MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ Polimerler

Transkript

1 Polimerler 1

2 Her bir molekülünün, birbirine bağlanan ünitelerin tekrarından oluştuğu, uzun zincir moleküllerinden oluşan bir bileşik Tek bir polimer molekülünde binlerce, hatta milyonlarca ünite olabilir Polimer sözcüğü, eski Yunancada çok anlamına gelen poli ve parça anlamına gelen (ve mer olarak kısaltılan) meros kelimelerinden türetilmiştir Çoğu polimerler karbona dayanır ve bu nedenle organik kimyasal madde olarak kabul edilir

3 Plastiklerin Öneminin Nedenleri MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ Plastikler genellikle ilave işlem gerektirmeyen kesin parça şekilleri halinde kalıplanabilir Net şekil (kayıpsız) işleme yöntemleriyle son derece rekabet edebilir Hacimsel olarak polimerler: Metallerin rakibidir Metallere göre genellikle daha az enerji gerektirirler Bazı plastikler, bazı uygulamalarda camların rakibi olmasını sağlayacak şekilde şeffaftır

4 Plastiklerin Genel Özellikleri Metallere ve seramiklere göre daha düşük yoğunluk Belirli polimerler için (tümü değil) iyi dayanım/ağırlık oranı Yüksek korozyon direnci Düşük elektrik ve ısıl iletkenlik

5 Plastiklerin Genel Özellikleri Polimerlerin Sınırlamaları Metallere ve seramiklere göre düşük dayanım Düşük elastisite modülü (katılık) Servis sıcaklıkları sadece birkaç yüz dereceyle sınırlıdır Kuvvet ileten uygulamalarda belirgin bir sınırlama olabilen viskoelastik özellikler Bazı polimerler güneş ışığına ve diğer radyasyon formlarına maruz kaldıklarında bozunurlar

6 Plastiklerin Genel Özellikleri Pazar Payları Üç tür arasında ticari olarak en önemli olanı Termoplastiklerdir Üretilen tüm sentetik polimerlerin tonajının yaklaşık % 70 ini oluştururlar Termosetler ve elastomerler, geriye kalan % 30 un yarıdan fazlası termosetlerden ve kalanı da elastomerlerden oluşur Hacimsel oran olarak polimerlerin yıllık kullanımı metallerden fazladır

7 Plastikler birinci bölümde belirtildiği gibi üç önemli malzeme sınıfından birini oluştururlar. Bu malzemelere ayrıca polimerler, organik malzemeler veya reçineler denir. Gerçekte kimyasal yönden polimerler grubuna dahildirler. Küçük molekül bireylerinin (monomerler) birbirlerine eklenmesi sonucu elde edilen moleküler yapıdaki bireylerin (mer) sayısına bağlı olarak gaz, sıvı ve katı halde bulunurlar. Bu bölümde büyük dev moleküllerden oluşan katı haldeki polimerler ele alınacaktır. Diğer taraftan sıvı halde bulunan boyalar, vernikler, adezifler ve benzeri malzemeler de polimer sayılırlar.

8 Plastik kelimesi isim olarak bir malzeme türünü belirtir, bir sıfat olarak kalıcı şekil değiştirebilen cisim anlamına gelir. Örneğin bakır bir plastik malzemelerdir, plastik şekil değiştirdikten sonra kırılır, fakat plastik değildir. Diğer taraftan bakalit bir plastiktir, fakat plastik malzeme değildir, zira gevrektir. plastik şekil değiştirmeden kırılır. Endüstride plastik denmesinin nedeni üretimlerinin belirli bir aşamasında akıcı veya plastik kıvam almaları ve basınçla bir kalıba enjekte edilerek şekil verilebilmeleridir. Gerçekte plastikler hafif olup kolay şekillendirilir, az bir bilgi ile en karışık geometrik şekiller kolaylıkla verilebilir. Bu nedenle de çok geniş uygulama alanına sahiptirler.

9 Plastikler sınıfına giren malzemelerin bir kısmı doğal, bir kısmı ise sentetiktir. İnsanlar tarafından metallerden çok önce kullanılmaya başlanan ahşap, deri, yün ve benzeri lifler birer doğal polimerdir. bugün endüstride kullanılan plastiklerin büyük bir çoğunluğu sentetik polimerlerdir.

10 Plastiklere ayrıca organik malzemeler denilmesinin nedeni bileşimindeki temel elemanın C oluşudur. Birbirleri ile zincir şeklinde kovalent bağlarla bağlı C atomları polimerlerin bel kemiğini oluşturur. Gerçekte çekme mukavemeti 3100 MPa civarında olan arı C lifleri en yüksek mukavemetli malzemelerden biri sayılır. C zincirlerine bağlayan atomlardan en önemlisi H dir. Bundan başka Cl, F, N, O ve S gibi atomların türüne ve diziliş biçimlerine bağlı olarak yüzlerce yapı polimer türü geliştirilmiştir.

11 Polimerlerde moleküler yapı, polimerizasyon derecesi, dallanma ve çapraz bağ oluşumu üretim koşullarına bağlı olarak çok değişebilir, dolayısıyla özellikler de çok olabilir, bu nedenle kesin değerler verilemez. Tablo 12.2 ve 12.3te görüldüğü gibi çoğunlukla alt ve üst sınırlar vermekle yetinilir.

