kalsiyum karbonat katkılı polipropilen random kopolimer
Transkript
kalsiyum karbonat katkılı polipropilen random kopolimer
8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY KALS YUM KARBONAT KATKILI POL PROP LEN RANDOM KOPOL MER MALZEMEN N MEKAN K ÖZELL KLER NE SO UK ÇEKMEN N ETK enol AH N, Tülin AH N Kocaeli Universitesi, Makine Mühendisli i Bölümü, 41040, zmit/Türkiye ÖZET So uk ekil verme i lemi termoplastik malzemelerde moleküler yönlenmenin derecesini belirleyen bir olayd r. So uk ekillendirme, çekme suretiyle bir numunenin yatay kesit alan n azalt lmas r. Cams geçi s cakl n veya erime s cakl n alt ndaki bir s cakl kta, so uk ekil verme olay hem amorf hem de yar kristalli polimerlere uygulanabilir. Kat fazdaki çubuk, iplik, boru, levha gibi polimer malzemeler çekme gerilmesiyle yönlendirilerek belli bir miktarda plastik deformasyona u rat lmas yla mekanik özelliklerinin iyile tirilmesi mümkün olmaktad r. Yönlenme sonucunda elde edilen sertlik ve mukavemet art n derecesi yakla k olarak deformasyonun derecesine, dolay yla da molekülsel zincirlerin yönlenme miktar na ba r. Uygulanan gerilmenin yönüne ba olarak polimer zincirlerinin düzene girme derecesi uygulanan çekme gerilmesinin bir fonksiyonudur. Bu çal mada, so uk çekmenin farkl oranlardaki kalsiyum karbonat katk polipropilen random kopolimer malzemenin mekanik özelliklerine etkisi incelenmi tir. Oda s cakl nda yap lan so uk çekme ile yönlendirilmi mekanik özelliklerindeki de imler çentik darbe ve çekme deneyi ile incelenmi tir. Sonuçlar yönlenme ve katk maddesinin de en oranlar n malzemenin özelliklerini etkiledi ini göstermi tir. Bu de imin dikkate al narak malzemenin maruz kalaca servis artlar süresince gösterece i performans dü ünülerek tasar mlar n yap lmas gerekti i vurgulanm r. Anahtar Kelimeler: Polipropilen Random Kopolimer, kalsiyum karbonat, So uk çekme, Mekanik özellikler, EFFECT OF COLD DRAWING ON MECHANICAL PROPERTIES OF CALCIUM CARBONATE FILLED POLYROPYLENE RANDOM COPOYMER ABSTRACT Degree of molecular orientation is determined by cold drawing process in thermoplastic materials. Cold drawing is decrease of a sample’s horizontal cross-section area. Cold drawing can be used to under glass transition temperature or melting temperature. 320 8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY Polymeric materials are deformed in plastically region which are orientated by tensile stress in the event of mechanical properties are improved on polymeric materials to shaped form of bar, thread, pipe, slab. Improving of hardness and strength is owing to orientations which depend on deformed degree so amount of molecular orientation. Orientation degree of polymeric chains is a function about line of thought strength. In this study, influences of cold drawing on mechanical properties investigation on polypropylene random copolymer (PP-R) with different rate of calcium carbonate. Orientated with cold drawing at room temperature samples performed with notched impact for determination of mechanical changing. Results point out that orientation and addition rates influence of mechanical properties. It is emphasized that by considering these changing, the design of the products has to be reanalyzed estimating the service life and service conditions of product. Keywords: Polypropylene Random Copolimer, Calcium Carbonate, Cold Drawing, Mechanical properties 1. G Gerilme, σ Geli mi ülkelerde 1970’li y llar n sonlar ndan itibaren yayg nla arak s cak ve so uk su tesisatlar nda kullan lan plastik boru sistemleri, di er malzemelerin yan s ra son 15 y ldan daha fazla bir süreden beri