Çapraz bağ yoğunluğunun ölçülmesi

Kauçuk matrisli bileşiklerin çapraz bağ yoğunlukları şişme ölçümlerinden; Mooney- Rivlin çizimlerinden, Young modülü ölçümlerinden, Sıcaklık-Taramalı Gerinim Gevşemesi analizinden, dinamik testlerden ve pulsNMR spektropi tekniğinden hesaplanabilmektedir [63]. Çizelge 4.3’de çapraz bağ yoğunluklarının hesaplanmasında kullanılan ürünlerin temin edildikleri firmalar, miktarları ve yoğunlukları verilmektedir.

Çizelge 4.3 Çalışmada kullanılan ürünlerin özellikleri

Madde Temin Edilen Firma Yoğunluk (g/cm3₎

Aseton Kozmopleks Magazacılık A.Ş. 0,79

Kloroform Bereket Kimya 1.48

Parafilm Süber Cam Lab. Malzemeleri İmalatı ve _{Kimyasal Maddeler Sanayi Tic. Ltd. Şti.} -

Deneyde işlemlerin daha rahat yapılabilmesi için ağırlık ve hacimce birbirlerine yakın numune boyutlarından kesitler seçilmiştir. Alınan numunelerin kuru ağırlıkları 0,001 gram hassasiyetli Kern marka hassas terazi ile gözlemlenmiştir. Hassas terazinin çalışma sıcaklıkları 5-35 °C arasında olup 250 grama kadar ölçüm yapabilmektedir. Şekil 4.4’de Kern marka terazi ile numune ağırlığın ölçümü gösterilmektedir.

Şekil 4.4 Kern marka hassas terazi

Kuru ölçme işlemi gerçekleştirildikten sonra küçük kesilmiş olan numuneler aseton ile beher içerisine eklenmiştir. Beheri alüminyum folyo ile ağzı kapatılarak hava geçirgenliği engellenmek için sarılmıştır. Daha sonra alüminyum folyo parafilm ile kaplanır. Şekil 4.5’de gösterilmekte olan WN-H550 model dijital ısıtmalı manyetik balıklı karıştırıcı ile parçacıklar 24 saat boyunca karıştırılma işlemime tabi tutulurlar.

Şekil 4.5 Deneyde kullanılan WN-H550 model manyetik karıştırıcılar

Karıştırma işleminde çapraz bağ oluşumu göstermeyen ama bileşiğe eklenmiş bileşenler aseton ile bileşikten arındırılmıştır. Deneyde kullanılan 20 litreye kadar karıştırabilme kapasiteli dijital ısıtmalı WN-H550 model manyetik karıştırıcılar ve deney numune örnekleri gösterilmektedir. Dijital ısıtmalı manyetik karıştırıcı 5-50 °C arasında çalışabilmekte olup

200-2000 rpm arasında karıştırabilen ve 10 rpm’lik adımlarla artıp azalabilen bir manyetik karıştırıcıdır.

Ceviz kabuğu ve kozalak kül dolgulu numuneler 24 saat karıştırıldıktan sonra beherden alınarak hızlıca Nevola marka fırında etüv edilirler. Nevola marka ısıl fırında numunler 70

°C sıcaklıkta olarak 24 saat boyunca kurutulmuşlardır. Şekil 4.6’da Nevola marka fırında kurutulan numunelerin görüntüsü verilmektedir.

Şekil 4.6 Deneyde kullanılan Nevola fırında kurutlan numunler

Fırında kurutulduktan sonra parçalar tekrar hassas terazi ile ölçüştükten sonra verileri kaydedilmiştir. SBR 1502 kauçuk matrisli kozalak külü ya da ceviz kabuğu kül dolgulu bileşiklere kloroform çözücü seçildikten sonra her bir numune için ayrı ayrı beher içerisine eklendikten sonra 72 saat boyunca Şekil 4.7’de gösterilmekte olan çeker ocakta numuneler muhafaza edilmiştir.

Çözücü 1 grama 20 mililitre olacak şekilde eklenmiştir. Kloroform çözücüde bekleyen parçalar 72 saat sonucunda çözücüden ayrıştırılarak tekrar hassas teraziyle ölçülmüştür. Çözücü teraziye konulurken elle temas etmemesi gerekmektedir. Bu sebeple işlemler gerçekleştirilirken laboratuvar eldivenleri kullanılmıştır. Ölçülen veriler en kısa sürede kaydedilmiştir. Hassas terazide ilk görülen değerler dikkate alınmıştır. Bunun sebebi kullanılan çözücünün oldukça uçucu olmasındandır. Çapraz bağ yoğunluğu az olan numunelerin daha fazla şiştiği gözlemlenmiştir. Ölçüm işlemi tamamlandıktan sonra tekrardan nevola ısıl fırında 70 °C’de 24 saat kurutmaya bırakılmıştır. Son işlem olarak hassas terazi ile ölçüm gerçekleştirildikten sonra elde edilen veriler Eşlenek 4.1-4.6 arasındaki formüllerle çapraz bağ yoğunlukları hesaplanmıştır. Şekil 4.8’de alüminyum folyo ve parafilm kaplı numulerin son hali görülmektedir.

