Kauçuğun Mekanik Davranışı

Kauçuk mekaniği üzerine ilk çalışma Gough tarafından 1805 yılında yapılmıştır. Gough, vulkanize edilmemiş doğal kauçuğun yük altındaki davranışlarını belirlemek için yaptığı çalışmada, kauçuğun çekme sırasında ısındığını, serbest bırakıldığında ise soğuduğunu görmüştür. Sabit yük altında ısıtıldığında boyunun kısaldığını, soğuk su içerisinde çekme deneyine tabi tutulduğunda ise kauçuğun elastik toparlanma kuvvetlerini kaybettiğini ve bağıl yoğunluğunun arttığını belirlemiştir. Aynı sonuçlar 1859’da Joule tarafından da doğrulanmıştır. Kauçuğun bu özelliği Gouge – Joule etkisi olarak adlandırılır (Vahapoğlu, 2006).

1940’lı yıllarda, termodinamiğin 1. Kanunu kullanılarak kauçuğa uygulanan kuvvetin termodinamik bağıntısı elde edilmiştir. Kauçuk herhangi bir kuvvet etkisinde değilken, karmakarışık bir molekül kütlesinden ibarettir. Çekilip uzatıldığında bu moleküller uzama doğrultusunda az ya da çok yönlenir. Termodinamik kanunlarına göre, daha düzenli olan bu yapı, orijinal rastgele düzenlenmiş yapıya göre daha az oluşabilir. Diğer bir deyişle, kauçuğun entropisi deforme edilmediği durumda maksimumdur. Bu yüzden, her zaman dış zorlamaların olmadığı duruma dönmek ister. Bu durum şöyle açıklanabilir (Vahapoğlu, 2006):

dE = dQ + dW (6.1)

Burada;

dE: İç enerjideki değişim dQ: Sistemin ısısındaki değişim dW: İşteki değişim

dQ=T dS (6.2)

dW=F dL (6.3)

Buradan;

Elde edilir. Burada; F: Kuvvet T: Sıcaklık

dS: Entropideki değişim dL: Boydaki değişim

: Deformasyon süresince iç enerjinin değişim hızın : Entropideki değişim hızını temsil eder.

Yukarıdaki eşitlikteki F kuvveti, birim kesit alanına uygulandığında σ gerilmesi oluşur. Şekil 6.1.’deki gerilme uzama eğrisi, uzayarak kristalleşen bir kauçuğa örnektir. Eğri nonlineerdir, Hooke Kanununa uymaz. Ana bileşen sistemin düzene girmesiyle oluşan entropi değişimidir.

Metaller için dE/dL terimi baskındır. Bir metali deforme etmek için harcanan iş, kauçukta olduğu gibi moleküler konfigürasyonu değil, atomlar arası mesafeyi değiştirmek için kullanılır. Sonuç olarak metallerin elastik davranış bölgesi kauçukla karşılaştırıldığında çok küçüktür. Kauçuk ve metallerin elastik davranışı arasındaki bu temel fark şöyle özetlenebilir, metallerde sıcaklık artarken toparlayıcı kuvvet azalır, kauçukta ise artar. Bu yukarıda da ifade edilen Gough-Joule etkisidir.

(6.4) eşitliğinin elde edildiği 1930 – 1940’lı yıllardan 1990’lı yıllara kadar, malzemeye uygulanan kuvvetin ne kadarının iç enerjiden ve ne kadarının da entropi teriminden kaynaklandığı üzerine araştırmalar devam etmiştir. Başlangıçta teori, iç enerjiden kaynaklanan kuvvetin olmadığı kabulü üzerine kurulmuştur. Ancak 1940 – 1990’lı yıllar arasında yapılan çalışmalar iç enerjiden kaynaklanan terimin sıfır olmadığını ve yapılan deneyler sonunda malzemeye uygulanan kuvvetin % 10 – 20’lik bir kısmının iç enerjiden kaynaklandığını ortaya koymuştur (Vahapoğlu, 2006).

Kauçuk türü malzemelerin, bir yandan termoelastik özellikleri bir yandan da gerilme şekil değiştirme bağıntıları incelenirken, kauçuk malzemeleri doğru bir şekilde modelleyebilmek için malzemenin özelliklerinin zamanla değişiminin yani vizkoelastik özelliklerinin de incelenmesi gerekmektedir. Kauçuk türü malzemelerin özellikle de karbon siyahı katkılı malzemelerin mekanik ve termal özelliklerinin modellenmesi sırasında elastik olmayan davranış sergiledikleri deneysel olarak da gözlemlenmektedir. Kauçuk türü malzemelerin davranışları ile ilgili bazı tanımlamalar aşağıda açıklanmıştır (Vahapoğlu, 2006):

Gerilme Gevşemesi: Kauçukta sabit deformasyon altında gerilmenin zamanla azaldığı gözlenmiş ve kauçuk türü malzemelerin bu davranışı, literatürde gerilme gevşemesi olarak adlandırılmıştır.

