HĠDROTERMAL YAġLANDIRMANIN ÇOK YÜKSEK MOLEKÜL AĞIRLIKLI POLĠETĠLEN MALZEMENĠN KIRILMA DAVRANIġINA ETKĠSĠ

Transkript

1 12 14 Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli HĠDROTERMAL YAġLANDIRMANIN ÇOK YÜKSEK MOLEKÜL AĞIRLIKLI POLĠETĠLEN MALZEMENĠN KIRILMA DAVRANIġINA ETKĠSĠ Sinan YILMAZ a, A. Armağan ARICI b, Taner YILMAZ c a,b,c Kocaeli Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Umuttepe, Ġzmit/KOCAELĠ sinan.ylmaz@hotmail.com ÖZET Çok yüksek molekül ağırlıklı polietilen malzemenin (ÇYMAPE), hidrotermal yaģlandırma öncesi ve hidrotermal yaģlandırma etkisi altındaki kırılma davranıģı, esas kırılma iģi (essential work of fracture- EWF) metoduyla incelenmiģtir. Bu amaçla, 5 mm kalınlıktaki ve farklı çentik uzunluklarına sahip tek kenardan çentikli çekme numuneleri (single edge notched tension-sent), 8 C sıcaklıktaki su ortamında bekletilmiģlerdir. Esas kırılma iģi parametrelerinin saptanması için numunelere, oda sıcaklığında, 2 mm/dak sabit deformasyon hızında çekme testi uygulanmıģtır. Çekme testi ile hasara uğratılan SENT numunelerin kırılma yüzeyleri, taramalı elektron mikroskobunda (TEM) incelenmiģtir. Esas kırılma iģi parametrelerinin ve çekme testi sonuçlarının grafiksel değiģimleri, esas kırılma iģi metodunun baģarıyla uygulandığını ortaya koymuģtur. Ayrıca numune ağırlıklarındaki değiģimler, grafiksel ve görsel sonuçlar, hidrotermal yaģlandırma sürecinin 6. gününden itibaren, su absorbsiyonunun etkisiyle, malzemenin kırılma tokluğunda belirgin bir azalma meydana geldiğini göstermiģtir. Anahtar Kelimeler: Çok yüksek molekül ağırlıklı polietilen (ÇYMAPE), Hidrotermal yaģlandırma, Kırılma davranıģı, Esas kırılma iģi metodu (EWF). 1. GĠRĠġ Çok yüksek molekül ağırlıklı polietilen malzeme, üstün mekanik ve fiziksel özellikleri nedeniyle endüstride, mühendislik malzemesi olarak yaygın bir kullanım alanına sahiptir [1,2]. Bilhassa tribolojik özellikleri ve biyo uyumluluğu nedeniyle 4 yılı aģkın bir süredir kalça ve diz protezi yapımında kullanılmaktadır [3,4]. Ancak termoplastik malzemelerin kalitesi, kullanım ortamından etkilenmekte ve zamanla azalmaktadır. Bu olaya yaģlanma adı verilir. Mekanik, kimyasal ve fiziksel olmak üzere çeģitli yaģlanma mekanizmaları vardır ve zamanla termoplastik malzemelerin özelliklerinde olumsuz yönde bir değiģime neden olması nedeniyle yaģlanma, incelenmesi gereken önemli bir konudur [5]. Bilindiği gibi yaģlanma, mekanik özelliklerde çok belirgin bir azalma olmaksızın malzemenin renk değiģimi Ģeklinde ortaya çıkar. YaĢlanmanın ilerleyen safhalarında malzemenin mekanik özelliklerinde belirgin bir azalma meydana gelir ve bu durumu en iyi karakterize eden malzeme özelliği kırılma tokluğu değeridir [6]. 175

