik özelliklerinde de çok önemlidir. 3
Matris fazında istenen özellikler: yüksek mukavemet, yüksek elastik uzama,
yüksek kayma mukavemeti, kullanım sıcaklığında düşük sürünme, yüksek tokluk ve
darbe dayanımı, düşük ısıl iletkenlik, takviye ile iyi bağ oluşturma, kimyasallara ve
çözücülere dayanım, düşük nem emme, hızlı kür etme / katılaşma, kür etme
sıcaklığının kullanım sıcaklığından çok yüksek olması, düşük çekme oranı, uzun raf
ömrü, düşük öz kütlesi ve fiyat. [4]
Kompozitleri matrislerine göre 3 sınıfa ayırabiliriz: metal matrisli kompozitler,
seramik matrisli kompozitler ve polimer matrisli kompozitler. Polimer matrisli
kompozitler 2. bölümde genişce anlatılacaktır.
1.2.1.Metal Matrisli Kompozitler
Metaller saf halde yumuşaktır ve mukavemetleri düşüktür, fakat
alaşımlandırılmış, sıcak- soğuk şekillendirilmiş metaller mukavimdir. Metal
malzemeler yüke maruz kaldıkları zaman birden kırılmazlar sadece akıp yükü bütün
sisteme dağıtırlar, bu da kullanımı güvenilir hale getirir. Tokluk ve mukavemet özellik
çiftinin en uygun olduğu grup olduğu metaller, makine ve metalurji mühendisliği
alanında yaygın olarak kullanılan malzemelerdir.
Bazı metaller liflerle veya taneciklerle takviyelendirilerek kompozit olabilirler.
Örnek olarak tungsten alaşımından yapılan liflerle takviye edilmiş metal alaşım
kompozitleri 1000oC gibi yüksek sıcaklıklara dayanabilmektedir ve bu kompozitler jet
motorlarında kullanılmaktadır.[6]
1.2.2.Seramik Matrisli Kompozitler
Seramikler düşük yoğunluklu, mukavim ve sert olmalarına rağmen çok
gevrektirler diğer bir deyişle plastik olarak akmazlar. Kırılgan olmaları seramikleri
potansiyel olarak güvensiz yapmaktadır. Ayrıca seramiklerin genellikle termal ve
kimyasal dayanımları yüksektir. Fakat ergime sıcaklıklarının yüksek olması ve sert
olmaları işlenmelerini zorlaştırır. Daha yüksek maliyetleri yanında bu malzemelerden
yapılan parçaların çok daha dikkatli ve doğru tasarlanma zorunluluğu vardır. Seramik 4
kompozitler Li2O2-Al2O3-SiO2, SiO2 ve BaO-SiO2-Al2O3-Si3N4 gibi matrislerden
hazırlanır. Takviye edici olarak ise daha çok Al2O3, SiC, Si3N4 kullanılır.[6]
1.3.Takviye Eden Faz
Takviye faz (takviye eden faz) , kompozitlerde yük taşıyıcı olarak görev yapar.
Yükün %70-80’ini taşıyarak kompozitleri mukavim yapan takviye fazdır. Bu
mukavemetlenme takviye fazla matris fazın birbiriyle uyumuna ve bağlanma
kuvvetlerine bağlıdır. Takviye faz tanecik veya elyaf formunda olabilir.
Kompozitlerdeki mukavemetlenme elyafın tipine, kompozitteki oranına
yönlenmesine ve dağılımına bağlıdır.
Elyafın kompozite mukavemet kazandırması için elyafın matris fazıyla
sarılaması yani ıslanma olayının olması gerekmektedir. Belirli miktarda matris fazın
ıslatabileceği elyafın bir sınırı vardı. Bu sınıra kadar elyaf miktarı arttıkça mukavemet
artar. Daha fazlasında ise ıslanma sorunları oluşacağından mukavemet düşer.
Kompozitte kullanılan elyafın oluşturacağı arayüzey arttıkça mukavemet de artar.
Elyaflar yükü uçları arasında taşıyacağından kompozitin mukavim olabilmesi
için elyafların uygulanacak yükle aynı doğrultuda olması gerekir. Eğer yük elyaflara
dik uygulanırsa kompozit istenen mukavemeti gösteremez. Yük çeşitli yönlerden
gelecek ise kompozitteki elyafların yönlenmesi 2 ya da 3 boyutta olabilir.