12 Örneğin polietilenlerin mukavemeti 7 ile 17 MPa,naylonlarınki 60 ile 100 MPa arasında değişir. Polimerlerin kütle veya reçine halinde mukavemeti diğer malzemelere göre oldukça düşük olmakla beraber lif haline getirilip kompozit malzemeye dönüştürüldükleri takdirde çok artabilir, özellikle özgül mukavemet (mukavemet / özgül ağırlık) yönünden metallerle rekabet edebilirler, Örneğin poliyamid liflerinden oluşan kevların özgül mukavemeti çeliğinkinin üç katı kadardır

13 Plastikler genellikle çevre koşullarına ve asitlere karşı dayanıklıdır sudan etkilenmezler. Yangına dayanıklı olmamakla beraber yavaş yanarlar (selülozikler hariç) ve alevsiz halde kendiliklerinden sönerler. Bu arada özellikle Cl içerenler yangın sırasında zehirli gaz yayarlar. Plastikler çoğunlukla 80 C üzerinde yumuşarlar, bu sınırın üstünde kullanılmaya elverişli değildirler. Uzayağı (Termosetler) polimerlerinde bu sınır 150 C a kadar çıkabilir.

14 Polimerlerde koordinasyon sayısı düşük olduğundan özgül ağırlıkları da düşüktür. Çoğunlukla 1-2 Mg/m 3 arasındadır. Bu arada polietilen ve polipropilen sudan hafiftir. Plastikler endüstride termoptastikter (lineer polimerler) ve termoset plastikter (uzayağı polimerleri) olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar. Bazı lineer polimerler molekül zincirleri arasında çapraz kovalent bağ oluşumu sonucu uzayağı polimerine dönüşürler.

15 Örneğin gerçekte termoplastik olan poliyesterde çapraz bağ sayısı artarsa termoset plastik niteliğini kazanır. Bir grup lineer polimer özel moleküler yapı nedeni ile büyük ölçüde elastik şekil değiştirebildiklerinden bazı kaynaklarda elastomerler adı ile ayrı bir grup olarak belirtilirler. Bu bölümde önce plastiklerin moleküler yapıları tanıtılacak, sonra endüstriyel yönden önemli plastiklerin özellikleri ve kullanma alanları açıklanacak, daha sonra bir doğal polimer sayılan ahşap hakkında kısa bilgi verilecektir.

16 Plastiklerin Moleküler Yapıları Plastiklerin ana ilkel maddesi doymamış hidrokarbonlardır. Doymamış hidrokarbonlarda C atomları arasında iki veya daha fazla alan bağ vardır. C atomlarının yanında genellikle H, bazılarında Cl, F, O, N ve S atomları bulunur. C atomları arasındaki çift kovalent bağdan biri genellikle sıcaklık, basınç veya katalizör yardımı ile koparılarak iki reaksiyon bağı oluşturulur.

17 iki yan reaksiyon bağlarında birer elektron vardır, dolayısıyla birer valans enerji düzeyi boştur. Bu durumda olan iki komşu etilen monomeri birer elektronlarını paylaşarak aralarında kovalent bağ oluştururlar. Böylece çok sayıda etilen men birbirlerine eklenerek birer polietilen polimer zinciri meydana getirir. Polimer zincirleri birbirleri ile ancak zayıf bağlarda bağ kurabilirler.

18

19 Hidrokarbon zincirlerinin genel formülü C m H 2m+2 şeklindedir. Zincirdeki m sayısı arttıkça molekülün boyutu büyür, aralarındaki zayıf bağ sayısı artar, önce gaz halinde iken sonra sıvı, daha sonra katı olur. Şekil 12.2 (a) da görüldüğü gibi m sayısı 1-4 arasında gaz halinde iken arasında sıvı, arasında yağ, arasında mum, daha büyük ise katı hale dönüşür. Molekül zincirinin boyu arttıkça zayıf yan bağların sayısı da artar, bunun sonucu mukavemet de doğal olarak yükselir (Şekil 12.2 b).

20

21 Bir plastik kütle içindeki polimer zincirlerinin boyları eşit değildir, bazıları uzun bazıları kısadır. Polimerizasyon derecesi (PD) bir polimer zincirindeki mer sayısı ile ölçülür. Polimerin molekül ağırlığı zincirdeki mer sayısı ile bir merin molekül ağırlığına çarpımına eşittir. Kütle içinde zincirlerin türleri ve boyları değişik olunca polimerizasyon derecesi istatiksel yolla saptanan ortalama polimerizasyon derecesi ile belirtilir.

22 Ortalama polimerizasyon derecesini bulmak için önce belirli boydaki zincirlerin toplam molekül ağırlıklarının kütlenin toplam ağırlığına göre yüzdesi bulunur, sonra belirli boydaki zincirlerin polimerizasyon derecesi ile ağırlık yüzdelerinin değişimi bir eğri halinde çizilir. Çan şeklinde olan bu eğrinin altında kalan alan ortalama polimerizasyon derecesini verir. Polimerlerde moleküllerin büyüklüğü viskozite, osmoz basıncı ve ışığı kırma özellikleri yardımı ile dolaylı olarak ölçülebilir.