PP-R malzemeden de üretilmektedir. Avrupa’da kullan lan boru tesisat sistemlerinin toplam miktar 1988 y ndan 1998 y na kadar iki kat na ç karken, Almanya’da plastik borular, metal esasl borular n egemenli ine son vermi lerdir ( Bresser and Sallaberger 2001, Lind 1995). (3) (2) (1) % uzama ekil 1. So uk ekillendirme yap lm bir polimerin gerilme uzama diyagram Yerden tma sistemlerinde, yüksek s cakl klara dayan kl ile kendisini ispatlam ve bu nedenle piyasaya ç kar lm olan PE-X borular, kendilerini ispatlam PP ve poliolefin grubundan olan di er malzeme polibütadien (PB) kullan lm r. PE-X, PP ve PB plastik boru sistemleri do al olarak ayn anda içme suyu sistemlerinde de devreye sokulmu tur. Hafiflikleri, ta nma kolayl klar , izolasyon gerektirmemeleri, kolay dö eme tekni i, montaj n firesiz ve çok süratli yap labilmesi, korozyona dayan kl klar , içme suyunun tad bozmadan ta yabilmeleri ve uzun ömürlü olmalar gibi avantajl özellikleri malzemelerin ba ar lar nda çok büyük etken olmu tur (Yayla 2002, Bresser 2001, Schöpf and Schneider 1997, Martin 1997, Ant et al 1997, Schüssler 1996, Janson 1995, Akar 1994). So uk ekil verme i lemi termoplastik malzemelerde moleküler yönlenmenin derecesini belirleyen önemli bir olayd r. So uk ekillendirme, çekme suretiyle bir numunenin yatay kesit alan n azalt lmas r. Plastik deformasyon bu noktada yo unla r ve buna boyun verme denir. So uk ekillendirme i lemi ekil 1’teki gerilme uzama diyagram ile aç klanabilir. Bu e ri üç 321 8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY bölge ile tan mlanabilir: 1. bölgede %uzama gerilmeye kar lineerdir, 2. bölgede gerilme azal r, 3. bölgede ise daha yüksek bir gerilmenin oldu u sertle me uzamas meydana gelir (IRC). Gerilmenin a yo un oldu u bir noktada boyun verme ( ekil 2) meydana gelebilir. Hem yava ça küçülen yatay kesit alan ndan dolay hem de hacimdeki bir noktada daha dü ük uygulanan yükten dolay meydana gelen akman n sonucunda özelliklerde bölgesel olarak de imler vard r. Ba lang takiben modülün dü ük oldu u bu bölgede deformasyon devam eder. So uk çekme limiti s cakl a ba r. Do al çekme oran na ula ld zaman gerçek rijitlilik artar, deformasyon dengelenir ve boyun verme bu bölgenin d na hareket eder. F Boyun verme F ekil 2. ematik olarak sünek bir malzemede boyun verme olay Cams geçi s cakl n alt ndaki bir s cakl kta veya erime s cakl n alt nda, so uk ekil verme olay hem amorf hem de yar kristalli polimerlere uygulanabilir. So uk ekil verme amorf polimerlerde uzun zincir moleküllerinin tekrar düzenlenmesi olarak da ifade edilir. Yar kristalli polimerlerin morfolojik de imleri so uk ekil verme neticesi çok karma k hale gelir. Genellikle malzemeye artan yük uygulanarak çekme testi yap r. Bu metot, polimerlere özel sebeplere ihtiyaç duyuldu unda uygulan r. Çünkü yükün uygulanmas ile malzeme uzamas aras ndaki gecikmeden dolay malzeme sürünür. Bu yüzden, gecikme uniform de ilse malzemede lineer olmayan a düzensizlik gözlenir (CRAWFORD 1987). Çekme i leminin erime s cakl na çok yak n s cakl klarda veya çok dü ük s cakl klarda yap lmas uygun de ildir. Çok dü ük s cakl klarda yüksek çekme gerilmelerine gerek duyulmaktad r. Bununla beraber ergime s cakl na yak n s cakl klarda yap lan çekmelerde molekül zincirinin çekme esnas nda ve sonras nda yüksek s cakl ktan dolay oldukça oynak olmas kopma olmadan yüksek deformasyon derecelerine ula mas mümkün k lmas na ra men bu akma eklindeki çekme ile malzeme özellikleri kat fazla kar la ld nda fazla bir ekilde de mez. Polietilen (PE), polikarbonat (PC) ve polipropilen (PP) içeren birçok polimer oda s cakl nda çekilebilir ve