Kompozit malzemelerde kullanılan başlıca elyaf türleri [3,15,18]:
- Cam elyafı
- Karbon (Graphite) elyafı, (PAN -polyacrylonitrile- ve zift kökenli)
- Aramid (Aromatic Polyamid) elyafı, (Ticari ismi: Kevlar-DuPont)
- Bor elyafı
- Oksit elyafı
- Yüksek yoğunluklu polyetilen elyafı
- Poliamid elyafı
- Polyester elyafı
- Doğal organik elyaflar 5
- Seramik elyaflar
Cam en çok kullanılan takviye malzemesidir ve en ucuzudur. Yüksek dayanıma
ve düşük yoğunluğa sahip aramid ve karbon elyaflar yüksek maliyetlerine rağmen,
hava uzay sanayi başta olmak üzere geniş bir kullanıma sahiptir. [1] Cam elyafı
3.bölümde genişce anlatılacaktır.
1.3.1. Karbon Elyafı [15,18]
Karbon lifi ilk defa karbonun çok iyi bir elektrik iletkeni olduğu anlaşıldıktan
sonra üretilmistir. Cam elyafının metale göre sertliğinin çok düşük olmasından dolayı
sertliğin 3-5 kat artırılması çok belirgin bir amaçtı. Karbon elyafları çok yüksek ısıl
işlem uygulandığında elyaf tam anlamıyla karbonlaşırlar ve bu elyaflara grafit elyafı
denir. Günümüzde ise bu fark ortadan kalkmaktadır. Artık karbon elyafı da grafit
elyafı da aynı malzemeyi tanımlamaktadır. Karbon elyafı epoksi matrisler ile
birleştirildiğinde olağanüstü dayanıklılık ve sertlik özellikleri gösterir. Karbon fiber
üreticilerinin devamlı bir gelişim içerisinde çalışmalarından dolayı karbon elyaflarının
çeşitleri sürekli değişmektedir. Karbon elyafının üretimi çok pahalı olduğu için ancak
uçak sanayinde, spor gereçlerinde veya tibbi malzemelerin yüksek değerli
uygulamalarında kullanılmaktadır.
Şekil 1.1: Karbon Elyaf Örnekleri [18]
Karbon elyafı piyasada 2 biçimde bulunmaktadır:
1) Sürekli elyaf: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek yönlü bantlarda,
ve prepreg‘lerde kullanılmaktadır. Bütün reçinelerle kombine edilebilirler. 6
2) Kırpılmış elyaf: Genellikle enjeksiyon kalıplamada ve basınçlı kalıplarda
makine parçaları ve kimyasal valf yapımında kullanılırlar. Elde edilen ürünler
mükemmel korozyon ve yorgunluk dayanımının yanısıra yüksek sağlamlık ve
sertlik özelliklerine de sahiptirler.
Karbon elyafı genellikle ziftten veya PAN’den (Poliakrilonitril) elde edilir.
Zift tabanlı karbon elyafları göreceli olarak daha düşük mekanik özelliklere
sahiptir.Buna bağlı olarak yapısal uygulamalarda nadiren kullanılırlar. PAN tabanlı
karbon elyafları kompozit malzemeleri daha sağlam ve daha hafif olmaları için sürekli
geliştirilmektedir. PAN’ın karbon elyafına birbirini takip eden dört aşamada
dönüştürülmektedir:
1. Oksidasyon: Bu aşamada elyaf hava ortamında 300oC’de ısıtılır. Bu işlem
elyaftan hidrojenin ayrilmasini daha uçucu olan oksijenin eklenmesini sağlar.
Ardından karbonizasyon aşaması için elyaflar kesilerek grafit teknelerine
konur. Polimer, merdiven yapısından kararlı bir halka yapısına dönüşür. Bu
işlem sırasında elyafın rengi beyazdan kahverengiye döner ve ardından siyah
olur.
2. Karbonizasyon: Elyafların yanıcı olmayan atmosferde 3000°C’ye kadar
ısıtılmasıyla liflerin 100% karbonlaşma sağlanması aşamasıdır. Karbonizayon
işleminde uygulanan sıcaklık üretilen elyafın sınıfını belirler.
3. Yüzey iyileştirmesi, karbonun yüzeyinin temizlenmesi ve elyafın kompozit
malzemenin reçinesine daha iyi yapışabilmesi için elektrolitik banyoya
yatırılır.
4. Kaplama: Elyafın sonraki işlemlerde aşınmasını önlemek için yapılan nötr bir
sonlandırma işlemidir. Elyaf reçine ile kaplanır. Genellikle bu kaplama işlemi
için epoksi kullanılır. Kompozit malzemede kullanılacak olan reçine ile elyaf
arasında bir arayüzey görevi görür.