2 12 14 Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli Sünek malzemelerin kırılma davranıģlarını açıklamak için J-integrali ve esas kırılma iģi metodu kullanılır. Ancak son yıllarda, deneysel açıdan daha basit olması nedeniyle, EWF metodu çok daha yaygın bir biçimde kullanılmaya baģlanmıģtır [7,8] Esas Kırılma ĠĢi Metodu (Essential Work of Fracture - EWF) EWF yaklaģımına göre, malzemeyi kırmak için gereken iģ (W f ), iki farklı enerjinin toplamıdır. Buna göre; W f = W e + W p (1) eģitliği yazılır. Buradaki ilk terim olan W e ye esas kırılma iģi (essential work of fracture) denir. W e enerjisinin, kırılmanın meydana geldiği iç kırılma proses bölgesi (inner fracture process zone-ifpz) tarafından absorbe edildiği kabul edilir (ġekil 1.a). Yani W e değeri, saf çatlak ilerleme direncinin bir ölçüsüdür ve kırılma tokluğu olarak ele alınır. Ġkinci terim olan W p ye, plastik deformasyon iģi veya esas olmayan kırılma iģi (non-essential work of fracture) denir. Bu enerji, dıģ plastik deformasyon bölgesi (outer plastic deformation zone-opdz) tarafından absorbe edilir ve bu bölgedeki plastik deformasyon mekanizmalarını harekete geçirmek için harcanır. (a) (b) (c) ġekil 1. (a) Çift kenardan çentikli çekme numunesi (DENT) için iç kırılma proses bölgesi (IFPZ) ve dıģ plastik deformasyon bölgesi (OPDZ), (b) çift kenardan çentikli (DENT), (c) tek kenardan çentikli (SENT) deney numuneleri [8] Denklem 1 deki kırılma iģi terimlerinin kırılmanın meydana geldiği yüzey alanına bölünmesi ile spesifik esas kırılma iģi w e (specific essential work of fracture) ve spesifik plastik deformasyon iģi w p (specific non-essential work of fracture) değerleri elde edilir (Denklem 2). 176

3 12 14 Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli w f = w e + w p L (2) Buradaki değeri plastik deformasyon bölgesi Ģekil faktörü, L değeri (ligament length) ise çentiksiz bölgenin (kırılma bölgesinin) uzunluğudur. Bu eģitlik incelendiğinde, w f ile L arasında lineer bir iliģki olduğu görülmektedir. Farklı çentik uzunluklarına sahip numunelere çekme testi uygulamak suretiyle w e değeri bulunabilir. Bu amaçla, çift kenardan çentikli çekme (double edge notched tension-dent) numuneleri (ġekil 1.b) ve tek kenardan çentikli çekme (single edge notched tension-sent) numuneleri (ġekil 1.c) çok yaygın bir Ģekilde kullanılmaktadır. Yük-uzama eğrisi altında kalan alan, toplam kırılma iģi (W f ) değerini verir. Bu değerin kırılma yüzey alanına bölünmesi ile spesifik toplam kırılma iģi (w f ) değeri hesaplanır. Daha sonra w f -L grafiği çizilir ve doğrunun w f eksenini kestiği nokta spesifik esas kırılma iģi (w e ) değerini verir (ġekil 2). Spesifik plastik deformasyon iģi olan w p değeri ise w f -L doğrusunun eğimidir. ġekil 2. Spesifik kırılma iģi w f nin L ile değiģimi [8] ġekil 3. Yük uzama eğrisinde kırılma iģi parametrelerinin gösterimi (DENT numune) [8] Spesifik toplam kırılma iģi (w f ) ile L arasındaki lineer iliģkinin sağlanabilmesi için L nin Denklem 3 deki Ģartı sağlıyor olması gerekir. 3B-5B L min(2r p, W/3) (3) Buradaki B numune kalınlığı, r p çatlak ucu plastik bölgenin yarıçapı ve W numune geniģliğidir. Gerilme halinin L ye bağımlı olup olmadığını görmek için maksimum net kesit gerilmesi (Denklem 4) ile L nin değiģimi grafiği çizilir. σ n = P max / (L.B) (4) 177

4 12 14 Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli Buradaki P max yük uzama eğrisindeki maksimum yük değeridir. Bazı malzemeler DENT numunelerden hazırlanmıģ deney numuneleri ile yapılan kırılma testleri sonucunda ġekil 3 te gösterildiği gibi yük-uzama eğrilerinde ani yük düģüģü özelliği gösterirler. Bu olay, malzemenin kırılmadan önce tam olarak akmaya maruz kaldığının göstergesidir ve bu yük düģüģü esas alınarak spesifik esas kırılma iģi terimini, akma için spesifik kırılma iģi (w y ) ve boyun verme-yırtılma için spesifik esas kırılma iģi (w nt ) olmak üzere iki bileģene ayırmak mümkündür. Böylece; w f = w e + w p L = w y + w nt (5) w y = w e,y + y w p,y L (6) w nt = w e,nt + nt w p,nt L (7) eģitlikleri yazılabilir. Burada w e,y ve w e,nt sırasıyla, akma için spesifik esas kırılma iģi ve boyun verme-yırtılma için spesifik esas kırılma iģi olarak adlandırılırlar. Diğer terimler, y w p,y ve nt w p,nt ise sırasıyla, akma için spesifik plastik deformasyon iģi ve boyun verme-yırtılma için spesifik plastik deformasyon iģi olarak adlandırılır [8]. 2. DENEYSEL ÇALIġMA 2.1. Malzeme Deneylerde 5 mm kalınlığında çok yüksek molekül ağırlıklı polietilen (ÇYMAPE) malzeme kullanılmıģtır. Numune boyutları ġekil 1.(c) de verilmiģtir Çekme Testleri INSTRON 4411 üniversal çekme test cihazı kullanılarak, 2 mm/dak sabit hızda, EN ISO 527 (type 1B) standartlarına uygun olarak yapılmıģtır [9] Hidrotermal YaĢlandırma Hidrotermal yaģlandırma iģlemi farklı çentik boylarına sahip numunelere, 8 C sıcaklıkta uygulanmıģtır. Hidrotermal yaģlandırma iģlemine maruz kalan numunelere ait L uzunlukları ve yaģlandırma süresi Tablo 1 de verilmiģtir. 178