23 Plastiklerin Türleri Polimerler plastikler ve lastikler olarak ayrılabilir Mühendislik malzemeleri olarak aşağıdaki üç kategoriye bölmek daha uygundur: 1. Termoplastik polimerler 2. Termoset polimerler 3. Elastomerler burada (1) ve (2) plastik; (3) ise lastiklerdir

24 Plastiklerin Türleri MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ Termoplastik Polimerler Termoplastikler Oda sıcaklığında katı olan ancak sadece birkaç yüz derece ısıtıldıklarında viskoz akışkan haline gelen malzemeler Bu özellikleri, kolayca ve ekonomik şekilde ürün haline getirilmelerini sağlar Önemli bir bozulma olmaksızın tekrar tekrar ısıtma soğutma çevrimine maruz bırakılabilirler TP şeklinde kısaltılırlar

25 Plastiklerin Türleri Termoset Polimerler - Termosetler Tekrarlı ısıtma çevrimlerine maruz bırakılamazlar zira: Başlangıçta ısıtıldıklarında yumuşayıp kalıbın içine akabilirler Yüksek sıcaklıklar, malzemeyi erimeyen bir katı kütle halinde sertleştiren kimyasal bir reaksiyon oluşturur Tekrar ısıtıldıklarında ise, termosetler bozunur ve yumuşamak yerine kömürleşir TS şeklinde kısaltılırlar

26 Plastiklerin Türleri Elastomerler (Lastikler) Nispeten düşük mekanik gerilmelere maruz bırakıldıklarında son derece büyük elastik uzama kabiliyeti gösteren polimerler Bazı elastomerler başlangıç boyunun 10 katına kadar gerilebilir ve tekrar başlangıçtaki boyuna dönebilir Özellikleri termosetlerden oldukça farklı olmasına rağmen molekül yapıları termoplastiklerden çok termosetlerinkine benzer

27 Termoplastikler (Lineer Polimerer) MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ Lineer polimerler vinil ve bütadien olmak üzere iki ana gruba ılırlar. Bu polimerlerin üretiminde kullanılan monomerler Tablo 1 de verilmiştir.

28 Vinil türü monomerde çift bağlı iki C atomu ile bunların ikişer yan atomu vardır. Bu yan atomlardan ilk üçü H, diğer dördüncüsü H den başka türde olabilir. Bu dördüncü yan atom H ise etilen, Cl ise vinilklorür, CH 3 grubu ise propilen ve benzen halkası ise stiren monomeri elde edilir. Eğer vinil tür monomerinin ilk iki yan atomu H, diğer iki yan atomu değişik türde atom ise viniliden monomeri oluşur. Bu son iki yan atom Cl ise viniliden klorür olur. Bu grupta dört yan atom da F olursa tetrafloretilen polimeri elde edilir. Bu monomerlerdeki çift karbon bağları polimerizasyon işlemi ile koparılırsa ikişer reaksiyon bağı oluşur ve bunlar yardımı ile çok sayıda monomer birbirine eklenerek zincir şeklinde polimerlere dönüştürülür.

29 Polimerizasyon işlemi oluşan ürünlerin türü yönünden ye ayrılır. Ekleme polimerizasyonunda reaksiyona giren bütün elemanlar ve atom grupları kullanılır, yan ürün doğmaz. Yoğuşma türü polimerizasyonda (kondansasyon polimerizasyonu) ise polimerlerin yanında ayrıca yan ürünler meydana gelir ve bu yan ürün çoğunlukla sudur. Reaksiyona giren ana monomerin başına poli kelimesi eklenerek oluşan polimerin adı elde edilir. Örneğin tetraflonetilen monomeri polimerize edilirse politetrafloretilene dönüşür, buna da endüstride teflon denir.

30 Kimyasal bir işlem olarak polimerlerin sentezi iki yöntemden biriyle yapılabilir: 1. Ekleme polimerizasyonu 2. Adım polimerizasyonu Belirli bir polimerin üretimi genellikle bu yöntemlerden biri veya diğeriyle ilişkilidir

31 Ekleme Polimerizasyonu Bu yöntemde, etilen monomerleri içindeki karbon atomları arasındaki çift bağlar açılır ve diğer monomer molekülleriyle birleşir Bağlantılar, mer lerin tekrarlandığı uzun zincirler geliştirecek şekilde, genleşen makromolekülün her iki ucunda meydana gelir Monomerlerin bazılarında ise, karbon çift bağını açmak için bir kimyasal katalizör kullanılarak başlatılır

32 Ekleme (zincir) polimerizasyonu modeli : (1) başlangıç, (2) monomerlerin hızlı eklenmesi ve (3) reaksiyonun bitiminde n adet mer içeren uzun zincir polimer molekülünün oluşumu

