Cam elyaf takviyeli polyester malzeme üretiminde kalsit dolgusunun mekanik davranışlara etkisinin incelenmesi
- JACOM_CONTENT_CREATED_DATE_ON
- JACOM_CONTENT_WRITTEN_BY
1. Giriş
Doymamış poliester reçineleri (UPR) en önemli termoset reçineleridir. Maliyetinin nispeten düşük, mukavemetinin yüksek olması ve üretim sürecinin kolay oluşu bu polimer kompozitlerin yaygın olarak kullanılmasını sağlamıştır [1]. Polyester reçineleri için tipik dolgu malzemesi olarak kalsiyum karbonat, tebeşir, talk, mermer tozu, kalker, öğütülmüş cam elyaf vb. kullanılmaktadır [2].
Polyester malzemelerde cam elyaf takviyesi mekanik davranışları iyileştirmek için yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu polyester kompozitlere farklı inert dolgu maddeleri daha çok maliyeti düşürmek maksatlı ilave edilmektedir. Kalsit; karbonatlı kayaçları oluşturan ve kimyasal formülü CaCO3 olan endüstriyel bir mineraldir. Çeşitli şekillerde kristalleşebilen mineral, camsı parlaklıkta ve renksiz saydam yapıdadır. Öğütüldüğünde beyaz renkli bir toz elde edilir (Şekil 1) [3,4,5].
2. Malzeme ve Yöntem
Bu çalışmada, el yatırması yöntemi ile üretilen cam elyaf takviyeli kompozit polyestere dolgu maddesi olarak % 5 , % 10, % 20, % 30 ve % 40 oranlarında ve iki farklı tane boyutunda kalsit ilavesi yapılmış ve numunelerin mekanik davranışlara etkisi incelenmiştir. Test plakalarında alınan numuneler ile çekme, eğilme ve darbe dayanımı testleri gerçekleştirilmiştir. Her bir oran için iki farklı tane boyutuna sahip (x50 = 4,44 μm ve x50= 2,73 μm ) kalsit dolgusu kullanılmıştır (Şekil 1).
Çekme mukavemeti testi için ISO 527-1’e göre, eğilme mukavemeti için ISO 178’e göre, darbe dayanımı için de ISO 180 standardına göre test çubukları hazırlanmış ve bu standartlara göre testler yapılmıştır.
Tüm numunelerde cam elyaf oranı % 30 olarak sabit tutulmuştur. Karşılaştırma numunesi olarak başlangıçta sekpolyester olarak isimlendirilen % 100 Polyester numunesi üretilmiştir. Daha sonra sırasıyla ağırlıkça beş farklı oranda kalsit dolgusu içeren numuneler elde edilmiştir. Sonraki adımda tane boyutu değiştirilerek aynı işlem tekrarlanmış ve yeni numuneler elde edilmiştir.
2.1.El Yatırması Üretimi (HandLayUp)
El yatırması çalışmalarında kullanılan kalıplar da cam elyaf esaslıdır. Başlangıçta kalıbın yüzeyi iyice parlatılır ve kalıp ayırıcıyla tamamen kaplanır. Bu işlem önemlidir çünkü parçanın kalıptan kolayca çıkabilmesini sağlamaktadır fakat çok miktarda kullanımı ise üründe yüzey bozulmalarına neden olmaktadır. Bundan sonra yüzeye görünüm kalitesini ve dış ortam performansını artırmak için bir reçine (jelkot) uygulanır ve kuruması beklenir. Bundan sonra kalıp yüzeyine camelyaf konulur ve üzerine bir fırça yardımıyla reçinenin emdirilmesi sağlanır. Burada reçinenin jelleşme süresi (gel time) süresini ayarlamak için reçine içine hızlandırıcı ve peroksit88 eklenilerek karıştırılır. Bu işlemdeki amaç jelleşme süresi içinde polyesterin kürleşme olmadan cam elyafa iyice yedirilerek hava kabarcığı kalmadan uygulanmasını sağlamaktır [6]. Bu işlemde polyesteri cam elyafa yedirmek için fırça ve hava kabarcıklarını engellemek için çeşitli boyutlara sahip rulolar kullanılır. İlk kat yapıldıktan ve hava kabarcığı olmadığına emin olunduktan sonra diğer katlarda da aynı işlem uygulanarak istenilen kalınlıkta laminant üretimi yapılır. Eğer istenilirse çeşitli dolgu boya; ahşap veya metal ekler eklenilebilir. Daha sonra kürleşme işleminin gerçekleşmesi için sistem kendi haline bırakılır.