Karbon elyafının diğer tüm elyaflara göre en önemli avantaji yüksek modülüs
özelliğidir. Karbon elyafı bilinen tüm malzemelerle eşit ağırlıklı olarak 7
karşılaştırıldığında en sert malzemedir. Buna rağmen karbon elyafının bazı
dezavantajları vardır: [3]
- Etkili bir bağlayıcı ajanın olmaması
- Yüksek sıcaklıkta oksitlenmeye hassas olması
- Fiyatının yüksek olması
1.3.2.Aramid Elyafı [15,18]
Aramid kelimesi bir çesit naylon olan aromatik poliamid maddesinden
gelmektedir. Aramid elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar (DuPont) ve
Twaron (Akzo Nobel) ile bilinmektedir. Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak
için birçok farklı özelliklerde aramid elyafı üretilmektedir.
Önemli özellikleri:
- Yüksek çekme dayanımı
- Yüksek darbe dayanımı
- Yüksek aşınma dayanımı
- Yüksek yorulma dayanımı
- Yüksek kimyasal dayanımı
- Kevlar elyaflı kompozitler cam elyaflı kompozitlere göre %35 daha hafif
olması
- E cam türü elyaflara yakın basınç dayanıklılığı
- Genellikle renginin sarı oluşu
- Düşük yoğunluklu oluşu
Dezavantajları ise şöyle sıralanabilir:
- Bazı tür aramid elyafı ultraviole ışınlara maruz kaldığında bozulma
göstermektedir. Sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir.
- Elyaf çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskopik çatlaklar
oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır. 8
Genellikle polimer matrisler için takviye elemanı olarak kullanılan aramid elyafının
bazı kullanım alanları:
- Balistik koruma uygulamaları: Askeri kasklar, kurşun geçirmez yelekler
- Koruyucu giysiler: Eldiven, motosiklet koruma giysileri, avcılık giysi ve
aksesuarları
- Yelkenliler ve yatlar için yelken direği, tekne gövdesi
- Hava araçları gövde parçaları
- Endüstri ve otomotiv uygulamaları için kemer ve hortum
- Fiberoptik ve elektromekanik kablolar
- Debriyajlarda bulunan sürtünme balatalarında ve fren kampanalarında
1.3.3. Polyester Elyafı
Polietilen tereftalat bazlı polyester elyaflar genellikle cam elyafıyla birlikte
kullanılırlar ve malzemeye daha yüksek sertlik, aşınma ve darbe mukavemeti
sağlar.[3]
1.3.4. Seramik Elyaflar
Seramik elyaflar metal oksitlerden üretilmişlerdir. Yüksek termal dayanıma,
yüksek elastik modülüne ve kimyasal dirence sahiptirler. Genellikle alüminyumoksit,
alüminyum-bor-silikat, alüminyum-bor-krom’dan üretilirler. Genellikle bez ve keçe
formunda üretilirler.[3]
Uygulamada en önemli kompozitler, elyaf takviyeli kompozitlerdir. [2]
Tablo 1.1: Bazı lif takviyeli polimer kompozitlerin özellikleri [2]
Malzeme Yoğunluk, g/cm3 Çekme mukavemeti, N/mm2 Elastik Mukaveti, N/mm2
Karbon lifi-epoksi 1.5-1.8 1860 145000
Kevlar-epoksi 2.36 2240 76000
Boron lifi-epoksi 1.4 1240 176000 9
Tablo 1.2: Kompozitlerde kullanılan elyaf çeşitlerinin özelliklerine göre kıyaslaması
[1,4]
Özellik E Camı Karbon (HT türü) Aramid (Kevlar 49)
Çekme dayanımı, MPa 2410 3100 3617
Çekme modülü, GPa 69 220 124
Kopmada uzama % 3.5 1.4 2.5
Yoğunluk (g/cm3) 2.54 1.75 1.48
Fiyat (USD/lb) 1 12 19 10
2.POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİTLER
Polimer kelime olarak çok parçalı manasına gelir. Bir polimer malzeme,
kimyasal olarak birbirine bağlı birçok parça veya birimi içeren bir katı olarak veya
birbirine bağlanarak bir katı meydana getiren parçalar veya birimler olarak
düşünülebilir. Plastikler, belirli biçimde şekillendirilen veya kalıplanan bir yapay
malzeme grubudur. [1]
Plastiklerin ana maddesini organik polimerler oluşturur. Bunlar genellikle büyük
moleküllü organik bileşiklerdir. Kimyasal bakımdan incelendiğinde plastiklerde
genelde karbon (C), hidrojen (H), azot (N), oksijen (O), silisyum (Si), kükürt (S), klor
(Cl) ve flor (F) elementlerinin bulunduğu görülür. Bu elementlerin çeşitli yöntemlerle