33 Lineer polimerlerde molekül zinciri boyunca aynı tür men varsa kısaca polimer denir. Bunlarda zincir boyunca bağ boyları ve bağ açılan aynıdır ve atomlar simetrik dizilmiştir, dolayısıyla komşu zincirler arasında uyum sağlayacak kristalli yapı oluşturma eğilimi artar. Bazı polimerlerde ise birden fazla tür mer bulunur ve bunlara kopolimer denir. Kopolimerde değişik oranda ve değişik türde merler farklı biçimde dizilerek çok değişik özellikle yapı oluştururlar. Merler zincir boyunca ardışık düzenli veya rasgele dizilebilir veyahut ayrı tür mer içeren bir zincire başka tür zincir dal biçiminde eklenmiş olabilir. Kopolimerler düzensiz yapılıdır, atomsal dolgu faktörü daha düşüktür, daha kolay şekil değiştirirler ve toklukları yüksektir Örneğin vinil klorürle viniliden klorür (PVC) kopolimerini oluşturur. ABS kopolimeri akrilonitril-bütadien-stiren merlerini içerir, bu kopolimerin mukavemeti ve elastisite modülü yüksek olduğu gibi tokluğu da yüksektir, çarpmaya iyi dayanır

34 Bir molekül zinciri boyunca tekrarlılık niteliğinin bozulması bir moleküler düzensizlik sayılır. Katı eriyik oluşturan metallerde olduğu gibi bu düzensizlik polimerlerin özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Bazı polimerlerde aynı tür yan atomlar veya kökler zincirin aynı yönünde dizilmiş olabilir, buna izotaktik diziliş denir. Bazı polimerlerde ise her iki yanda rastgele dizilmiş olabilirler, bunlara da ataktik diziliş denir.

35 Örneğin propilen vinil gruptan olup merler her merin yanında 3H atomu ve bir CH3 grubu bulunur. Propilenin bileşimi aynı kaldığı halde CH3 grubu zincirin yalnız bir yanında dizildiği gibi (izotaktik), her iki yanında rasgele dizilebilir (ataktik)

36 Bütadien türü polimerler grubunun monomerleri Tablo 12.1 de gösterilmiştir. Bunlarda bir çift doymamış karbon-karbon bağı vardır. Bunlardan bir çiftin kopması polimerizasyon için yeterlidir. Böylece uzun molekül zincirlerine sahip lineer polimerler elde edilir. Zincirlerin içinde kalan doymamış karbon bağı çiftlerinden ileride komşu zincirler arasında çapraz bağ kurmada yararlanılır. Çapraz bağ kurmada genellikle kükürt kullanılır ve buna vulkanizasyon işlemi denir. Çapraz bağlar zincirlerin hareketini kısıtladığı için sertlik ve mukavemet artar. Butadien türü polimerlerde de yan atom grupları ii biçimde dizilerek izomerler meydana getirir.

37 Polimerlerin özellikleri, daha önce belirtildiği gibi üretim süresinde oluşan moleküler yapıya ve ayrıca deney koşullarına bağlıdır. Bu tabloda görüldüğü gibi özellikler alt ve üst sınırlarla belirtilmiştir. Polimerler genellikle amorf yapılıdır ve kesin ergime sıcaklıkları yoktur. Yumuşamanın başladığı sıcaklıktan sonra viskozite sürekli azalır ve polimer akıcı bir kıvam alır. Lineer polimerlerde sıcaklık arttıkça moleküller arası zayıf bağlar kopar, molekül zincirleri birbiri üzerinde kolaylıkla kayar, sıvı hale dönüştükten sonra da zincirler bütünlüğünü korur. Soğurken yan zayıf bağlar tekrar oluşarak katılaşmayı sağlar.

38

39 Termoplastikler hurda halinde iken tekrar kullanılabilmeleri için kesilerek küçük parçacıklara ayrılır. Bu parçalanma işlemi süresinde moleküllerin boyları kısalır, dolayısıyae mukavemet düşer. Bu nedenle hurda plastiklerden üretilen ürünler daima düşük kaliteli olur.

40 Polimerlerin Kristalleşmesi Polimerler genellikle amorf yapıya sahiptirler, Uzun ve karışık yapılı zincirlerin komşuları ile uyum sağlayıp düzenli yapı meydana getirmeleri çok zordur. Bir lineer polimerin genel görünüşü pişmiş makarnayı andırır, zincirler birbirleri ile dolaşmış halde bulunur. Ancak basit yapılı ve simetrik polimerlerde, polietilen, izotaktik propilen gibi, bazı koşullarda yerel düzen oluşabilir. Amorf ana yapı içinde oluşan küçük kristal yapılı bölgelere kristalitler denir. Kristalitlerin yoğunluğu amorf yapıya. göre % 5 10 kadar daha büyüktür.

41 Örneğin endüstride kullanılan yüksek yoğunluklu polietilende %90 oranında kristalleşme nedeni ile yoğunluk 0.96 cm3, düşük yoğunluklu amorf polietilen de ise 0.92 Mg/cm3 tür. ima hızı yavaş olursa kristalleşme olanağı artar ve oluşan kristaller Şekil 12.4 de görüldüğü gibi rasgele yönlenirler. Kristalleşme dış kuvvet etkisinde de oluşabilir. Gerilen molekül zincirleri paralel hale gelerek yer yer uyum sağlayabilirler.

42

43 Bu şekilde doğan kristalitler kuvvet doğrultusuna paralel olurlar. Kristalitlerin büyüklüğü A civarındadır. Molekül zincirleri ise bu boyuta göre çok daha uzundur, bazıları birkaç kristalit içinden geçerek uzanırlar. Kristallik derecesi arttıkça mekanik özellikleri ve yumuşama sıcaklığı yükselir. Kristalli ve amorf yapılı polietilen mekanik özellikleri arasındaki farkı Şekil 12.4cde açıkça görülmektedir.

