Reolojik analiz

Reoloji malzemelerin akışının ve deformasyonunun incelendiği bir bilim dalıdır (Ahluvaria ve Mishra, 2008). Geleneksel mühendislik uygulamalarının aksine polimerik malzemelerinin davranışı elastik katı ya da viskoz sıvı olarak sınıflandırılamaz. Polimerik malzemelerin davranışları bu iki davranışın arasında kalmaktadır (Ebewele, 2000). Polimerlerin bu davranışını tarif edebilmek için uygulanan kayma kuvveti ve/veya sıcaklığın etkisi ile zamana bağlı olarak bir katı veya akışkan gibi davranış sergiledikleri için “viskoelastik” kelimesi kullanılır (Gibson, 1994).

Malzemeler, sadece yapıdaki küçük değişiklikler nedeni ile bile gerilim altında farklı akış özellikleri gösterebilirler. Yapıdaki değişiklikleri oldukça hassas bir şekilde gösterdiğinden dolayı reoloji polimerleri karakterize etmek için oldukça uygun bir yöntemdir. Aynı zamanda eriyik halde ya da üretim aşamasında polimerlerin akış durumlarının değerlendirilmesinde ve malzemelerin karıştırılmasında da reoloji oldukça önem taşımaktadır (Çelebi, 2009).

59

Salınımlı bir reometre ölçümünde, numuneye bir sinusoidal kayma deformasyonu uygulanmakta ve ortaya çıkan gerilim tepkisi ölçülmektedir. Malzemenin davranışı salınım frekansı (ω) tarafından belirlenen kayma kuvvetinin zaman ile ilişkisine bağlıdır. Ölçümler için numune iki sıcak plaka arasına yerleştirilmektedir (Şekil 1.37). Polimer eriyiği ve kalınlık doğru bir şekilde ayarlandığında salınımlı bir kayma kuvveti zamana bağlı bir gerinim ile uygulanmaktadır (Weitz ve diğ., 2007).

Şekil 1.37. İki plaka arasına yerleştirilmiş bir numunenin reometredeki şematik gösterimi (Weitz ve diğ., 2007)

Bir polimer örneğinin viskoelastik davranışı iki temel fonksiyon ile belirlenmektedir: depo modülü (G’) ve kayıp modülü (G’’). Depo modülü ve kayıp modülü değerleri sırası ile katı-gibi veya sıvı (akışkan)-gibi davranışları karakterize etmektedir. Depo modülü, depolanan elastik enerjiyi, kayıp modülü ise deformasyonun bir döngüsünde dağılan enerjiyi temsil etmektedir (Seyidoğlu, 2010).

Sinusoidal gerinim deformasyonu ile elde edilen gerilme tepkisi eşitlik 1.11’ de belirtilmiştir;

σ(t) = G’(ω)Ɣ0 sin(ωt) +G’’(ω)Ɣ0 cos(ωt) (1.11)

Burada, σ, gerilim, t, zaman, G’, depo modülü, ω, frekans, Ɣ0, gerinim, G’’, kayıp

modülü değerlerini temsil etmektedir.

Genellikle bir dinamik salınımlı deneyinde, G’ ve G’’ değerleri frekansın fonksiyonu elde edilirler. Bu özellikler kullanılarak kompleks viskozite değeri 1.12 eşitliği kullanılarak elde edilmektedir (Seyidoğlu, 2010);

60 1.8.2.7. Çekme testi

Çekme testi, herhangi bir malzemenin mekanik özelliklerinin mikro yapısı ya da morfolojisine bağlı olarak tespit edilen mekanik bir yöntemdir. Test, genellikle universal test cihazı adı ile bilinen cihazlar yardımı ile yapılmaktadır. Çekme cihazı, genellikle alt çenesi sabit, üst çenesi hareketli bir çene sisteminden oluşmaktadır. Çekme cihazına ait bir örnek Şekil 1.38’ de gösterilmiştir.

Şekil 1.38. Çekme cihazının şematik gösterimi (Kodal,2014)

Çekme testi numuneleri standartlara göre hazırlanan dog bone diğer ismi ile papyon numuneleri ile gerçekleştirilir. Dog bone numunesine sabit bir hızda deformasyon uygulanır ve bu deformasyonda meydana gelen gerilmedeki değişim ise yine deformasyona karşı ölçülmektedir. Testin bitiminde malzemelere ait elastik modül, kopma uzaması, kopma ve çekme dayanımı gibi değerleri elde edilir. Buna ilaveten, test sırasında gerilme ve uzama miktarının değişimlerinin bir grafiğe geçirilmesi ile malzemeye ait gerilme-gerinim eğrileri oluşturulur. Bu eğriler numune boyutlarından bağımsızdır. (ISO, 2012).