tepkimeye girmesiyle makromolekül adını taşıyan çok büyük ve kompleks moleküller
meydana gelir ve böylece polimerler oluşur. [8]
Kimyasal olarak büyük polimer moleküllerinin doğrudan elde edilmesi mümkün
olmaz. Öncelikle monomer adı verilen aktif grupların üretilmesi gerekir. Örneğin
kimyasal formülü (CH3- CH3) olan etan molekülüne sıcaklık ve basınç uygulandığında
2 hidrojen atomunu kaybeder ve elektronların molekül içinde yeniden
düzenlenmesiyle karbon atomları arasında çift bağ (CH2 = CH2) oluşur. Bu şekilde
karbon atomunun dört enerji bağı doymuş olur ve “etilen monomeri” olarak
adlandırılan kararlı bir bileşik elde edilir. [8]
Monomerlerden polimerizasyon yoluyla polimer denilen yüksek moleküllü
organik bileşikler elde etmek amacıyla bir reaktörde milyonlarca monomer, sıcaklığın
ve basıncın etkisi altında tutulur. Belli katalizörlerin de mevcut olduğu bu ortamda,
monomerleri oluşturan karbon atomlarının çift bağları yeniden düzenlenir ve karbon
atomlarının her iki tarafında birer serbest bağ oluşturması suretiyle karbon atomlarının
arasındaki çift bağ tek bağa dönüşür. Serbest bağlar başka monomerlerin serbest
bağları ile bağlanır ve zincir şeklinde kararlı bir bileşik meydana gelir. Monomerin
devamlı olarak bağlanması ile zincir gittikçe büyür ve reaksiyon zincirin serbest 11
uçlarına bağlanan başıboş hidrojenlere rastlayıncaya kadar devam eder. Bu anda
reaksiyon durur ve zincir tamamlanmış olur. [8]
Zincirin uzunluğu, plastik malzemenin özelliklerini ve teknolojisini önemli
ölçüde etkiler. Zincir uzunluğunun büyümesiyle plastiğin tokluğu, sünme mukavemeti,
erime sıcaklığı ve vizkositesi büyür. Plastiği oluşturan tüm zincirler aynı uzunlukta
üretilemez, bu nedenle aralarında belirli farklar mevcuttur. Bu bakımdan polimeri
oluşturan zincirlerin uzunluğu belirli bir istatistik dağılım gösterir. [8]
Plastiklerin fizikokimyasal özelliklerini incelemek gerekirse:
- Özgül ağırlık: Plastiklerin en önemli özelliklerinden biri bir yapı malzemesi
olarak hafif oluşlarıdır. Plastiklerin çoğunun özgül ağırlıkları 1-2 arasındadır ve
özgül ağılıkları 1.7-12 arasında olan metallere göre bu durum büyük bir avantaj
sağlamaktadır.
- Özgül ısı: Plastiklerden çeşitli eşyaların üretimi genellikle hammaddenin
ısıtılmasını gerektirdiğinden malzemenin özgül ısısı arttıkça ısıtma işleminin
maliyeti de artar ve plastiklerin özgül ısıları metallere göre genellikle
yüksektir. Bu durumda plastikler metallere göre daha güç ısınmakta ve daha
geç soğumaktadır.
- Termal Özellikler: Plastiklerin diğer malzemelerden farklı olan özelliği ısıl
iletkenliğidir. Plastiklerin ısı iletim katsayıları çok düşüktür ve bu nedenle ısıl
yalıtım işlerinde kullanılırlar.
- Termal genleşme katsayısı: Plastiklerin metallere göre termal genleşme
katsayıları çok daha büyüktür, birçok halde sıcaklık değişimleri sonucunda
meydana gelen genleşmeler sorun yaratır. Özellikle kalıplı üretimde çekme
(büzülme) nedeniyle önemli problemler ortaya çıkar ve bu yüzden plastikler,
metaller gibi küçük toleranslarda kalıplanamazlar ve dökülemezler.
- Yararlı sıcaklık sınırları: Termal bozunma sıcaklığı; plastiğin belirli bir
bozunmaya başlama sıcaklığıdır. Plastikler de önemli olan diğer bir sıcaklık da
Vicat yumuşama sıcaklığıdır ve bu sıcaklığa bağlı olarak kullanılan plastik
malzemenin hangi sıcaklıkta yumuşamaya başlayacağı tespit edilir ve malzeme
bu sıcaklığı aşmayan uygun alanlarda kullanılır. 12
- Eriyik indeksi (Melt Indeks): Bir plastiğin eriyik indeksi değeri, polimerin
ortalama molekül ağırlığına bağlıdır. Buna göre molekül ağırlığı arttıkça, MI
değerinde azalma olacaktır, plastik malzeme daha az akışkanlığa sahip
olacaktır.