44 Metallerde gerilme-şekil değiştirme eğrileri akma başladıktan sonra yatıklaşır (Şekil 12.5) Diğer taraftan lineer polimerlerde ise eğri başlangıçta yatıktır, sonra dikleşir. Molekül zincirleri gerilip doğrulunca komşuları ile uyum sağlarlar, yer yer kristalleşme oluşur ve şekil değiştirme direnci artar. Özellikle bu davranış kauçukta çok belirgindir. Çekme etkisinde kristalleşme nedeni ile kauçuğun hacmi azalır, gerilme kalınca tekrar ilk hale döner. Diğer malzeme türlerinde ise çekme etkisinde daima hacim artar.

45 Termoset (Uzayağı) Polimerler Uzayağı polimerlerinde moleküller arasında üç boyutlu uzayda sürekli kovalan bağ vardır. Bu bağlar bazılarında yüksek basınç ve sıcaklık etkisinde, bazılarında ise oda sıcaklığında kimyasal reaksiyon sonucu oluşur. Bunlarda genellikle sıvı halde bulunan monomer kütlesi veya reçine ile bir sertleştirici katkı ile karıştırıldıktan sonra polimerizasyon olayı süresince molekül bireyleri arasında çapraz bağlar meydana gelir. Polimerizasyon bittikten sonra amorf ve rijit bir kütleye dönüşür. Bundan sonra sıcaklık artsa dahi yumuşama oluşmaz. Aşırı sıcaklık kovalan bağların kopmasına veya kavrulmasına, dolayısıyla malzemenin tahrip olmasına neden olur. Uzayağı polimerleri olan termosetler tekrar kullanılamazlar

46 Uzayağı polimerlerinden üç önemli grubun merlerindeki atomların dizilişi aşağıda gösterilmiştir.

47 Monomerlerde ikiden fazla doymamış karbon-karbon bağı varsa üç veya dört adet komşu moleküller bağ kurarak sürekli bir kovalan bağ oluştururlar. Bu türe örnek en sık rastlanan ve ilk defa sentetik La üretilen polimer fenol-formaldehittir. Şekil 12.6 da görüldüğü gaz halindeki bir formaldehid (CH2O) molekülü ile düşük ergime sıcaklıklı iki fenol (C6H5OH) molekülü polimerize edilerek birbirleri bağ kurarlar.

48 Bu şekilde oluşan fenolformaldehidin moleküler yapısı Şekil 12.7 de görülmektedir. Bunun yanında iki fenolden ayrılan H atomu ile formaldehidten ayrılan bir O atomu su halinde yan ürün oluşturur ve buharlaşarak uçar. Gerçekte fenolun benzen kasından üç adet reaksiyon bağı elde edilebilir. Iki reaksiyon bağlı formaldehid ile üç reaksiyon bağlı fenol monomerleri üç boyutlu uzayağı türü fenolformaldehid polimeri meydana getirirler. Bu polimere endüstride bakalit denir. Bakalit sürekli kovalent bağa sahip termosettir, bu nedenle sert ve gevrek bir cisimdir.

49 Termoset plastikler termoplastiklere göre daha yüksek mukavemetli, daha rijit (elastisite modülü yüksek), boyutları daha kararlı, sünmesi daha düşük ve kullanılma sıcaklıkları daha yüksektir. Bununla beraber daha pahalı ve uygulamaları daha güçtür. Dış etkilere ve asitlere daha dayanıklı olduklarından koruyucu kaplama ve dekorasyon amacı için kullanılmaya elverişlidirler.

50 Aşağıda bazı önemli termoset plastiklerin özellikleri verilmiştir. Gerçekte arı kütle halinde termoset plastiklerin mukavemeti diğer mazemelere göre düşük olmakla beraber lifler ve benzeri malzemelerle (cam, boron, karbon, mika, selliloz lifleri gibi) pekiştirilerek kompozit polimerlere dönüştürürler ve mukavemetleri birkaç kat arttırılabilir

51 Örneğin poliyesterin mukavemeti Mpa arasında iken cam lifleri ile pekiştirilince MPa kadar yükseltilebilir. Ayrıca hafif olduklarından özgül mukavemet (mukavemet/özgül ağırlık) yönünden metallerden çok daha üstündürler. Bu nedenle uçak ve uzay endüstrisinde, oto, deniz tekneleri, spor malzemeleri ve yapı elemanları üretiminde çok yaygın olarak kullanılırlar

52 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termoplastikler Polietilen (PE): En çok kullanılan ve en ucuz plastik türüdür (toplam tüketimin % 35 i kadar). Arı halde saydamdır ve sudan hafiftir. Simetrik moleküler yapı nedeni ile büyük ölçüde kristalleşebilir. Kristalliği arttıkca ( % 90 a kadar) özğül ağırlık, mukavemet ve yumuşama sıcaklığı yükselir. Şekil 12.5 de düşük ve yüksek özgül ağırlıklı polietilenin gerilme - şekil değiştirme diyagramları görülmektedir. Genellikle ince film halinde paketleme, ambalaj ve örtü işlerinde, boru hortum ve çeşitli ucuz mutfak ev eşyası üretiminde anılır.

