Elastomer malzemelerin statik ve dinamik özellikleri

Abstract

Kauçuk malzemeler 1839 yılında Goodyear'ın vulkanizasyonu bulması ile hayatımıza girmiştir. İkinci Dünya Savaşı öncesi, Almanya'nın doğal kauçuğa erişiminin zor olması, sentetik kauçukların geliştirilmesinde motor rolü oynamıştır. Günümüzde doğal ve sentetik kauçuğun büyük bir kısmı (~ %65) lastik endüstrisinde kullanılmaktadır. Taşıtlarda ve binalarda kullanılan teknik kauçuk parçalar da önemli bir oran teşkil etmektedir. Ayrıca ayakkabı, taşıyıcı bant imalatında, sağlık sektöründe, yer kaplamasında kullanılmaktır. Elastomerler oda sıcaklığında gerilim uygulandığında ilk boyutunun en az iki katı uzayabilen, bu gerilim kalktığında hızla ilk boyutuna dönebilen, elastisite modülleri çok düşük, seyrek çapraz bağlı polimer malzemelerdir. Elastomerler çapraz bağlanabilen kauçuk malzemelerden imal edilirler. Kauçuklardan farklı olarak, yüksek sıcaklıklarda dahi plastik şekil değişimi göstermezler. Bu çalışmada elastomer ve kauçuk kavramları eşanlamlı kullanılmıştır. En çok kullanılan kauçuklar, doğal kauçuk (NR), stiren-butadien kauçuğu (SBR), butadien kauçuğu (BR), etilen propilen dien terpolimeri (EPDM), nitril kauçuk (NBR) ve kloropren kauçuğu (CR) dur. Plastik malzemelerden farklı olarak, elastomer malzemeler belirli işlevleri olan katkı maddeleri ile karıştırılarak kullanılır. En önemli katkı maddesi, elastomerin çapraz bağ yapısı oluşturması için kullanılan vulkanizasyon elemanıdır. En çok kükürtle ve peroksitle vulkanizasyon yapılır. Karbon karası gibi dolgu maddeleri, hem karışımın maliyetini düşürürler, hem de karışımın mekanik özelliklerini iyileştirmek için ilave edilirler. Yumuşatıcılar, karışımın viskozitesini düşürerek, proses özelliklerini iyileştirirler. Elastomerin ozon, oksidasyon, yaşlanma gibi etkenlere karşı korunması amacıyla koruyucu maddeler ilave edilir. Kauçuk mamullerin imalatı iki aşamada gerçekleşir. İlk önce belli bir formülasyona göre açık veya kapalı karıştırıcılarda karışım hazırlanır. İkinci aşamada mamul ekstrüzyon, kalenderleme veya kalıplama ile şekillendirilir. Ekstrüzyon ve kalenderleme işleminden sonra mamul vulkanize edilirken, kalıplamada mamul kalıp içinde vulkanize olur. Elastomerler gerilim-şekil değiştirme davranışı bakımından Hooke Kanunu'na uyan katılarla, Newton Kanunu'na uyan sıvılar arasında yer alır, viskoelastik davranış gösterirler. Kayıp faktörü, viskoz elemanın elastik elemana oranıdır, sıcaklığa ve frekansa bağlıdır. Tg 8 ile gösterilen kayıp faktörü, sönümlemenin bir ifadesidir. Elastomerlere uygulanan yük kalktığında, elastomerin viskoz elemanı, moleküller arası sürtünmeden dolayı şekil değişimini geciktirir ve enerji kaybı olur. Kayıp enerjinin çevrime oram olan histerisis sonucunda, kauçuğun sıcaklığı artar. Elastomerlere sabit bir kuvvet uygulandığında, şekil değişimi miktarının arttığı görülür. Benzer şekilde sabit bir şekil değişimi için,gerekli kuvvet zamanla azalır. Bu iki özellikle sırasıyla sünme ve gerilme gevşemesi olarak adlandırılır. Bu çalışmada elastomerlerin özellikleri, statik ve dinamik testlerle doğrulanmıştır. Birinci uygulamada, farklı test hızlarında aynı kuvvetteki şekil değiştirme miktarı ölçülmüştür. Artan test hızıyla, şekil değiştirme miktarı azalmaktadır. İkinci uygulamada farklı sıcaklıklarda ve pişme sürelerinde vulkanize olmuş parçaların rij itlik değerleri ölçülmüştür. Bu testler sonucu, istenen tolerans değerlerine göre en optimum vulkanizasyon şartlan belirlenmiştir. Dinamik uygulamalarda, ön yük değerinin elastomerlerin özelliklerine etkisinin görülmesi amacıyla, farklı ön yük değerlerinde testler yapılmıştır. Ayrıca, Tg 5 değerinin frekansla değişimi test edilmiştir.