- Yanıcılık: Plastiklerin yanma karakteristikleri çok önemlidir. Yanmanın
başlama sıcaklık derecesi kadar, plastik yanmaya başladıktan sonra yanmanın
kendiliğinden yayılma hızı da önemlidir.
- Hava etkisiyle bozulma: Polimerlerin zamanla yıpranmasına kimyasal
bozulmaları neden olur. Bu bozulma termik, mekanik, fotokimyasal, biyolojik
ve kimyasal faktörler nedeniyle meydana gelebilir.
- Işık ve geçirgenlik
- Kırılma indisi
- Yüksek enerjili ışınım etkileri
- Su emilimi: Plastiklerin çoğu suda çözünmezler, fakat bir miktar suyu
bünyelerine katabilirler. Su emilimi özelliklerde değişim getirebilir ve bu
nedenle plastiğin etkinliği düşebilir. Mesela; elektriksel özelliklerde belirgin
bir bozulma gözlemlenir, mekanik dayanımın düştüğü görülür. Ham plastikte
ise rutubet üretimi güçleştirir ve son üründe hatalara yol açar.
- Çözücüye dayanıklılık: Bir çözücünün plastiği çözebilmesi için, bu çözücünün
plastikteki moleküller arası kuvvetleri yenmesi gerekmektedir. Çözücüler
plastik molekülleri arasına girip onları ayırarak çözerler. Plastik malzemede
moleküller arası bağlar ne kadar zayıf ise, çözücünün ayırma işlemi o kadar
kolaydır.
- Distorsiyon (Biçim değiştirme): Bir malzemeye gerilim uygulandığında
malzemede bir şekil değişimi (kesitte bir daralma) meydana gelir ve bu
deneysel olarak bulunabilir. Distorsiyon; malzeme içinde atom ve molekül
ölçeğinde meydana gelen mikroskobik değişimlerin toplamıdır.
- Elektriksel Özellikler: Genelde plastiklerin elektrik iletkenlikleri zayıftır.
Polimerlerin elektrik iletmesi için yapısında serbest elektron veya iyon
bulundurması gerekmektedir ve bu elektron veya iyonların yapıda serbestçe
hareket edebilmesi gereklidir. Fakat polimerlerin yapısında sert ve bükülmez 13
zincirlerin olması, bu zincirlerin birbirini kuvvetli etkilemesi, yüksek kristal
yapıya sahip olma ve yönlenme yüzünden yapıdaki elektronlar serbest hareket
edemezler ve bu da plastiklerin düşük elektrik iletkenliğine sahip olmalarına
neden olmaktadır. [8]
Plastiklerin kimyasal özelliklerini incelemek gerekirse ;
Amorf yapı: Polimer zincirlerinin gelişi güzel dönme ve bükülme hareketleri
yaparak düzensiz bir yapının oluşmasıdır. Yapı camsı ve kırılgandır. Böyle bir yapıya
gerilim uygulandığında; çok az bir deformasyon göstermesi beklenir.
Kristalin yapı: Kristalin polimerlerde atomlar belli noktalarda yerleşmiştir ve
hareketsiz bir düzen içine girmişlerdir.
Yönlenme: İntermoleküler düzenin üçüncü şekli olan yönlenme, polimerik fiber,
film ve köpüklerde gözlenir. Eğer erimiş bir polimer soğutulursa, gelişi güzel
yönlenmede amorf veya kristalin yapı oluşur. Katılaşma sırasında; polimerik malzeme
çekilirse, polimer zincirleri çekme yönünde yönlenmektedirler. Yönlenmenin
oluşabilmesi için yapı içinde zincirlerin bir hareketliliğe sahip olmaları gerekmektedir.
Bu nedenle yönlenme, amorf bölgeler üzerinden olur. Eğer kristalin yapı yeteri kadar
amorf bölge içermiyorsa bu malzemede yönlenme görülmez. [8]
Plastiklerin mekanik özellikleri ise sıcaklıktan çok etkilenmektedir. Buna göre
plastiklerde mekanik özelliklerin sıcaklık kontrollü olduğu söylenebilir. Plastiklerin
bazı mekanik özellikleri şunlardır: [8]
- Çekme özellikleri: Bir plastiğin çekme gerilmesi – uzama deneyi metallere
yapılan deneylere benzemektedir. Aradaki fark yükleme hızıdır. Plastiklerde
yapılan çekme deneylerinde meydana gelen uzamanın doğru olarak
ölçülebilmesi için sabit bir hızla yükleme yapılması zorunludur.
