Polimerler (polymer In Turkish)

Polimer malzemeler Karbonun diğer C veya H, O, OH, Cl gibi element veya iyonlarla kovalent bağlar yaparak oluşturduğu molekül zincirlerinin Van der Waals bağları ile bir arada bulunması ile oluşan malzeme grubuna verilen isimdir. Zincir içinde kovalent bağ

Zincirler arasında van der Waals bağ

Polietilen: Zincirin omurgası, Birbirlerine kovalent bağlı C atomları tarfından oluşturulmuş. Her bir C atomuna kovalent olarak bağlı 2 H mevcut.

*

Polimer oluşum reaksiyonları Molekülleri zincir oluşturması için meydana gelen reaksiyonlar; 1) 2) 3) 4) –

Polimerizasyon Kopolimerizasyon Poliadisyon Polikondanzasyon Diğer mekanizmalar • • •

Harmanlama Dallanma Çapraz bağ oluşumu

Polimerizasyon • Polimer; MER adı verilen çok sayıda doymamış moleküllerin bir araya gelmesi ile oluşur. • Örneğin; – Etilen molekülü –basınç, ısı veya katalizör yardımıyla C’ lar arası çift bağın teki parçalanır ve Mer durumuna geçer. – Mer molekülleri birbirine eklenerek polimerizasyon reaksiyonu oluşur.



Monomer

Polimerizasyon

Polietilen

Mer

• Bu şekilde n tane molekül birbirine eklenir ve Polietilen meydana gelmiş olur. • “n” MER sayısını ve polimerizasyon derecesini gösterir.100-1000 arasında değer alır. • Herhangi yan ürün çıkmaz. • Genelde termoplastikler bu reaksiyonla oluşur.

Kopolimerizasyon • Polimerizasyon reaksiyonunda birden fazla farklı türde MER in tekrarlı yapıda bir araya gelmesi ile oluşur. • Yan ürün çıkışı olmaz. • Vinil klorür oluşumu.

Poliadisyon • Başlatılması için bir başlangıç molekülüne ihtiyaç olduğu reaksiyonlardır. • H2O2, Etilen monomeriyle reaksiyona girerek yeni bir zincir meydana gelmesini sağlar.

Polikondansasyon • Farklı moleküllere sahip MER ler ürün vererek bir araya gelir ve zincir oluşturur. • Genelde termoset oluşumunda rastlanır. • Reaksiyonda yan ürün vardır. • Dimethil terefilat ve etil alkolün reaksiyonu neticesi PET oluşur. Yan ürün olarakta metil alkol oluşur.

Reaksiyona girenler

Ürünler

+

Yapısal özellikler • Harmanlama: Farklı molekül zincirlerinin bir araya gelmesi ile oluşur: ABS • Dallanma: Ana zinciri meydana getiren karbona başka bir zincirin bağlanması neticesi oluşur. • Çapraz Bağlanma: Uzun zincir moleküllerinin birbirlerine yan dallanmış bağlarla bağlanması. – Vulkanizasyon sırasında kükürtün yardımıyla çapraz bağ oluşumu. – Polimerin dayanımı artar fakat sünekliği azalır.

(a)Linear dallanmamış (b)Linear dallanmış

(c) Çapraz bağlı dallanmamış. (d) Çapraz bağlı dallanmış.

Polimerlerin yapısı • Camsı: Amorf • Kristal • Karışık yapı: Camsı/Kristal Tamamen kristal yapı pek görülmez; Karışık yapı olabilir. – Moleküllerin karmaşıklığı – Soğuma hızının artması

kristal oluşumunu zorlaştırır.

Polimer Çeşitleri 3 tip polimer mevcuttur – Termoplastikler – Termosetler – Elastomerler

Termoplastikler: Elastik lineer zincirler

Termosetler: Rijit üç boyutlu zincir ağı

Elastomerler: Lineer çapraz bağlı zincirler.