Gerilme-gerinim eğrilerinde eğri altındaki toplam alan malzemenin kırılması için gerekli enerji ile ilişkilidir. Ayrıca malzemeye ait tokluğun da bir ölçüsüdür. Malzeme küçük gerilimler altında elastikiyetini korumaktadır ve de oluşan şekil değişimleri geçicidir. Orantısal limit noktası, numunenin elastik özellik gösterdiği en yüksek noktadır. Orantısal limit noktasından sonra numune elastik bölgeden plastik bölgeye

61

geçmiştir. Plastik bölgede meydana gelen değişimler ise kalıcıdır. Örnek bir gerilme- gerinim eğrisi Şekil 1.39’ da gösterilmiştir.

Şekil 1.39. Gerilme-Gerinim eğrisi (Baird, 2001)

Gerilme değeri bir birim alana uygulanan kuvvettir. Çekme kuvveti ise, numunenin teste başlamadan önceki kesit alanına bölünmesi ile elde edilmektedir ve denklem (1.13) de gösterilmektedir. Burada, σ, gerilmeyi (MPa), F, kuvveti (N) ve, A, test öncesi numunenin kesit alanın(mm2_{) ı temsil etmektedir;}

σ=F_A (1.13)

Gerinim ise belirli bir müddet sonunda uzamada meydana gelen boy farkının başlangıç boyuna oranıdır. Denklem (1.14)’ de gösterilmektedir. Burada, ε, gerinimi, L0, başlangıç boyunu (mm), L ise uzama esnasında meydana gelen uzunluğu temsil

etmektedir. Elde edilen değer yüz ile çarpıldığı takdirde ise yüzde uzama değeri elde edilir (Ebewele,2000).

ε= [

L-L0

L0

] =

∆L

L0 (1.14)

Gerilme-gerinim eğrisinde orantısal limit noktasına kadar olan bölgeki doğrunun eğimi yardımı ile elastisite modülü (E) değeri elde edilebilmektedir. Elastisite modülü malzemenin sertliğinin ifade edilmesinde kullanılmaktadır. Bu doğrunun altındaki alan ise numunenin kalıcı deformasyon öncesindeki ne ölçüde enerji absorplayabileceğini hesaplamaktadır. Elastisite modülü 1.15 denkleminde gösterilmiştir;

62

E=

Gerilme_Gerinim

=

∆σ_∆ε (1.15) Eğrinin orantısal limit noktasından akma noktasına kadar olan bölümde viskoelastik deformasyon gözlenmektedir. Bu bölgede kalıcı deformasyon az miktarda olsa da meydana gelmektedir. Eğrideki akma noktasının x ekseninin kestiği nokta numunede kalıcı deformasyon oluşmadan uzadığı değeri, y eksenini kestiği nokta ise numunede kalıcı deformasyon oluşmadan taşıyabileceği yük miktarını göstermektedir. X eksenini kestiği nokta aynı zamanda akma noktasındaki uzama adını almaktadır.

Akma noktasının ardından belirli bir bölgede gerilim değerinde değişim gözlenmemekte ve gerinim değeri artmaktadır. Bu bölge soğuk akma olarak isimlendirilmektedir ve plastik malzemeler bu bölgeyi içeren bir gerilme gerinim eğrisi oluşturmaktadırlar. Bu bölgede, daha önceden iç içe geçmiş bir şekilde olan polimer zincirleri artık birbirlerinden ayrılırlar. Ayrılan polimer zincirleri birbirleri üzerinden kayarlar ve akmaya başlarlar. Bu şekilde viskoz deformasyon meydana gelir.

Akma noktası etrafında meydana gelen ve bir tepe noktası oluşturan durum boyun oluşumudur. Bu oluşum, yarı kristalin polimerlerde polimerin camsı geçiş sıcaklığının daha üzerinde, amorf polimerlerde polimerin camsı geçiş sıcaklığının altında gerçekleştirilen testlerde plastik akma öncesinde oluşmaktadır.

Numune uygulanan yük ile birlikte belirli bir noktada daha fazla uzayamadığı durumda kopmaktadır. Kopma noktası olarak adlandırılan bu noktanın x eksenini kestiği nokta kopma uzaması ve y eksenin kestiği nokta kopma gerilimi değerlerini vermektedir. Bu nokta, numunenin kopmadan taşıyabileceği en fazla yük miktarını belirtir. Gerilme- gerinim eğrisinin altında kalan alanın küçüklüğü malzemenin kırılganlığı ile ilişkilidir. Gerilme-gerinim eğrilerinin karakteristiği malzemeden malzemeye farklılık göstermektedir (Pişkin, 1987).

Belgede Epoksi-POSS nanoparçacıklarının poli (laktik asit) temelli polimer karışımlarında uyumlaştırıcı olarak kullanılabilme potansiyelinin araştırılması (sayfa 83-87)