- Gerilme-uzama eğrileri: Gerilme - % uzama, ikili koordinat sisteminde grafiğe
aktarılarak elde edilen eğriler plastiklerin mekanik özellikleri hakkında
önemli bilgiler vermektedir. [8]
- Young (Esneklik) modülü: Bir plastik malzemenin esneklik modülü, uygulanan
gerilimin malzemede meydana getirdiği uzama oranıdır. Ayrıca eğrinin
başlangıçtaki doğrusal bölgesinin eğimidir. 14
- Çekme dayanımı: Malzemenin kopmadan dayanabildiği maksimum çekme
gerilmesidir.
- Akma gerilmesi: Esnek olmayan deformasyonun yani plastik şekil
değiştirmenin başladığı gerilme değeridir.
- Kopmada Uzama: Kopma noktasında malzemenin boyut değişim miktarıdır ve
daima ilk uzunluğun %’si olarak belirlenir.
- Birim hacim başına kopma enerjisi (Tokluk): Çekme gerilmesi - % uzama
eğrisi altında kalan alan miktarıdır ve malzemenin dayanıklılığının bir
ölçüsüdür. [8]
Yapılan deneylerde elde edilen yukarıdaki parametrelere bağlı olarak
plastiklerin mekanik özellikleri bu terimlerle açıklanabilir: [8]
- Sert / Yumuşak : Young modülünün yüksek veya düşük değerde olduğunu
ifade eder. Young modülü yüksek malzeme daha kuvvetli bağlara, bu
nedenle daha yüksek bir rijitliğe sahiptir, daha serttir. Yumuşak malzemeler
de ise bu durumun tam tersi geçerlidir.
- Kuvvetli / Zayıf : Akma gerilmesinin yüksek veya düşük olduğunu gösterir.
- Gevrek : Malzemenin akma gerilmesine ulaşamadan kopacağını veya
kırılacağını ifade eder.
- Dayanıklı (Sünek) : Malzemenin kopması için gerekli birim enerjinin çok
yüksek olduğunu ifade eder. [8]
Plastikler birçok nedenle önemli mühendislik malzemeleridir. Özelliklerinin
birçoğuna başka malzemelerle ulaşmak mümkün değildir ve genellikle nispeten
ucuzdur. Plastiklerin diğer tercih edilme nedenleri arasında şunlar da vardır: daha az
sayıda parçayla tasarım olanağı, yüzey bitim işlemlerinin azalması, basitleştirilmiş
montaj yöntemleri, ağırlık kazancı (veya taşıma kolaylığı, hafif oluşu). Plastikler
özellikle mükemmel yalıtım özelliklerine sahip oldukları için, birçok elektrik
mühendisliği tasarımı için çok elverişlidir.[1] 15
Yapılarındaki kimyasal bağa bağlı olarak plastikler iki sınıfa ayrılır:
termoplastikler ve termoset plastikler. Bu sebeble polimer matrisli kompozitleri de
matris fazı olarak kullanılan polimere bağlı olarak iki ana gruba ayrılırlar:
termoplastik ve termoset esaslı kompozitler. [1]
Endüstride çeşitli amaçlarla kullanılmak üzere farklı yapı ve özellikte yüzlerce
plastik geliştirilmiştir. Ancak bunların çoğu çok pahalı veya işlenmesi zor
plastiklerdir. Günümüzde kullanılan plastiklerin büyük bir kısmı polietilen,
polipropilen ve polivinil klorür gibi termoplastik malzemelerdir. Son yıllarda termoset
malzemelerden polimetil metakrilat ve akrilonitril bütadien stiren plastikleri levha,
çubuk ve boru şeklinde mühendislik malzemesi olarak kullanılmaya başlanmıştır. [8]
Polimerler çeşitli şekillerde sınıflandırılır:
1) Kimyasal bileşimine göre: Organik, inorganik
2) Yapılarına göre: Homopolimerler, kopolimerler, terpolimerler
3) İşleme esasına göre: Termoplastik, termoset
4) Kullanım alanına göre: Plastikler, fiberler, kaplamalar
5) Fiziksel yapılarına göre: Amorf, kristalin, yarı kristalin. [8]
İşleme esasına göre polimerler önem kazandığı için bu konu ayrıntılı olarak
incelenmiştir.
2.1.Termoplastik Malzemeler
Şekillendirilebilmeleri için ısıtılmaları gereken termoplastik malzemeler,
soğuduktan sonra şeklini korur. Bu plastikler, özelliklerinde önemli değişiklik
olmadan defalarca ısıtılarak yeni şekillere sokulabilir ve bu işlem sırasında hiçbir
kimyasal değişikliğe uğramazlar. Isı ve basınç altındayken yumuşarlar ve
soğutulduktan sonra sertleşirler. Uygun çözücülerde çözünebilirler ve bu şekilde
kalıplanarak çeşitli şekiller alabilirler. Termoplastiklerin çoğu, birbirine ortaklaşım
bağıyla bağlı çok uzun karbon atomları zincirlerine sahiptirler. Asılı atomlar ve atom 16
grupları bu ana zincir atomlarına ortaklaşımla bağlanırlar. Bazen ana molekül
zincirlerine ortaklaşımla azot, oksijen veya kükürt atomlarının bağlandığı da olur.