53 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termoplastikler Polietilen (PE)

54 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termoplastikler Polivinilklorür (PVC): Polietilenden sonra en çok kullanılan plastik olup oldukça ucuzdur. Mukavemeti yüksek, kimyasal etkilere ve aşınmaya karşı dayanıklıdır. Alevle yanmaya karşı dirençli olmakla beraber zehirli gaz yayar. Döşeme kaplamaları, boru hortum, yapay üretimine elverişlidir. Son yıllarda kapı ve pencere malzemesi olarak büyük ölçüde kullanılmaya başlanmıştır.

55 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termoplastikler Polivinilklorür (PVC)

56 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termoplastikler Polipropilen (PP): Mukavemeti ve yumuşama sıcaklığı oldukça yüksek olup sudan hafiftir. Kimyasal yönden inerttir ve su emmesi çok azdır. Bu nedenle büyük ölçüde şişe, mutfak ve laboratuar malzemesi imine elverişlidir. Ayrıca ambalaj, paketleme ve çuval üretiminde kullanılır.

57 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termoplastikler Polipropilen (PP)

58 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termoplastikler ABS (Akronitril-Butadien-Stiren): Üçlü kopolimeri olup mukavemeti tokluğu yüksektir. Dış ve kimyasal etkilere karşı dayanıklıdır. Boru, oto parçaları, elektronik aygıt kabinleri ve buzdolabı parçaları üretiminde kullanılır.

59 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termoplastikler ABS (Akronitril-Butadien-Stiren)

60 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Uzayağı polimeri olan termoset plastikler mukavemetleri, rijitlikleri, kullanma sıcaklık sınırları ve dış etkilere dayanıklılıkları yönünden termoplastiklerden genellikle daha üstündürler, ancak tekrar kullanılamazlar. Arı kütle halinde kullanıldıkları gibi ayrıca değişik tür liflerle kompozit polimerlere dönüştürülerek üstün mekanik özellikler kazanırlar

61 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Fenolikler En önemli endüstriyel plastiklerden sayılan bakalit (fenol formaldehid) ilk geliştirilen sentetik fenolik polimerdir. Mukavemeti ve sertliği yüksek, sıcaklığa ve kimyasal etkilere dayanıklı kolay uygulanan ve oldukça ucuz plastik türüdür. Cam lifi, pamuk ve odun talaşı ile pekiştirilerek mukavemet ve toklukları arttırılır.. Elektrik ve oto endüstrisinde çeşitli parçaların üretiminde, ayrıca levha halinde mobilya ve yapılarda, kaplama ve yapıştırma işlerinde kullanılırlar.

62 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Fenolikler

63 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Epoksiler Mukavemeti ve sertliği yüksek, dış kimyasal etkilere dayanıklı ve boyutları kararlıdır. Koruyucu ve dekoratif kaplama işlerine elverişlidirler. Diğer malzemelere kolaylıkla yapışır, bu nedenle adezif olarak geniş ölçüde kullanılırlar. Özellikle cam, karbon ve boron lifleri ile pekiştirilecek mukavemetleri ve rijitlikleri çok arttırılabilir. Uçak ve uzay aracı gövdelerinde, spor malzemelerinde kullanılmaya elverişli olmakla beraber oldukça pahalıdırlar.

64 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Epoksiler

65 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Poliyesterler Doymamış kovalan bağlı poliyesterler düşük viskoziteli lineer polimer olmakla beraber, katkı maddeleri ile birlikte işlem uygulayarak çapraz bağlar oluşturulur, bunun sonucu termoset plastiğe dönüştürülürler. Dış etkilere iyi dayanırlar ve kolay uygulanırlar. Çoğunlukla cam elyafı ile pekiştirilerek deniz tekneleri, gövdeleri, deşarj boruları ve su tankları üretiminde kullanılırlar.

66 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Poliyesterler

67 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Aminler Sert, rijit ve kimyasal etkilere dayanıklı olup kokusuz ve tadsızdır, sıcaklıkla boyutları çok az değişir. Özellikle mutfak ve ev ilan üretimine elverişlidirler Melamin formaldehid ve formaldehit aynı gruptan olup özellikle kontrplak, sunta ve benzeri alarm üretiminde adezif olarak kullanılırlar.

68 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Aminler

69 Bazı Önemli Plastiklerin Özellikleri ve Kullanma Alanları Termosetler Silikonlar Si atomları C atomları gibi dördüncü grup elemanıdır, dolayısıyla polimerize olma yetenekleri vardır. Ancak Si atomlarının kendi aralarında uzayağı yapısı oluşturmaları güçtür, zincirler kararsız olur. Bunun yerine oksijen atomları ile kolaylıkla bağ oluşturarak polimerize olurlar, bu nedenle de bunlara silikonlar denir. Moleküler yapıya ve polimerizasyon derecesine bağlı olarak silikon kauçuğu, silikon gresi ve silikon yağı halinde bulunurlar. Özellikle elastomer niteliğinde olan silikon kauçuğu loo C ile 250 C arasında elastikiyetini korur. Bu nedenle conta ve salmastra olarak kullanılmaya elverişlidir. Ayrıca oto ateşleme sistemlerinde elektriksel yalıtkan, yapılarda yalıtım ve koruma amacı ile kullanılır, ancak oldukça pahalıdır.