Sertleşme 1-2 saat içinde gerçekleşir, kürleşme zamanının kısalması istenirse ortamın sıcaklığı yükseltilip stirenin uçuculuğu arttırılabilir. Sertleşme süresinden sonra ürün kalıptan çıkartılır, çapakları temizlenir ve kullanılacağı veya yapılacak testlere göre çeşitli işlemlerden geçirilerek istenilen boyutlara göre kesilebilir. Bu üretim sisteminde takviye olarak kullanılan malzeme cam elyaftan yapılan keçeler ve dokumalardır. El yatırması yöntemiyle tekneler, depolar, otomobil parçaları, makine parçaları ve teknik birçok parça üretilebilir [7].
El yatırmasının avantajları:
- Düşük maliyet
- Ucuz üretim
- Çok farklı boyutlarda ve şekillerde üretim yapılabilmesi
- Hızlı tip değişikliği imkânı
- Hızlı ve ucuz kalıp yapımı
- El yatırmasının dezavantajları:
- Çevre kirliliği
- Üretimde kalite tutarlığı sorunu
- Yüksek işçilik ve kalifiye personel sorunu
- Sadece bir tarafın parlak olması (Kalıba temas eden yüzeyin)
- Boyutlarda sapma olasılığı
ISO 178 standardına uygun hazırlanan numuneler üç nokta eğilme testine tabi tutulmuşlardır. Ayrıca belirli darbe şartları altındaki davranışını belirlemek için Devotrans CDC1 marka test cihaz ile Charpy darbe testi uygulanmıştır.
3.Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 6’da iki farklı tane boyutuna (AY320, x50= 4,44 μm ve AY215, x50 = 2,73 μm) ve beş farklı kalsit dolgu oranına sahip numunelerdeki çekme mukavemeti sonuçları gösterilmektedir. Dolgu oranı ve tane boyutu artıkça malzemelerde çekme dayanımı düşmektedir. Şekil 7’de iki farklı tane boyutuna ve beş farklı kalsit dolgu oranına sahip numunelerdeki kopma uzaması sonuçları gösterilmektedir. Dolgu oranı ve tane boyutu artıkça malzemelerde esnekliğin düştüğü görülmektedir.
Dolgu oranı arttıkça eğilme mukavemetinde düşme gözlenirken ayrıca tane boyutu büyüdükçe bu düşme daha da artmaktadır (Şekil 8).
Şekil 9’da ise darbe mukavemetlerindeki değişim verilmektedir. Aynı şekilde dolgu oranı ve tane boyutu artıkça malzemelerde darbe mukavemetinin düştüğü görülmektedir. Düşük tane boyutlu kalsit %5 oranında katılması durumunda darbe mukavemetinde %4, büyük tane boyutunda ise %7.7 oranında düşme görülmektedir.
Tablo 5’de kalsit oranı ve tane boyutunun toplam maliyet üzerindeki etkisi yer almaktadır. Sek polyester fiyatının, dolgu maddesine oranla çok yüksek olmasından dolayı her iki dolgu maddesinin de toplam maliyete etkisi yakın seviyelerdedir.
Yapılan çalışma sonunda dolgusuz (sek) polyesterin mekanik değerleri farklı dolgu oranlı diğer tüm numunelere göre daha yüksek çıkmıştır. Bu çalışmada kullanılan kalsit dolgu maddesinin maliyet düşürücü nitelikte olduğu ve mekanik değerleri negatif yönde etkilediği tespit edilmiştir.
Çalışmada tane boyutu farklı iki kalsit dolgusu kullanılarak sonuçlara etkisi ayrıca incelendiğinde düşük tane boyutlu kalsitin diğerine oranla mekanik değerleri iyileştirdiği tespit edilmiştir. Tane boyutu daha küçük olan (AY21) kalsit numunesinin, tane boyutu daha büyük olan (AY320) kalsit numunesine göre, çekme mukavemetinde %2 ile 6.5, eğilme mukavemetinde % 1.4 ile 6.4, darbe mukavemetinde ise %3.2 ile 6.5 daha iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu durum tane boyutu küçüldükçe mekanik kuvvetlere olan negatif etkisinin azaldığını göstermektedir.
Düşük tane boyutlu (2.73μm) %5 kalsit dolgusu kullanıldığında mekanik değerlerde yaklaşık %3’lük bir düşüş mahsur oluşturmuyorsa toplam maliyet açısından %4.72’lik maliyet avantajı, %10 dolgu kullanımında ise %9.58’lik avantaj sağlanabilmektedir.