Termoplastik polimerlerdeki uzun molekül zincirleri ise birbirine ikincil bağlarla
bağlanır. Termoplastiklerin bünyelerindeki moleküller doğrusaldır ve çapraz
bağlanamazlar. Termoplastik grubunu oluşturan en önemli plastikler akrilikler, naylon,
polistiren, polietilen, selülozikler ve vinillerdir. [1,8]
2.1.1.Genel Amaçlı Termoplastikler
Plastik malzemelerin mühendislik uygulamalarındaki en önemli özelliklerinden
biri nispeten düşük yoğunluğa sahip olmalarıdır. Örneğin demirin yoğunluğunun 7.8
gr/cm³ olmasına karşın genel maksatlı plastiklerin yoğunlukları 1 gr/cm³ civarındadır.
Plastik malzemelerin nispeten düşük çekme dayanımları bazı mühendislik
uygulamalarında istenmeyen bir özelliktir. Plastik malzemelerin çoğu 70 MPa’dan
düşük çekme dayanımına sahiptir. Plastik malzemelerin çekme dayanımı metaller için
kullanılan cihazlarla yapılmaktadır. Plastik malzemeler için en çok kullanılan darbe
deneyi çentikli sarkaç (izod) deneyidir.
Plastik malzemeler genellikle iyi elektrik yalıtkanıdır. Plastik malzemelerin
dielektrik dayanımları, elektrik yalıtım dirençleridir. Elektriksel yalıtkanlık dayanımı
genellikle volt-mm olarak ölçülür.
Plastik malzemelerin kullanılabileceği en yüksek sıcaklık nispeten düşük olup,
termoplastik malzemelerin çoğunda 50 - 150°C arasında değişmektedir. Buna rağmen
bazı termoplastik malzemeler daha yüksek sıcaklıklara kadar örneğin teflon 288°C’ye
kadar dayanabilmektedir.
Bu bahsedilen özellikler aşağıdaki tabloda daha ayrıntılı olarak gösterilmektedir. 17
Tablo 2.1: Genel Amaçlı Plastiklerin Bazı Özellikleri [1]
Genel amaçlı olarak en çok kullanılan termoplastik malzemelere örnek olarak
polietilen, polivinil klorür, polipropilen, polistiren, poliakrilonitril, stiren- akrilonitril
(SAN), akrilonitril-butadin-stiren (ABS), polimetil metakrilat (PMMA) ve
floroplastikler verilebilir. [1]
2.1.1.1.Polietilen (PE)
Renksizden beyaza değişen renkte saydam bir termoplastik malzemedir.
Renklendiriciler kullanılarak çeşitli renkte ürünler elde edilebilir.
Genel olarak düşük yoğunluk (LDPE) ve yüksek yoğunluk (HDPE) polimeri
olarak iki tür polietilen bulunmaktadır. Düşük yoğunluğa sahip polietilenin dallanmış
bir zincir yapısı vardır. Buna karşın yüksek yoğunluğa sahip polietilenin düzgün bir
zincir yapısı vardır.
Düşük yoğunluktaki polietilenin kristallik derecesini ve yoğunluğunu düşüren
dallanmış zincir yapısı vardır. Dallanmış zincirli yapı, moleküller arası bağ
kuvvetlerini zayıflatarak düşük yoğunluk polietilenin dayanımını düşürür. Aksine
Malzeme Yoğunluk
( g/cm3
)
Çekme Dayanımı
( MPa )
Darbe Dayanımı
( Izod, J/m )
Polietilen,
Düşük yoğunluk
Yüksek yoğunluk
0.92-0.93
0.95-0.96
6.2-17.2
20-37.2 21.35-747.3
Bükülmez, klorlanmış PVC 1.49-1.58 51.7-62.1 53.38- 298.9
Genel maksatlı polipropilen 0.90-0.91 33-38 21.35- 117.4
Stiren akrilonitril ( SAN ) 1.08 69-82.8 21.35- 26.69
Genel maksatlı ( ABS ) 1.05-1.07 40.7 320.28
Genel maksatlı akrilik 1.11-1.19 75.9 122.77
Selüloz, asetat 1.2-1.3 20.7-55.2 133.45-213.52
Plitetrafloretilen 2.1-2.3 6.9-27.6 64.05-362.98 18
yüksek yoğunluğa sahip polietilenin ana zinciri üzerindeki dallanma çok azdır,
dolayısıyla zincirler daha sıkı bir şekilde bir araya gelerek kristalliği ve dayanımı
arttırır. Polietilenin en yaygın kullanılan termoplastik malzeme olmasının ana
nedenleri; düşük maliyeti, oda sıcaklığında ve düşük sıcaklıklardaki tokluğu, birçok
uygulamada yeterli dayanımı, -73°C’ye kadar düşen sıcaklıklarda bile eğilebilir
olması, mükemmel aşınma direnci, mükemmel yalıtım özelliği, kokusuzluğu, tatsızlığı
ve su buharını az geçirmesi gösterilebilir.