Rubber materials took part in our lives with the invention of vulcanisation by Goodyear in 1939. Before the World War II, the difficulty to purchase natural rubber from Asia for Germany was the propulsive factor in development of synthetic rubbers. Today large amount of natural and synthetic rubber is used in tyre industry. Technical rubber components, which are used on vehicles and buildings also, reach big ratios. Additionally, it's also used in shoe, conveyor production, health sector and rubber flooring. Elastomer is a polymer material, which at room temperature can be stretched repeatedly to at least twice its original length and, upon immediate release of the stress, will return with force to approximately its original length. Elastomer material has very small modulus of elasticity and a structure rarely cross-linked. Elastomer is produced from rubber that can be cross-linking. The difference between rubber and elastomer, elastomer has chemical and thermal stability also at high temperatures. Rubbers and elastomers will be considered to be synonymous in this work. The most used rubbers are, natural rubber (NR), styrene-butadiene rubber (SBR), butadiene rubber (BR), ethylene propylene rubber (EPDM), chloroprene rubber (CR) and nitrile rubber (NBR). Elastomer materials differ plastic materials with the usage of ingredients with different functions. The most important compound is cross-linking or vulcanizing agent. Sulphur is the most used agent, peroxide also, is important. Fillers, such as carbon black and silica can be used to provide reinforcement or decrease the cost of compound. Plasticizers, such as oils, waxes and fatty acids decrease the viscosity of compound and improve processability Antidegradants, such as antioxidants, antiozonants, metal-ion chelators improve ageing behaviour. XII To go from raw material to products needs two phases. In the first phase, the raw materials are mixed together to form a rubber compound. Each compound is made according to a specific formulation and the mixing is carried out either in open mills or in an enclosed chamber containing rotors. The second phase is more like a kind of workshop, where the compound is formed, extruded, calendered, moulding, and finally ends up as a finished product through vulcanization. The methods vary from product to product, but all start with a compound, steel or textile when needed, and end up with curing. Elastomer shows visco-elastic behaviour and take place between solids obeying Hooke's Law and liquids obeying Newton's Law. The value of tan cp (phase angle), the ratio of the viscous to the elastic response, is a measurement of damping. It changes with the temperature and the frequency. When the load applied to elastomer removed, viscous element, which is caused internal friction, retards elastic deformation and energy is lost. This lost energy is dissipated in the form of heat and the consequent temperature rise in the elastomer is called the heat buildup. The percentage energy loss Per cycle of deformation is called as hysteresis. When a constant load is applied to an elastomer the deformation is not constant but increases gradually with time; this behaviour is known as strain relaxation or more generally as creep. Conversely, when an elastomer is subjected to a constant strain, a decrease of stress takes place with time, this behaviour is called stress relaxation. In this work, the properties of elastomers are approved by static and dynamic tests. At the first step, deformation under constant load is measured at different speeds. Deformation ratio decreases with increasing test speed. At the second step, the stiffness values of cure parts, in different mould temperature and curing time, are measured. Optimum vulcanization conditons are defined as to requested tolerances on the conclusion. For dynamic applications, different pre-load values are tested to observe the effect of pre-load values to elastomer's properties. Besides phase angle changes of frequency values are tested.