5 Yük (N) w f, w y, w nt (kj/m 2 ) 3. Ulusal Polimer Bilim ve Teknolojisi Kongresi ve Sergisi, Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli Tablo 1. Hidrotermal yaģlandırma süresi ve farklı L uzunlukları için numune sayısı YaĢlandırma Süresi (Gün) L= 3 Farklı L Uzunlukları Ġçin Numune Sayısı (Ad.) L= 5 L= 7 L= 1 L= 15 L= 2 L= 25 Toplam Numune Sayısı (Ad.) BULGULAR ve DEĞERLENDĠRME 3.1. ÇYMAPE Malzemenin Hidrotermal YaĢlandırma Öncesi Kırılma DavranıĢı Hidrotermal yaģlandırma öncesi kırılma davranıģının incelenmesi için farklı L uzunluklarına sahip numunelere çekme testi yapılmıģ ve sonuçlar EWF parametrelerine dönüģtürülmüģtür Uzama (a) w f w y w nt L-Kırılma Bölgesi Uzunluğu ġekil 4. (a) Farklı L uzunlukları için yük-uzama eğrileri, (b) esas kırılma iģi parametreleri ġekil 4 te verilmiģ olan yük uzama eğrileri çekme deneyleri sonucunda elde edilmiģtir. Eğrilerin geometrik benzerliği, EWF yönteminin uygulanabilirliği açısında önemli bir kriterdir. ġekil 4(b) deki spesifik kırılma iģi değerlerinin hesaplanabilmesi için yük-uzama eğrilerinin altında kalan alan (toplam kırılma iģi) ve Denklem 2, 5, 6 ve 7 deki eģitliklerden yararlanılmıģtır. (b) 179

6 Yük (N) Yük (N) Numune Ağırlığı (% değişim) Yük (N) 3. Ulusal Polimer Bilim ve Teknolojisi Kongresi ve Sergisi, Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli 3.2. ÇYMAPE Malzemenin Hidrotermal YaĢlandırma Etkisi Altındaki Kırılma DavranıĢı,16,14,12,1,8,6,4,2, L=3 mm L=5 mm L=7 mm L=1 mm L=15 mm L=2 mm L=25 mm L=35 mm -, Yaşlandırma Süresi (Gün) (a) 6. gün 9. gün Uzama (c) gün Uzama (b) 6.gün Uzama (d) ġekil 5. (a) Numunelerdeki ağırlık artıģının yaģlandırma süresi ile % değiģimi, (b) Ġlk hal ve 9. gün numunelerine ait yük-uzama eğrileri, (c) L= 5 mm için yaģlandırma sürecinin yük uzama eğrilerine etkisi, (d) L= 2 mm için yaģlandırma sürecinin yük-uzama eğrilerine etkisi ġekil 5(a) da yaģlandırma süresi ile numunelerde meydana gelen % ağırlık kazancı grafiği verilmiģtir. Görüldüğü gibi 6. günden itibaren numunelerde belirgin bir ağırlık kazancı meydana gelmiģtir. Bu durum ġekil 5(c) ve (d) deki yük uzama eğrilerine de yansımıģ, 6. günden itibaren malzemenin kırılıncaya kadar absorbe ettiği enerji Ģiddetle azalmıģtır. ġekil 5(b) de ise ilk hal ve 9. gün numunelerinin yük-uzama eğrileri karģılaģtırılmıģ ve 9. gün için numunelerin yük uzama eğrilerinin geometrik olarak benzerlik göstermeye devam ettiği ancak malzemenin kırılma enerjisinin önemli ölçüde azaldığı görülmüģtür. ġekil 6 daki esas kırılma iģi grafikleri incelendiğinde, 9. gün numunelerinde, ilk hal numunelerinde olduğu gibi, sonuçların lineer olarak değiģmekte olduğu görülmektedir. Bu 18