Termoplastikler • • • • • • • •

Isı etkisiyle yumuşayabilirler Polimerizasyon reaksiyonu ile üretilebilirler Daha çok lineer yapı gösterirler Artan sıcaklıkla önce vizkoz sıvı sonrada sıvı duruma geçer. Camlaşma sıcaklığının altında gevrek davranır. Tekrar kullanılabilirler. Düşük sürtünme katsayıları vardır. Pres, enjeksiyon, haddeleme, ekstrüzyon, gibi imalat yöntemleri uygundur.

• Aralarında – Genel amaçlı (PE, PVC, PS, ABS) – Mühendislik (PET, Teflon, PC, vs) – Elastomer polimerler.

Termosetler • Isı ile yanarak kömürleşirler; dolayısıyla sıcaklıkla yumuşamazlar. • Genellikler polikondanzasyon reaksiyonu ile imal edilirler; yan ürün verirler • Molekül zincirleri ağ yapısında çapraz bağlara sahiptirler • Camlaşma sıcaklığı alt ve üstünde gevrek davranırlar. • Gevrekliği azaltmak için dolgu malzemeleri kullanılır. • Kompozit malzemelerin üretimine uygundur. • Epoksi, polyester, bakalit, vs.

Elastomerler • Çok yüksek elastik özellik gösterirler. Uzamaları %1000 e ulaşabilir. • Dayanımları düşüktür. (Doğal kauçuk, lateks, vs.) • Vulkanizayon yardımıyla molekül zincirleri arasında çapraz bağlar oluşturulabilir ve lastik şeklinde üretilerek dayanımı arttırılabilir. • Bütadin/isopren/Neopren/Silikon, vs.

Katkı maddeleri • Plastikleştiriciler: Yumuşatır ve camlaşma sıcaklığını düşürür • Dolgu maddeleri: Gevrekliği azaltır/Ekonomiklik sağlar • Takviyeler; kompozit malzeme yaparak dayanımı arttırır • Stabilizatörler; Ortam etkisini indirgeyerek degradasyonu azaltır. • Alevlenme Önleyiciler; Kolay alevlenme ve yanmayı önlerler • Renklendiriciler; Polimerleri renklendirmek için kullanılır

Mekanik Özellikler

Mekanik özellikler Termoplastikler: • Elastik kısmın eğimi “elastik modülünü” verir. • Akmadan sonra, boyun verme olur: Kesit daralır, molekül zincirlerinin yumakları açılır, çekme doğrultusunda yönlenir ve birbirine yaklaşır. • Boyun vermeden sonra, Van der Waals bağları etkisini arttırır ve molekül zincirleri daha sıkı tarzda bağlanır ve dayanım artar. • Kopmanın meydana geldiği gerilmeye “çekme dayanımı” denir ve genelde elde edilen kopma uzaması değeri ile birlikte rapor edilir.

• Amorf ve molekül zincirlerinden oluşan yapılar nedeniyle vizko-elastik davranış göstermektedir. • Deformasyon sırasında hız önemlidir: Arttıkça dayanım artar. Deneylerde standart hız sözkonusudur.

• Elastik Ş.D.: Yumakların açılması, zincirlerin düzelmesi, Bağlarda uzama. • Plastik Ş.D.: Zincirlerin arasında kayma. • Çapraz bağ: Viskoelastik S.D. azaltır, dayanımı arttırır, süneklik azalır. Isıyla erime yeteneği kaybolur. • Termosetler her sıcaklıkta gevrek davranış gösterir

σ Çekme dayanımı Akma dayanımı Boyun verme Plastik deformasyon Nonlineer elastik deformasyon

Lineer elastik deformasyon

ε

Boyun verme lokal olarak zincirlerin çekme yönünde dügünleşmesi:

Kopma

Ak ma

σ

Lineer elastik

ε

Visko-elastik Davranış Rijit

Log E

• E-T diyagramıyla ifade edilir. • Çalışma ve ergime sıcaklıkları arasında kalan bölgeler farklılık gösterir. – Rijit bölge – Deri kıvamında bölge – Lastik kıvamında bölge – Vizkoz bölge

Deri kıvamı

Lastik kıvamı Vizkoz Tc

Te

Artan Çapraz bağ

Cam+ Kristal %100 Camsı

%100 Kristal

Elastomerler • Elastomerlerde doğrusal olmayan elastik deformasyona uğrar. • Elastik harakette önce yumaklar açılır sonra birbiri üzerinde kayar.