70

71 Plastiklerin Mekanik Özellikleri Termoplastikler genellikle sünektir, kırılmadan önce plastik şekil değiştirirler. Mekanik özellikleri yükleme hızına. yükleme süresine ve sıcaklığa önemli derecede bağlıdır. Oda sıcaklığında sabit gerilme altında sünme nedeni ile sürekli şekil değiştirirler. Termoset plastikler ise gevrektir, plastik şekil değiştirme olmadan kırılır. Sıcaklık artınca mukavemetleri azalır, fakat yumuşamazlar. Aşırı sıcaklıkta ayrışırlar ve kavrulurlar. Plastiklerin elastisite modülleri düşüktür, genellikle de metallerin 1/100 ü kadardır.

72

73 Lineer polimerlerde kuvvet etkisinde atomların bağ eksenleri etrafında dönmesi, bağ açılarının büyümesi ve bağların doğrulması sonucu önemli büyüklükte elastik değiştirme oluşur. Kuvvet etkisinde zincirler arası zayıf bağlar kısmen kopar, zincirler birbiri üzerinde kayar, bu arada zayıf bağların bir kısmı tekrar oluşur. Sabit gerilme altında bu olay zamanla yavaş ve sürekli ilerler. Bu davranış polimerlerde sünmeye neden olur. Bu şekilde sabit gerilme etkisinde sürekli artan şekil değiştirmeye viskoz şekil değiştirme denir. Yük kalktıktan sonra dönen ve doğrulan bağlar moleküller arası polar momentler etkisi ile tekrar ilk haline dönmeye çalışır, bunun sonucu bir miktar elastik toparlanma görülür. Bu toparlanma yer değiştiren moleküler arası polar etkileşmeden doğan iç sürtünme nedeni ile tedrici olur.

74 Lineer polimerlerin şekil değiştirmesi. a) Bağ dönmesi, b) Bağ doğrulması, e) Zincir kayması.

75 Zamana bağlı şekil değiştirme ile elastik toparlanmanın birlikte oluştuğu davranışa viskoelastik davranış denir ve bu davranışa sahip malzemelere viskoelastik malzemeler denir. Özellikle lineer polimerler bu gruba girer. Polimerlerde molekül zincirlerinin boyu büyük ve yanal atom veya molekül gruplarının boyutu ve sayısı yüksek ise birbirleri ile dolaşık halde olan zincirlerin hareketi daha çok kısıtlanır. Bunun sonucu şekil değiştirme direnci ve mukavemet artar, sünme ise azalır. Ayrıca komşu moleküller arasında oluşan çapraz bağlar ve dallanma olayı şekil değiştirme direncini, yani rijtliği önemli ölçüde etkiler

76 Kauçukta molekül zincirleri çok uzun olup bükülmüş ve kangal şeklinde dolanmış durumdadırlar. Yük uygulanınca bağ açılan döner, bükümler açılır ve sonuçta % düzeyinde elastik şekil değiştirme görülür, yük kalkınca zincirler tekrar ilk haline döner. Bu davranışlarından dolayı bu tür lineer polimerlere elastomer denir. Gerçekte çok yumuşak ve yapışkan olan arı kauçuğa % 10 kükürt katılarak vulkanize edilirse zincirler arasında çapraz bağlar oluşur, bunun sonucu esnek ve yüksek mukavemetli otomobil lastiği elde edilir. % 30 S içeren vulkanize kauçuk sert ve gevrek olur, buna ebonit denir. Örneğin akümülatör kutuları bu tür vulkanize kauçuktan yapılır.

77 Çapraz bağların sayısı arttıkça şekil değiştirme kısıtlandığı gibi yumuşama sıcaklığı da artar. Kovalan türde olan bu bağlar üç boyutlu ayda sürekli olursa uzayağı türü yapıya geçilir. Bu durumda bu bağlar daha önce söz konusu olan yumuşama sıcaklığının üstünde de varlığını korur. Diğer bir deyim le bu tür yapıya sahip polimer yumuşamaz. Ancak aşırı sıcaklık kovalent bağları kopararak kavruimaya, yani polimerin tahribine neden olur. Bu özelliğe sahip termoset plastikler sert ve gevrektir, plastik şekil değiştirme yetenekleri yoktur

78 Yüksek sıcaklık ve yükleme hızı polimerlerin mekanik davranışını etkiler. Yavaş artan yük altında önemli miktarda şekil değiştiren ve düşük gerilmede kırılan bir polimer hızlı artan yük etkisinde çok daha az şekil değiştirerek daha yüksek mukavemet gösterir. Yüksek sıcaklıkta viskoz davranış gösteren bir plastik düşük sıcaklıkta rijıt ve gevrek olabilir. Viskoelastik malzemelerde kesin elastisite modülü yoktur belirli bir süre sonunda oluşan gerilme şekil değiştirme oranı viskoelastik modül olarak tanımlanır.