Tablo 2.2: Düşük ve Yüksek Yoğunluklu Polietilenin Bazı Özellikleri
Polietilenin uygulama alanları olarak kaplar, elektrik yalıtımı, kimyasal tüpler,
ev eşyaları, üfleme kalıplamayla üretilen şişeler gösterilebilir. Polietilen filmler
paketlemede, su havuzu ve çatı astarlamada kullanılır. [1]
2.1.1.2.Polivinilklorür (PVC)
En yaygın kullanılan ikinci termoplastik malzemedir. PVC’nin yaygın
kullanılmasının nedeni kimyasal direnci ve katkı malzemeleriyle karıştırılarak farklı
fiziksel ve kimyasal özelliklerde bileşiklerin yapılabilmesidir. PVC’nin ana zinciri
üzerindeki her iki karbon atomundan birine takılan klor atomları, amorf ve
kristallenmeyen bir polimer malzeme meydana getirir. PVC polimer zincirleri
arasındaki yüksek çekim kuvvetlerinin başlıca nedeni, klor atomlarının çift kutup
momentleridir. Fakat klor atomları büyük oldukları ve negatif yükle yüklü oldukları
için bir üç boyutlu engelleme ve elektrostatik itme yaratırlar ve bu nedenle polimer
zincirlerinin eğilebilirliği azalır. Bu molekül hareketsizliğinden dolayı türdeş
polimerlerin işlenmesinde zorluk oluşacağından, PVC işlenmesini kolaylaştıran
Özellik Düşük Yoğunluk
Polietileni
Çizgisel Düşük Yoğunluk
Polietileni
Yüksek Yoğunluk
Polietileni
Yoğunluk ( g/ cm3
) 0.92-0.93 0.922-0.926 0.95-0.96
Çekme Dayanım ( MPa ) 6.2-17.2 12.4-20.0 20.0-37.2
Uzama ( % ) 550-600 600-800 20-120
Kristalinite ( % ) 65 _ 95 19
katkılar eklenmeden son ürün haline pek şekillendirilemez. PVC türdeş polimeri
nispeten yüksek dayanıma ( 51.75 – 62.1 MPa ) sahiptir ve gevrek bir malzemelerdir.
PVC orta değerde ısıl dayanıma ( 57 - 82°C ), iyi elektriksel özelliklere ve çözücülere
karşı yüksek çözücü direnci vardır. PVC’deki yüksek klor miktarı alevlenmeye ve
kimyasal maddelere direnç sağlar çünkü halojen içeren plastikler yanmazlık özelliği
kazanırlar. Şekillendirmek amacıyla PVC’ye genellikle katılan bileşikler
yoğruklaştırıcılar, ısıl kararlaştırıcılar, yağlayıcılar, dolgu malzemeleri ve
renklendiricilerdir. [ 1 ]
Şekil 2.1: Polivinil Klorür [1]
2.1.1.3.Polipropilen (PP)
Satış ağırlığı yönünden üçüncü en önemli plastiktir ve petrokimyasal
hammaddeden yapıldığından en ucuz plastiklerden biridir. Polietilenden polipropilene
geçerken polimer zincirinde her iki karbon atomundan birinin üzerine bir metil
grubunun takılması, zincirin dönmesinin engelleyerek, daha dayanımlı fakat daha az
eğilebilir bir malzeme oluşturur. Zincirdeki meil grupları aynı zamanda cam geçiş
sıcaklığını da yükseltir, bu nedenle polipropilen polietilenden daha yüksek erime ve
ısıl dayanım sıcaklığına sahiptir. Erime noktası 165–177°C arasında olan PP,
120°C’de biçim değişikliğine uğramadan rahatlıkla kullanılabilmektedir. PP birçok
ürün için ilgi çeken özelliklere sahiptir. Bunlar arasında iyi kimyasal, nem ve ısı
direnci, düşük yoğunluğu (0.900–0.910 g/cm³), iyi yüzey sertliği ve boyutsal
kararsızlığı sayabiliriz. PP aynı zamanda menteşelerde mükemmel bükülme ömrüne
s