σ

e nış lı d r ra ğ e ba rler irl av c in ik d az e r z p tom r st a e a Ç las ne oel i L sk E i v

Bağlarda uzama Zincir yumaklarının açılması

ε (Eski haline dönemiyor) Visko elastik davranış

Termoset

Termoplastik

σ

σ

Termoplastik

ε Elastomer

ε

Histerisiz • Elastik zorlamada, eğri üzerinde gidiş ve geliş yollarında farklılığa “histerisiz” adı verilir. • Bu titreşim sönümlemede önemli rol oynar.

Darbe özellikleri ve Yumuşama Tayini Darbe Özellikleri; • Charpy ve izod deneyleri kullanılır. • Camlaşma sıcaklığı tayininde izod deneyi kullanılır. Yumuşama sıcaklık tayini (Vicat testi); • Sivri bir uçla ve 1 kgf ile batırılmaya çalışılan polimer malzemede 1mm kalıcı batmanın sağlandığı sıcaklık tayin edilir. • Yüksek sıcaklıklarda kullanılan polimerler için önemlidir.

Gevşeme • Zamana ve sıcaklığa bağlı olarak plastik şekil değişimini ifade eder. • Gevşeme; sabit deformasyon altındaki polimerler zamanla gerilmenin ve vizkoz akışın etkisiyle sahip oldukları gerilmeyi yitirirler.

• Gevşeme süresi: Polimerin ilk gerilme seviyesi σ o ın 0.37 x σ o seviyesine düşmesi için tanımlanmış T sıcaklığında gerekli süre τ olarak tanımlanmaktadır. Bu bir malzeme özelliği olup her malzeme için ve sıcaklık için aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır.

Qn   τ = C ⋅ exp RT    • Q viskoz akış için gerekli olan aktivasyon enerjisi, T mutlak sıcaklık, R ise üniversal gaz sabiti olup, C malzeme sabitidir.

Gevşeme • Bu veriler kullanılarak t anı sonrasında σ o ön gerilmesinden hangi gerilme değerine malzemenin gevşeyeceği aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilir.

( )

σ = σ o ⋅ exp −t τ

• Burada t süre, σ o polimerdeki başlangıç gerilmesi ve σ ise t anı sonrasında gerilmenin düşeceği gerilme seviyesidir.

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.

Bir polyisoprene bant çelik çubukları 1 yıl süre ile bir arada tutmak için kullanılmaktadır. Eğer gerilme 1500psi ın altına düşerse işlevselliğini yitirecektir. Yapılan ön çalışmalarda 1000 psi değerindeki gerilmelerin 6 hafta sonunda 980 psi değerine düştüğü görülmüştür. Tasarladığınız bantın yukarıdaki amacı yerine getirmesi için uygulanacak ön gerilmenin değeri ne olmalı.

Bir polyisoprene bant çelik çubukları 1 yıl süre ile bir arada tutmak için kullanılmaktadır. Eğer gerilme 1500psi ın altına düşerse işlevselliğini yitirecektir. Yapılan ön çalışmalarda 1000 psi değerindeki gerilmelerin 6 hafta sonunda 980 psi değerine düştüğü görülmüştür. Tasarladığınız bantın yukarıdaki amacı yerine getirmesi için uygulanacak ön gerilmenin değeri ne olmalı.

σ = σo exp( − t ) λ

980 = 1000 exp( − 6 ),

λ

6 λ= = 297 weeks 0.0202

1500 = σo exp(−52 / 297) = σo exp(−0.175) = 0.839σo σo = 1500 = 1788 psi 0.839