7 w y -Akma İçin Spesifik Kırılma İşi (kj/m 2 ) w f, w y, w nt (kj/m 2 ) w f -Spesifik Toplam Kırılma İşi (kj/m 2 ) 3. Ulusal Polimer Bilim ve Teknolojisi Kongresi ve Sergisi, Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli lineerliğe rağmen, ġekil 6 daki tüm grafiklerde, 9. gün numuneleri için esas kırılma iģi parametrelerinin yaģlandırmanın etkisiyle azaldığı görülmektedir. Yalnızca ġekil 6 (f) deki boyun verme ve yırtılmada spesifik plastik deformasyon iģi ( nt w p,nt ) değeri artmıģtır w e -Spesifik Esas Kırılma İşi (kj/m 2 ) w p -Spesifik Plastik Deformasyon İşi (MJ/m 3 ) 1 5 w f w y w nt İlk Hal 9. Gün w e,y-ilk = 48,52 kj/m 2 w e,y-9 = 3,67 kj/m 2 L-Kırılma Bölgesi Uzunluğu (a) L-Kırılma Bölgesi Uzunluğu (c) w e w e,y w e,nt w nt -Boyun Verme Spesifik Kırılma İşi (kj/m) İlk Hal 9. Gün w e-ilk = 146,12 kj/m 2 w e-9 = 89,41 kj/m İlk Hal 9.Gün w e,nt-ilk = 97,6 kj/m 2 L-Kırılma Bölgesi Uzunluğu (b) 5 w e,nt-9 = 58,74 kj/m L-Kırılma Bölgesi Uzunluğu (d) w p y w p,y nt w p,nt Yaşlandırma Süresi (Gün) (e) Yaşlandırma Süresi (Gün) ġekil 6. (a) 9. gün numunelerinde spesifik kırılma iģi parametrelerinin L boyu ile değiģimi, (b) Ġlk hal ve 9. gün numunelerinde spesifik toplam kırılma iģi değerinin L boyu ile değiģimi, (c) Ġlk hal ve 9. gün numunelerinde akma için spesifik kırılma iģi değerinin L boyu ile değiģimi, (d) Ġlk hal ve 9. gün numunelerinde boyun verme ve yırtılma için spesifik kırılma iģi değerinin L boyu ile değiģimi, (e) Hidrotermal yaģlandırma sürecinin spesifik (f) 181

8 e b -Kopma Uzaması 3. Ulusal Polimer Bilim ve Teknolojisi Kongresi ve Sergisi, Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli esas kırılma iģi parametrelerine etkisi, (f) Hidrotermal yaģlandırma sürecinin spesifik plastik deformasyon iģi parametrelerine etkisi Tablo 2. Ġlk hal ve 9. gün numunelerinde esas kırılma iģi parametreleri YaĢlandırma Süresi EWF Parametreleri Spesifik Esas Spesifik Plastik Kırılma ĠĢi Deformasyon ĠĢi Akma Ġçin EWF Parametreleri Spesifik Esas Spesifik Plastik Kırılma ĠĢi Deformasyon ĠĢi Boyun Verme & Yırtılma Ġçin EWF Parametreleri Spesifik Esas Spesifik Plastik Kırılma ĠĢi Deformasyon ĠĢi [w e] - (kj/m 2 ) [ w p] - (kj/m 2 ) [w e,y] - (kj/m 2 ) [ yw p,y] - (kj/m 2 ) [w e,nt] - (kj/m 2 ) [ ntw p,nt] - (kj/m 2 ) Ġlk Hal 146,12 16,12 48,52 4,24 97,6 11,88 9. Gün 89,41 14,98 3,67 5,2 58,74 9,96 n -Net Kesit Gerilmesi (MPa) ilk hal 9. gün y-9 =23,3 MPa L-Kırılma Bölgesi Uzunluğu (a) y =24,46 MPa İlk Hal 9. Gün e -ilk = 6,94 mm e -9 = 5,3 mm L-Kırılma Bölgesi Uzunluğu ġekil 7. (a) Ġlk hal ve 9. gün numunelerinde maksimum net kesit gerilmesinin L boyu ile değiģimi, (b) Ġlk hal ve 9. gün numunelerinde kopma uzamasının L boyu ile değiģimi ġekil 7(a) da verilmiģ olan grafik incelendiğinde, ilk hal numunelerinde L uzunluğunun belli bir değerinden sonra, maksimum net kesit gerilmesi değerinin arttığı, yani gerilme halinin düzlem gerilmeden düzlem genlemeye dönüģtüğü görülmektedir. Ancak 9. gün numuneleri için böyle bir durum söz konusu değildir çünkü yaģlandırma etkisiyle malzeme plastikleģmiģ ve çatlak ucu plastik deformasyon bölgesi yeteri kadar geliģmemiģtir. ġekil 7(b) de ise ilk hal ve 9. Gün numuneleri için kopma uzaması değerinin L ile değiģimi verilmiģtir. (b) 182