bu sayede gerilme ve rijitli in artmas na sebep olur. Genelde, çekme ile yönlendirme sentetik fiberlerin özelliklerini art rmak için kullan lmaktad r (SCHEIRS 2000). Termal ya lanma, malzemelerin etkisinde kimyasal ve fiziksel özelliklerinin de mesidir. Termal ya lanman n hangi ko ullarda gerçekle ti i ve tecrübeleri tasar m mühendisleri için önemlidir. Termal ya lanma etkisinin malzeme özelliklerine etkisinin bilinmesi, malzemenin etkisiyle ömrünün ne kadar olaca gibi sorunlar tasar m mühendislerinin her zaman üzerinde durduklar konulard r. Termal ya land rma yüksek s cakl klarda kütle kay plar için 322 8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY tersinmez bir olayd r. Sar lm çekirdekteki baz de iklikler, zaman, oda s cakl ak , çekirdek hacmi ve ekli gibi baz de erlerin fonksiyonudur. , hava Bu çal mada, yar kristalli malzemelerde so uk çekme sonucu meydana gelen yönlenmenin mekanik özelliklere etkisi ara lmak istenmi tir. 2. DENEYSEL ÇALI MA 2.1. Malzemeler Ara rma için polipropilen random kopolimer (PP-R) malzemeleri kullan lm r. Polipropilenin (PP) özel türü olan polipropilen random kopolimer boru üretiminde hammadde olarak kullan lan granül eklinde elde edilmi tir. %5, %15 ve %30 olmak üzere üç de ik oranda kalsiyum karbonat katk maddesi özel olarak harmanlanarak enjeksiyon kal nda kal planm r. 2.2. Deney Numunesi Üretimi Granül haldeki PP-R maddeler, TSE’nin TS 1149 (1978) numaral standard dikkate al narak, enjeksiyon kal plama yöntemiyle ilgili deneylere ait standart deney numunelerinde üretilmi tir. Bursa’da yerle ik EMA Plastik Sanayi ve Ticaret Anonim irketi bünyesinde bulunan ERAT FE130/95 model enjeksiyon makinesi kullan lm r. 2.3. Deney artlar ve Deney Makineleri Bu çal man n amac , so uk çekilmi polipropilen random kopolimer malzemenin mekanik özelliklerindeki de imi incelemektedir. Çekme numunelerine 1mm/dk h z ile laboratuar artlar nda çekme uyguland ve çekme sonras numuneler 0ºC ± 1 ºC s cakl ktaki suda bekletilmi tir. So uk çekilmemi çekme numuneleri çekme kal plar na yerle tirilerek f n içinde 100 ºC cakl klarda 2 saat yönlendirme öncesi bekletilmi tir. So uk çekme sonras PP-R malzemelerin mekanik özellikleri, malzemelere uygulanan çekme ve Charpy çentik darbe deneyleri ile belirlenmi tir. S cakl k ve nem oran belirtilmeyen di er tüm deneyler 22ºC ± 1 ºC s cakl k ve %50 ± 10 nem oran ndaki deney artlar nda gerçekle tirilmi tir. Her bir deneyden elde edilen de erler, TS 2629 (1977) numaral standart göz önünde bulundurularak, Chauvenet Kriterine (Holman 1994) göre istatistiksel olarak de erlendirilmi ve ortalama de erleri kullan larak kar la rmal diyagramlar çizilmi tir. 2.3.1 Çekme Numunesi ve Çekme Deneyi Çekme deneylerinde, enjeksiyon kal plama ve makine ile i lenerek üretilmi bütün çekme numuneleri, TS 1398-2 (1997) veya ISO 527-2 (1993), standard nda çekme cihaz ndaki çekme çenelerine, enjeksiyon giri i sabit çene taraf nda olacak ekilde yerle tirilmi tir. Çekme deneyi, polimerlerin tek eksenli ve 1 mm/s sabit h zda çekme numunesinin kopmas na kadar ki gerilme-uzama davran n incelenmesine ve bu sayede incelenen malzemenin Hook do rusunun artmas yla elastisite modülü (E), akma gerilmesi ( y) ve akma uzamas ( y) gibi farkl tan m de erlerinin elde edilmesi için uygulan r. 323 8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY 2.3.2 Charpy Numunesi ve Charpy Deneyi Charpy numunelerine 22oC ± 1oC s cakl k ve %50 ± 10 nem oran ndaki ortam nda ISO 179/1eU standard na uygun Charpy deneyleri uygulanm r. Deneyler çarpma h 2.53 m/s olan CEAST marka instrumente edilmi Charpy darbe test cihaz yla gerçekle tirilmi