Şekil 4.8 Çözücü içerisindeki numunelerin son hali

Bileşiklerin çapraz bağ yoğunlukları temelde denge hacim şişme eşitliğiyle (Flory- Rehner) hesaplanmaktadır. Uygulamada kauçuk bileşiğine eklenen çözücüyle yapının şişirilmesine dayanmaktadır. Çapraz bağlanmanın görüldüğü noktalar arasında polimer zincirleri uzadıkça elastik toparlanma kuvvetleri ters orantılı olarak değişmektedir. Bu nedenden ötürü şişmenin yüksek olduğu numunelerde çapraz bağ yoğunluğunun daha az olduğu bilinmektedir. Şişirme metoduyla kauçuk bileşiği çözücü sıvı içeresinde bir süre bekletilmiştir. Kauçuğun çözücü ortamdaki şişme oranına bağlı olarak oluşan çapraz bağ

yoğunluğu Eşlenek 4.1’de verilen Flory-Rehner eşitliğinden yararlanılarak hesaplanmıştır [63, 64]. ] 2 V [V V ] V ) V - [ln(1 V 2 1/3 2 2 2 2 2      s e  (4.1) Burada;

Ve: Çapraz bağ yoğunluğu (mol/cm3)

V2: Şişmiş numunenin hacim fraksiyonu

Vs: Çözücünün molar hacmi (cm3/mol)

: Bileşik-çözücü etkileşim parametresi

Şişmiş numune hacim fraksiyonunu bulabilmek için şişme ölçümlerinin verilerinden yararlanılmaktadır. Çapraz bağ yoğunluğu ölçülecek olan numuneden katkı maddelerini önemli bir miktarını uzaklaştırabilmek için 24 saat boyunca aseton çözücü içerisinde ekstrakte işlemi gerçekleştirilmiştir (win). Numune bekleme işleminden sonra etüvde

kurutulup oda sıcaklığında tartılmaktadır. Numuneye ait şişme derecesi için bileşik-çözücü etkileşim parametresi () bilinen çözücüde 72 saat ekstrakte edilir. İşlem süresi dolduğu anda numune üzerinde fazla bulunan çözücü kâğıtla kurulandıktan hemen sonra tartılma işlemine alınmıştır (ws). Şişmiş numune, kullanılan çözücünün buharlaşma sıcaklığı dikkate

alınarak etüvden sabit tartıma gelinceye kadar kurutulur. Oda sıcaklığında soğutulan numunenin verisi kaydedilir (wds) ve şişme derecesi (Q), Eşlenek 4.2 yardımıyla hesaplanır.

Q 1 ds s w w (4.2)

Şişmiş bileşik numunesine ağırlık fraksiyonuyla (w2) şişme derecesi (Q) arasındaki

bağıntı Eşlenek 4.3 ile hesaplanmaktadır.

Q w   1 1 2 (4.3)

Şişmiş numuneye eklenen çözücünün ağırlık fraksiyonu (w1) Eşlenek 4.4 formüyle

kolayca bulunabilmektedir.

w₁ 1 w ₂ (4.4)

Eşlenek 4.3 ve Eşlenek 4.4’ten hesaplanan ağırlık fraksiyonları bileşiğin yoğunluğu ve çözücünün yoğunluğu ile birlikte Eşlenek 4.5’te verilmekte olan denklemle şişmiş numunenin hacim fraksiyonu (V2) bulunmuş olmaktadır.

1 1 2 2 2 2 2 / / / d w d w d w V   (4.5)

Bileşik-çözücü etkileşim parametresi () ise birçok bileşik-çözücü için literatürden bulunabilmektedir. Bu değer kloroform-epdm için 0,491483 olarak literatürden alınmıştır. Kloroformun molar hacmi 106,27 cm3/mol olarak kullanılmıştır [14].

Flory-Rehner formülü teorik yöntem olarak en yakın CLD (Cross-Link Density) verileri vermesine rağmen uzun zamanda gerçekleşmesi, uygulama sıkıntısı ve tekrarlanabilme eksiklikleri ve bileşik-çözücü etkileşim parametre ihtiyacıda bu yöntemin dezavantajlarıdır.

Çapraz bağ yoğunluğu bulunurken bağıl olarak karşılaştırıldığında sadece şişme seviyelerinin araştırıldığı, çözünen ve çözünemeyen fraksiyonların hesaplanabildiği metotlar bulunmaktadır.

Dolgu içermeyen kauçuklarda şişme yöntemiyle çok hassas ölçüm verileri olarak hesaplanabilmektedir. Günlük hayatta ise genellikle kauçuk matrisi dolgu bileşikli olarak değerlendirilmektedir. Bu sebeple rijit dolgu birimlerinin çapraz bağlı ağ yapı içinde yönelimi, dolgu ara yüzeylerinin kauçuk matrisiyle fiziksel ve kimyasal etkileşimi çapraz bağ yoğunluk hesaplanmasını etkileyen faktörlerden biridir.

Karbon siyahına içeren kauçuklu bileşiklerde Eşlenek 4.1’deki şişmiş numune hacim fraksiyonu (V2) değerinin ampirik bir eşitlik ile düzeltilerek hesaplanması, daha doğru

çapraz bağ yoğunluğu sonuçlarına ulaştırmaktadır. Bu düzeltme Kraus düzeltmesi (Krauscorrection) olarak adlandırılmakta olup Eşlenek 4.6’daki gibidir.

1 (1 ) 2 2  _m  V V f (4.6) Burada;

V2: Şişmiş numunenin hacim fraksiyonu

V2f: Dolgu içeren vulkanize olmuş bileşik için geçerli V2 değeri

m: Kauçuk- Dolgu etkileşim parametresi ϕ: Dolgunun hacim fraksiyonudur.

Bu yaklaşımla, farklı örnek çalışmalara benzer şekilde karbon siyahı için yoğunluk değeri 1,8 g/cm3 olarak alınmıştır. Dolgu hacim fraksiyonu hesaplanmasında bileşiğin yanlızca kauçuk ve dolgudan oluştuğu düşünülerek ham kauçuğun bileşiğinin yoğunluğu ele alınmaktadır [65].