79 Bu bir bağıl değer olmakla beraber değişik tür davranışı tanımlamada yararlıdır. Amorf yapılı polimer Tc cam sıcaklığı altında sert ve gevrektir, moleküller arası bağıl kalıcı hareket oluşamaz, ancak kovalan bağların gerilmesi ve eğilmesi sonucu biraz elastik şekil değiştirme görülür, parça eğilip bırakılınca yay gibi aniden ilk şekline döner. Tc cam sıcaklığının üstünde malzeme eğilince biraz şekil değiştirir, fakat bırakınca çok yavaş geri döner, buna derimsi davranış denir

80 Daha yukarda lastiksi bölgede polimer yumuşaktır, kolay şekil deştirir, eğilip bırakılınca gene hızla geri döner. Buraya kadar olan sıcaklık bölgesinde molekül zincirlerinde bağıl hareketler tersinirdir. Ancak belirli bir sınırın üstünde ısıl titreşimler daha da etkili olduğundan yan zayıf bağların sayısı çok azalır, sabit yük altında zincirler birbirine göre kayar, viskoz şekil değiştirme oluşur. Te ergime sıcaklığı üstünde toparlanma yoktur, bu bölgeye viskoz sıvı bölgesi denir.

81 Normal koşullarda yavaş yükleme hızında viskoz şekil değiştiren bir polimer çok yüksek hızlı yüklemede (çarpma hali ) gevrek davranış gösterebilir (asfalt gibi). Sıcaklık etkisiyle yumuşayan polimerlerde kovalan bağlar kopmaz, ve fakat zayıf bağların kopması sonucu zincirler birbiri üzerinde kolaylıkla kayar. Ancak aşırı sıcaklık yan H ve atom gruplarını koparabilir, geriye kalan C zinciri siyah renk alır. Bu olaya kavrulma denir. Bundan başka radyasyon etkisi ile bağ kopmaları ve dallanma oluşabilir, özellikler önemli ölçüde değişir.

82 Ahşap Ahşap çeşitli tür doğal polimerlerden oluşan önemli bir yapı malzemesi olup kolay işlenir ve doğada bol miktarda bulunur. Yüksek özgül mukavemete (mukavemet/özgül ağırlık) sahiptir. Bu oran yapı çeliğinde 5, ahşapta ise 15 civarındadır. Özellikleri geniş ölçüde doğrultuya bağlıdır (anizotrop). Ahşabın yapısını tanıdıktan sonra özelliklerinden söz etmek yerinde olur.

83 Ağacın gövdesi boyuna doğrultuda büyüyen ince uzun boru demetlen eklinde hücrelerden oluşur. Enine kesildiği zaman iç içe oluşmuş halkalar görülür Her yıl ağaca yeni bir halka eklendiğinden bunlara yaş halkaları denir. Bir yaş halkasının iç kısmında gevşek ve açık renkli ilkbahar, dış kısmında ise sıkı yapılı ve koyu renkli yaz halkası bulunur. Daha geç ve yavaş büyüyen yan halkalarının mukavemeti daha yüksektir.

84 Ahşap doğal bir polimersel kompozit malzeme sayılır. Bileşiminde %50 selüloz, % 30 kadar linyin bulunur. gerisi pektin ve diğer maddelerdir. Bir lineer polimer olan sellülozun bileşimi ( C6H 10 O 5 ) dir ve bir zincirde mer bulunur. Linyin ise boyutlu karmakşık bir polimer bileşimi C41H3606 dır. Sellüloz linyin ile birlikte ince uzun boru şeklindeki hücrelerin cidarlarını oluştururlar. Pektin bu hücreleri birbirine bağlar, jelleşme özelliği nedeni ile su alınca önemli ölçüde şişer, kuruyunca büzülür. Bundan dolayı ahşap liflere dik doğrultudaki boyutları rutubete bağlı olarak çok değişir. Sellülozun yoğunluğu 1.55 Mg/ cm3 olmakla beraber, içi boş borulardan oluşan ahşabın yoğunluğu balsada 0,15 Mg/m3. meşede 0.70 mg/m3, pelesenk ağacında ise 1.3 mg/m3 dür. Yoğunluk artttıkça ahşabın mukavemeti de yükselir.

85 Ahşap higroskopik bir cisimdir, %30 kadar su emebilir. Yoğunluğu ve mukavemeti rutubet oranına göre değişir. Bu özellikler ancak standard koşullar altında saptanırsa Birbirleriyle karşılaştırılabilir. MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ

86 Ahşabın mukavemeti liflerin doğrultusuna bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Elastisite modülü liflere paralel doğrultuda N/mm2, çapsal doğrultuda ise N/mm2dir. Liflere paralel doğrultuda çekme mukavemeti çapsal doğrultudakinin 20 katı kadardır. Eksenel doğrultudaki çekme mukavemeti çamda 90, meşede 120 N/ mm2 civarındadır. Ahşabın yüksek çekme mukavemetini değerlendirmek, anizotropluk özelliğini gidermek ve aynı zamanda dış etkilere karşı dayanıklılığını arttırmak için çeşitli işlemler uygulanarak levha haline getirilir. İnce ahşap levhalar lif doğrultuları birbirine dik olacak şekilde üst üste konulup yapıştırılırsa kontrplak elde edilir. ince ağaç lifleri bir polimerle (üreformaldehid) pres altında yapıştırılarak sertleştirilirse elka denen levhalar, eğer yongalar yapıştırılırsa sunta denen levhalar elde edilir. Bu şekilde elde edilen yapay ahşap levhalar hem mukavemet, hem izotropluk ve hem de dış etkilere dayanıklılık yönünden ahşaba göre üstün özelliklere sahiptirler