tir. Charpy deneyleri ile elde edilen kuvvet (F)-zaman (t)-ve kuvvet (F)-yol (x) diyagramlar ndan maksimum kuvvet (FMaks) [N], K lma enerjisi Cv [J], maksimum kuvvetteki enerji (CvFmaks) [J] (Charpy çatlak ba latma enerjisi ) ve k ncaya kadar ki enerjisi (Cvileri ) [ J ] (Çatlak ilerletme enerjisi) büyüklükleri saptanm r. 2.3.3 Sertlik Deneyi Sertlik deneylerinde, enjeksiyon kal plama ile i lenerek elde edilmi ve so uk çekme uygulanm çekme numuneleri üzerinde sertlik ölçümleri yap lm r. TS 1181 (1999) [12] standard göz önünde tutularak gerçekle tirilen sertlik deneyleri analog tip D (Shore D) sertlik cihaz ile gerçekle tirilmi tir. Tutarl bir sertlik ölçümü de eri elde etmek ve do ru sonuca ula mak için, Shore D sertlik de erleri, her bir sertlik numunesinin, hep ayn yüzeyinden ve bu yüzeyin ortas ndan al nm r. Sertlik de eri ölçümü s cakl k ve nem oran 22°C ± 3°C cakl k ve %50 ± 10 nem oran ndaki deney artlar nda gerçekle tirilmi tir. 3. BULGULAR VE DE ERLEND RME ekil 3 den görüldü ü üzere CaCO3 oran art kça k lma enerjisinde azalma meydana gelmektedir. Yönlendirme miktar art kça katk z, %5 ve %15 katk malzemelerde k lma enerjilerinde yönlendirme miktar art kça dikkate de er art lar meydana gelmektedir. %30 katk CaCO3 malzemede yönlendirme miktar art kça k lma enerjisinde dü meydana geldi inden yönlendirme bu malzeme için dezavantajl olmaktad r. 1,0 % 0 CaCO3 0,9 % 5 CaCO3 % 15 CaCO3 lma Enerjisi ( J ) 0,8 % 30 CaCO3 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0 ekil 3.Farkl CaCO3 katk 5 11 Yönlendirme Mikar ( % ) 22 PP-R malzemenin yönlendirme miktar na ba enerjisindeki de im 324 k lma 8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY 0,170 0,165 % 0 CaCO3 Maksimum Kuvvet ( kN ) 0,160 % 5 CaCO3 0,155 % 15 CaCO3 0,150 %30 CaCO3 0,145 0,140 0,135 0,130 0,125 0,120 0 5 ekil 4 Farkl CaCO3 katk 11 Yönlendirme Mikar ( % ) 22 PP-R malzemenin yönlendirme miktar na ba kuvvetteki de im maksimum ekil 4 katk z malzemede yönlenme miktar art kça maksimum kuvvette %18 varan art meydana gelmektedir. %5 ve %15 CaCO3 katk malzemelerde de az miktarda art görülmektedir. %30 CaCO3 katk malzemede yönlendirme maksimum kuvveti olumsuz yönde etkilemi tir. 120 % 0 CaCO3 katk PPRc Maksimum enerji Çatlak ba latma enerjisi Çatlak ilerletme enerjisi 100 ( % ) 80 60 40 20 0 ekil 5 %0 CaCO3 katk 0 5 11 Yönlendirme Miktar ( % ) PP-R malzemenin yönlendir miktar 325 22 n k lma enerjisine etkisi 8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY 120 % 5 CaCO3 katk PPRc Maksimum enerji Çatlak ba latma enerjisi Çatlak ilerletme enerjisi 100 ( % ) 80 60 40 20 0 ekil 6 %0 CaCO3 katk kuvvetteki de im 0 5 11 Yönlendirme Miktar ( % ) 22 PP-R malzemenin yönlendirme miktar na ba 120 % 15 CaCO3 katk PPRc maksimum Maksimum enerji Çatlak ba latma enerjisi Çatlak ilerletme enerjisi 100 ( % ) 80 60 40 20 0 ekil 7. %15CaCO3 katk 120 0 5 11 Yönlendirme Miktar ( % ) 22 PP-R malzemenin yönlendirme miktar % 30 CaCO3 katk PPRc n k lma enerjisine etkisi Maksimum enerji Çatlak ba latma enerjisi Çatlak ilerletme enerjisi 100 ( % ) 80 60 40 20 0 ekil 8. %30 CaCO3 katk 0 5 11 Yönlendirme Miktar ( % ) 22 PP-R malzemenin yönlendirme miktar n k ma enerjisine etkisi ekil 5-8 deki grafiklerde her bir katk maddesine göre çatlak ba latma ve ilerletme enerjilerinin kendi içinde de imleri verilmi tir. CaCO3 katk maddesi art kça çatlak ba latma 326 8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY enerjilerinde dü çatlak ilerletme enerjilerinde art gözlenmektedir. Yönlenme miktar art kça da her bir katk oranl malzemede çatlak ba latma enerjilerinde dü görülmektedir. Yönlenririlmemi %5 CaCO3 30 Akma Gerilmesi ( MPa ) 29 %15 CaCO3 %30 CaCO3 28 27 26 25 24 23 0% 5% 11% 22% Yönlendirme Miktar ekil 9. Farkl CaCO3 katk PP-R malzemenin yönlendirme miktar na ba de erlerindeki de im akma gerilme ekil 9 ve ekil 10 da yönlendirme miktar na ba farkl oranlarda CaCO3 katk PP-R malzemenin akma ve maksimum gerilme de erlerindeki de imler verilmektedir. Yönlendirme miktar n art ile tüm de erlerde dü görülmektedir. Akma uzamas na yak n ve üstünde yap lan bu yönlendirmelerde plastik ekil de imi malzemelerde görülmesi molekül zincirlerinde kopma meydana geldi inin i aretidir. Maksimum Gerilme (MPa ) 30 29 Yönlenririlmemi %5 CaCO3 28 %30 CaCO3 %15 CaCO3 27 26 25 24 23 0% 5% 11% 22% Yönlendirme Miktar ekil 10. Farkl CaCO3 katk PP-R malzemenin yönlendirme miktar na ba gerilme de erlerindeki de im 327 maksimum 8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY 80 % 0 CaCO3 % 5 CaCO3 75 % 15 CaCO3 70 % 30 CaCO3 Shore D 65 60 55 50 45 40 0% 5% 11% 22% Yönlendirme Miktar ekil 11. Farkl CaCO3 katk PP-R malzemenin yönlendirme miktar na ba de erlerindeki de im sertlik CaCO3 katk malzemenin sertlik de erlerini dikkate de er ölçüde art rmaktad r. Fakat yönlendirme miktar art kça her bir oran için sertlik de erlerinde dikkate de er bir de im görülmemektedir ( ekil 11). 4.SONUÇLAR 1- Plastik boru imalat nda kullan lan PP-R CaCO3 ilavesi ve yönlendirme uygulamas darbe özelliklerini iyile tirirken ayn yönde yap lan çekme deneyi sonuçlar ve sertlik de erlerini olumsuz etkilemi tir. 2- CaCO3 katk maddesi art kça çatlak ba latma enerjilerinde dü çatlak ilerletme enerjilerinde art gözlenmektedir. Yönlenme miktar art kça da her bir katk oranl malzemede çatlak ba latma enerjilerinde dü görülmesi olumlu bir sonuçtur. KAYNAKLAR 1. YAYLA, P., "Günümüzde ve Gelecekte Plastik Borular", PAGEV Plastik Ara rma Geli tirme ve nceleme Dergisi, Y l 12, Say 61, Mart-Nisan 2002, s. 70-73 2. BRESSER, R., “PP Pipe Systems for Plumbing, Heating and Industrial Applications”, 2001. 3. SCHÖPF, A. and SCHNEIDER, H., 1997. Polypropylen für Rohrleitungssysteme, Kunststoffe 87, 2, 198-201. 4. MARTIN, G. A., 1997. Profil- und Rohrextruder, Kunststoffe 87, 11, 1609-1616. 5. ANT, E. and et al, 1997. Kunststoffrohr-Handbuch: {Rohrleitungssysteme} für die Ver- und Entsorgung sowie weitere Anwendungsgebiete, Hrsg.: Kunststoffrohrverband e.V. Bonn, 3. Auflage, Vulkan-Verlag, ISBN 3-8027-2708-8, Essen. 6. SCHÜSSLER, St., 1996. Innen glatte PP-Rohre, Kunststoffe, 86, 8, 1138-1139. 7. JANSON, L. E., 1995. Plastics Pipes for Water Supply and Sewage Disparal, Borealis, Stockholm. 8. AKAR, A., 1994. Plastik Borular, Tesisat Mühendisli i Dergisi, TMMOB Makina Mühendisleri Odas , 1, 11, 7-10 9. BRESSER, R. and SALLABERGER, A., 2001. PP-R for demanding plumbing and heating applications: Success through high quality systems, 328 8. Uluslar Aras K lma Konferans Bildiriler Kitab 7 – 9 Kas m 2007 Prooceedings of 8th International Fracture Conference 7 – 9 November 2007 Istanbul/TURKEY http://www.borealisgroup.com/public/customer/pipe/publications/MainPage.jsp, October 2001. 10. LIND, C., 1995. PP-R Sanitary Pipe Systems-The Continuing Success Story, Plastics Pipes IX, Edinburgh, Scotland, UK 18-21 September 1995. 11. SCHEIRS, JOHN, 2000. “Compositional and failure analysis of polymers”, Willey, ISBN:0-471-62534-5 12. CRAWFORD, R.J., 1987, Palstics Engineering, Pergamon press , ISBN: 0-08-032627-7 13. IRC web sayfas : http.//www.irc.leeds.ac.uk/iaps/mod2/node16.htlm 14.HOLMAN, J. P., 1994. Experimental Methods for Engineers, Sixth Edition, McGraw-Hill, Inc., ISBN 0-07029666-9, Singapore. 329