Sürünme: Kauçuğun sabit kuvvet altında, malzeme boyunun zamanla arttığı gözlenmiş ve bu davranış, literatürde sürünme olarak adlandırılmıştır. Esasen hem gerilme gevşemesi hem de sürünme davranışı, metallerde yüksek sıcaklıklarda görülmekle birlikte kauçukta oda sıcaklıkların da görülmektedir.

Mullins Etkileri: Kauçuğun tekrarlı yüklemeye tabi tutulması durumunda yani malzeme belirli bir deformasyona kadar deforme edilip ilk hale geri dönülürse ve aynı yükleme boşaltma çevrimi tekrar edilirse birinci gerilme şekil değiştirme eğrisinin ikincisinden farklı olduğu ve artan yükleme ve boşaltma deformasyonlarında malzemenin elastikiyetinin giderek azaldığı görülmektedir. Molekül zincirlerindeki yeniden düzenlenme ve kırılmalar nedeniyle oluşan bu davranış literatürde gerilme yumuşaması veya Mullins etkileri olarak adlandırılmıştır.

Histerizis: Kauçuğun deformasyon sırasında gerilme şekil değiştirme diyagramında yükleme eğrisi ile boşaltma eğrisi arasında farklılık ortaya çıkmaktadır. Bu davranış histerizis olarak tanımlanmaktadır.

Kalıcı Deformasyon: Belli bir sıcaklık, basınç ve süre sonunda kauçukta meydana gelen kalıcı şekil bozukluğudur.

Şekil Değiştirme Hızı: Kauçuğun deformasyonu sırasında malzemeye uygulanan şekil değiştirme hızı malzemenin gerilme şekil değiştirme ilişkisini dolayısıyla da malzemenin mekanik özelliklerini değiştirmektedir.

Kristalizasyon: Kauçuğun soğutulması veya deformasyonu (çekme etkisinde) sırasında, içyapısı değişmekte ve malzeme yapısı kristalize olmaktadır. Büyük uzamalar için bazı kauçuk çeşitleri bir miktar kristalleşirler. Literatürde bu davranış kristalizasyon olarak tanımlanmaktadır. Bunun da kauçuk davranışında çeşitli etkileri ortaya çıkar. Örneğin, doğal kauçukta çatlak yayılması kristalizasyonun etkisiyle engellenir. Ancak SBR ve NBR gibi bazı kauçuk malzemeler deformasyon sırasında kristalize olmamaktadır.

Yukarda tanımlanan tüm özellikler, kauçuğun gerilme şekil değiştirme davranışının modellenmesini zorlaştırmaktadır. Esasen teorik ve deneysel çalışmalarla gelinmek istenen nokta; tüm bu özellikleri kapsayan bünye denklemlerini ifade eden tek bir malzeme modelinin ortaya konulmasıdır.

Kauçuk malzemelerin en önemli mekanik özellikleri % birkaç yüzü bulan son derece yüksek kopma uzamaları ve yüksek rezilyanslarıdır. Bu özellikler, malzemenin hem katı hem de akışkan gibi davranmasına izin veren moleküler etkileşimlerine özgü özelliklerinden ileri gelir. Vulkanize edilmemiş kauçukta, moleküller arası etkileşim zayıf ve malzeme davranışı viskoz şekildedir. Vulkanizasyon prosesinde, moleküller arası güçlü çapraz bağlar oluşur ve malzeme daha katı bir yapıya ulaşır; çapraz bağ yoğunluğu artar, kauçuk daha rijit olur. Molekül zincirleri son derece uzun ve karmaşıktır (Stachowiak ve Batchelor, 2006).

Kauçuğun elastisitesi çekme hızına çok duyarlıdır. Moleküler yapıya uygulanan çekme hızı, doğal yapının toparlanmasından fazla ise, viskoz direnç kauçuğun sertleşmesine neden olacaktır. Deformasyon süresince, yapıdaki iç sürtünme ısı üretecek ve sıcaklık artacaktır. Yük çevrimi her zaman histerizis etki ortaya koyar. Moleküler zincirlerdeki yeniden düzenlenme veya kırılma yüzünden gerilme yumuşaması oluşur. Gerilme çevrimi sayısı artarken etki azalır. Böylece histerizis etkinin ilk gerilme çevrimi süresince ortaya çıktığı, fakat zamanla kaybolduğu söylenebilir. Kauçuğun duyarlılık hızı, akışkan-katı bir yapı çiftine neden olur, bu viskoelastisite terimi ile ifade edilir. Bu durum kauçuğun Hooke Kanununa uymadığını gösterir ve bu yüzden kauçuğun karmaşık bir elastisite modülü vardır. Kristalli polimerlerde, histerizis etki iç vizkozite yüzünden değil, kristallik yüzündendir (Stachowiak ve Batchelor, 2006).

Vulkanize kauçuk gibi viskoelastik malzemelerde, akma sınırı yoktur. Kopma sınırına kadar uzama devam eder. Kauçuğun mekanik kopmasının esası çekme kopmasıdır. Kayma kopması kauçukta meydana gelmez, çünkü moleküler yapılarında doğal kayma düzlemleri yoktur. Şekil 6.2.’de çekerek uzatılan kauçuk yüzeyinin SEM mikrofotografı görülmektedir.