Literatür çalışmaları incelendiğinde Shafiur Rahman ve ark. %98 kalsiyum karbonat içeren yumurta kabuklarını mikro partikül boyutunda öğüterek polyester reçineye farklı oranlarda katarak polyester film üretmişlerdir. Ticari CaCo3’le bunu kıyaslamışlar. Yumurta kabuklarıyla elde edilen karışımda %10’luk oranda mekanik özelliklerin olumlu yönde etkilendiğini tespit etmişlerdir [8].
Kiehl ark. SMC yöntemiyle doymamış polyester reçine ve düşük tane boyutunda (0,6-40 μm) kalsiyum karbonattan oluşan ve karışımların reolojik davranışını incelemişler ve dolgu oranı %50-60 arasında viskozitede büyük bir artış gözlemişlerdir. %50’nin altında reolojik etki ve kayma davranışı fiyat duyarlılığını uygun bulmuşlardır [9].
Hassan ve ark. termoplastik polimerlere CaCO3 nanopartikülleri ağırlıkça üç farklı oranda (%1,%2 ve %3) infüzyonu ile biyo-nano kompozitler hazırlamış ve mekanik özellikleri önemli ölçüde arttırdığını ifade etmişlerdir [10].
Polyester reçineye CaCO3 dolgu içeriğinin arttırılmasıyla kompozit filmlerde sertliğin arttığı ve birim uzamada azalmaya neden olduğunu ifade etmektedir [11,12]. Son zamanlardaki yapılan çalışmalar daha çok mikro partikül ve nano partiküllü dolguların mekanik değerlerde makro partiküllere göre daha iyi sonuç verdiğini göstermektedir. Bundan sonraki yapılacak çalışmalarda tane boyutları düşük dolgulu malzemeler kullanılması planlanmaktadır.
Not: Deneysel çalışmalar Sazcılar Otomotiv A.Ş. laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Numune hammaddeleri: Cam elyaf; Cam Elyaf A.Ş. Polyester; Ege Kimya A.Ş ve Kalsit ise Aydın Madencilik A.Ş firmalarından temin edilmiştir.
Kaynaklar
[1] Mehmet SAÇAK, (2012), Polimer Teknolojisi, Gazi kitapevi.
[2] G. C. Onuegbuand I. O. Igwe, (2011),Mater. Sci. Appl., 2, 811.
[3] T. SAVAÇCI, N. UYANIK, G. AKOVALI, (1998), Plastikler ve Plastik Teknolojisi, Çantay Kitapevi İstanbul.
[4] S. AKKURT, (2007), Plastik Malzeme Bilimi Teknolojisi ve Kalıp Tasarımı, Birsen Yayınınevi İstanbul.
[5] H. Duan, L. Zhang, L. Wang, and X. Yang, J. (2008), Wuhan Univ.Technol.-Mater. Sci. Ed., 23, 460.
[6] İ. CENGİZ, (2008), Cam Elyaf Takviyelerde Dolgu Malzemeleri, Bitirme çalışması, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü.
[7] Cam Elyaf Sanayii A.Ş.(2003), CTP Teknolojisi, Cam Elyaf Sanayii Yayınları, Gebze.
[8] G. M. Shafiur Rahman, H. Aftab, M. S. Islam, Muhammad Zobayer Bin Mukhlish and F. Ali,(2016), Enhanced Physico-mechanical Properties of Polyester Resin Film Using CaCO3 Filler, Fibers and Polymers, Vol.17, No.1, 59-65.
[9] Julien Kiehl, J. Huser, S. Bistac and C. Delaite, (2012), Influence of fillers content on the viscosity of unsaturated polyester resin/ calcium carbonate blends, Journal of Composite Materials, 46 (16)1937–1942,
[10] T. A. Hassan, V. K. Rangari, and S. Jeelani, (2014), ACS Sustain, Chem. Eng., 2, 706.
[11] S. I. Abdel-Salam, M. S. Metwally, A. A. Abdel-Hakim, S., El Begway, and E. S. Elshafie, (2011), Nat. Sci., 9, 116.
[12] H. Ismail, H. D. Rozman, R. M. Jaffri, and I. Z. A. Mohd, (1997), Eur. Polym. J., 33, 162.
Not: Bu bildiri 1.International Conference on Engeneering Technology and Applied Sciences Afyon Kocatepe University, Turkey 21-22 April 2016’da sunulmuştur.
Ahmet DEMİRER
SAÜ. Teknoloji Fak. Makina Müh. Sakarya
Ulaş AYDIN
SAÜ. Fen Bilimleri Ens. Yüksek lisans öğr. Sazcılar Otomotiv A.Ş.