9 12 14 Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli Ġlk Hal 15. Gün 3. Gün 6. Gün 9. Gün ġekil 8. Kırılma yüzeylerinin taramalı elektron mikroskobundan (TEM) elde edilmiģ görüntüleri ġekil 8 deki kırılma yüzeyi görüntüleri incelendiğinde, 6. günden itibaren kırılma yüzeylerinde belirgin bir değiģim meydana geldiği, yüzeyin belirli bir bölgesinde gevrek, belirli bir bölgesinde ise sünek kırılma halinin gerçekleģtiği görülmektedir. 4. SONUÇLAR Numune geometrisinin (SENT) bir sonucu olarak, yük-uzama eğrilerinde ani yük düģüģü meydana gelmemiģ, yani malzeme kırılmadan önce kırılma bölgesi tam olarak akmaya maruz kalmamıģtır [9,1]. Su absorbsiyonu sonucu numune ağırlıklarında meydana gelen % ağırlık kazancı, EWF grafiklerinin değiģimi ve kırılma yüzeylerinin görünümünün paralellik gösteriyor olması EWF nin baģarısına iģaret etmektedir. 183

10 12 14 Mayıs 21, Kocaeli Üniversitesi Kocaeli Hidrotermal yaģlandırma iģlemi 6. güne kadar, ne kırılma yüzeylerinde, ne de EWF parametrelerinde önemli bir değiģime neden olmamıģtır. L nin küçük değerleri için maksimum net kesit gerilmesi değeri, ilk hal numunelerinde artmıģ olmasına rağmen, 9. gün numunelerinde değiģmemiģtir. Spesifik esas kırılma iģi parametrelerinin hidrotermal yaģlandırmanın etkisiyle belirgin bir Ģekilde değiģtiği ancak spesifik plastik deformasyon iģi parametrelerinin yaģlandırma iģleminden neredeyse hiç etkilenmediği görülmüģtür. KAYNAKLAR [1] DüĢünceli, N., Çolak, Ö., Ü., Ġmalat yöntemlerinin yüksek yoğunluklu polietilen in (YYPE) tek eksenli çekme davranıģı üzerindeki etkisi, 8. Uluslar Arası Kırılma Konferansı, Yıldız Teknik Üniversitesi, Ġstanbul, 7-9 Kasım (27). [2] Fındık, F., Ünal, H., Yetgin, S., H., Kurteri, R., Çok yüksek molekül ağırlıklı polietilen (ÇYMAPE) implant malzemesinin kuru ve sulu ortamlardaki sürtünme ve aģınma davranıģları, 5. Uluslararası Ġleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 9), Karabük Üniversitesi, Karabük, Mayıs (29). [3] Aoike, T., Yokoyama, D., Uehara, H., Yamanobe, T., Komoto, T., Tribology of ultrahigh molecular weight polyethylene disks molded at different temperatures, Wear, 262, , (27). [4] Premnath, V., Bellare, A., Merril, A., W., Jasty, M., Harris, W., H., Molecular rearrangements in ultra high molecular weight polyethylene after irradiation and long-term storage in air, Polymer, 4, , (1999). [5] ġahin, T., Çevresel faktörler ve soğuk çekmenin polistiren malzemede mekanik ve ısıl özelliklere etkileri, Doktora Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (24) [6] Bárány, T., Karger-Kocsis, J., Czigány, T., Effect of hygrothermal aging on the essential work of fracture response of amorphous poly(ethyleneterephthalate) sheets, Polymer Degradation and Stability, 82, , (23). [7] Mai, Y., W., Cotterell, B., On the essential work of ductile fracture in polymers, International Journal of Fracture, 32, , (1986). [8] Arkhireyeva, A., Hashemi, S., O brein, M., Factors affecting work of fracture of upvc film, Journal of Materials Science, 34, , (1999). [9] Karger-Kocsis, J., Bárány, T., Moskala, E., J., Plane stress fracture toughness of physically aged plasticized PETG as assessed by the essential work of fracture (EWF) method, Polymer, 44, , (23). [1] Wang, X., L., Li, R., K., Y., Cao, Y., X., Meng, Y., Z., Essential work of fracture analysis of poly(propylene carbonate) with varying molecular weight, Polymer Testing, 24, , (25). 184