INVESTIGATION OF THE EFFECT OF MICA POWDER ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF NR/SBR BASED ELASTOMER MATERIALS

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 9), 1-15 Mayıs 29, Karabük, Türkiye NR/SBR TİPİ ELASTOMER ESASLI MALZEMENİN MEKANİK ÖZELLİKLERE MİKA TOZU ETKİSİNİN İNCELENMESİ INVESTIGATION OF THE EFFECT OF MICA POWDER ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF NR/SBR BASED ELASTOMER MATERIALS Nurettin AKÇAKALE a Ahmet DEMİRER b ve İbrahim ÖZSERT c a TASEV Ayakkabıcıklık Meslek Lisesi Öğret., İstanbul, Türkiye E-posta: nurettin_akcakale@hotmail.com b* Sakarya Üni. Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğit.Böl., Sakarya,Türkiye, E-posta: ademirer@sakarya.edu.tr c Sakarya Üni. Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğit.Böl.Bşk., Sakarya,Türkiye, E-posta: ozsert@sakarya.edu.tr Özet Yapılan deneysel çalışmada NR/SBR tipi elastomer esaslı kauçuk malzemelerin mekanik özelliklerine mika tozunun etkisi incelenmiştir. Çalışmalarda ana malzeme olarak doğal kauçuk (NR RSS) ile Stiren Butadien kauçuğunun (SBR 152) belli oranlarda karışımından yararlanılmıştır. Deneylerde halen endüstride kullanılmakta olan geleneksel formül ile mika tozu dolgulu formülasyonlar karşılaştırılmıştır. Mika tozu (Mica SMW 75) dolgusu %5,15-9,4 ve 1,4 oranlarında (kütlece 25 g 5 g 75 g) katılmıştır. Elde edilen kompozit malzemenin mekanik değerlerinin geleneksel malzemeye göre karşılaştırıldığında bükülebilme kabiliyeti standart değerlerin üzerinde olup %uzama miktarında %16,5; kopma mukavemetinde ise yaklaşık %6 oranında artış tespit edilmiştir. Aşınma miktarında bir miktar artış görülmekte, sertlik değerleri ise istenen aralıktadır. Malzeme birim maliyetlerinde ise %5,2-12 oranında düşme gözlemlenmiştir. Bunun yanında Elde edilen malzeme endüstride farklı alanlarda kullanılabileceği gibi bir ayakkabı taban malzemesi olarak tavsiye edilebilmektedir. Anahtar kelimeler: NR/SBR, Mika tozu, Elastomer, Kauçuk taban. Abstract In this experimental study, the effects of mica powder on mechanical properties of NR/SBR type elastomer based materials have been investigated. Natural rubber and stiren butadien rubber were used as main material in the study and they were mixed at certain ratios. Also mica powder filling and a classical mixture which is widely use in industry were compared. Mica powder filling was added at the following ratios; 5,15-9,4 and 1,5% by the weight. It is found that bending capability is higher than the standard value. Elongation and ultimate tensile strength are increased by 16,5 and 6% respectively. Overall material cost decreases by 5,2-12%. Therefore the developed material can be vied widely in sole industry. Keywords: NR/SBR, Mica Powder, Elastomer, rubber sole 1. Giriş Doğal (NR) ve yapay (SBR) kauçuk olarak anılan elastomerler kendilerine has üstün özellikleri nedeni ile geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Taşıt araçlarından ayakkabı taban malzemelerine kadar endüstrinin her alanında kullanılmaktadır. Bu malzemelerden üretilecek ürünün gerektirdiği özelliklere sahip olabilmesi için işlenme sırasında çok sayıda ve değişik niteliğe sahip maddeler ilave edilmektedir. Daha önce yapılmış çalışmalara bakıldığında bilinen dolguların dışında cam küre ve elyafı, pirinç kabuğu, wollastonit, ahşap tozu gibi farklı dolgulara da rastlamak mümkündür. Savaşçı ve arkadaşları [1], elastomerlerde dolgu maddelerinin kullanılmasında aranılan özellikler için bükülebilme özelliğini, kopma mukavemetini ve sertliğin artması ve malzeme maliyetini azaltması gerektiğini ifade etmektedirler. Savran [2], doğal kauçuklarda özellikle yırtılma ve aşınma mukavemetini artırmak için dolgu malzemesi olarak ince taneli karbon siyahlarının önemli etkileri olduğunu söylemektedir. Jolene ve arkadaşları [] ayakkabı tabanı malzemelerindeki mineral dolguların reolojik davranışları ile ilgili çalışmasında SBS blok kopolimerinde (CaCO ) kalsiyum karbonat yerine %1 mika tozu veya %1 cam küre kullanarak malzemenin mekaniksel ve fiziksel özelliklerdeki değişimi incelemişlerdir. Silis, mika tozu ve kalsiyum karbonattan daha pahallı olduğundan kullanımının ekonomik olmayacağını, mika tozunun ise iyi bir alternatif dolgu olduğunu ifade etmektedirler. Bu çalışmada NR ve SBR elastomer esaslı malzemelere geleneksel dolgu malzemeleri yerine farklı üç oranda mika tozu dolgu maddesi katılmıştır. Dolgu malzemesi oranlarının, yoğunluğu ve çekme dayanımı, gerilim, aşınma, kalıcı şekil değiştirme, sertlik, bükülebilme gibi mekaniksel özeliklere etkileri araştırılmıştır. Ayrıca birim maliyeti hakkında da bir karşılaştırma yapılmıştır. 2. Materyal ve Metot Doğal Kauçuk (NR RSS) ile Stiren Butadien Kauçuğuna (SBR 152) katkı ve dolgu maddeleri değişik oranlarda katılarak karışımlar hazırlanmıştır. Daha sonra NR+SBR kauçuk karışımı kompozit malzemeye kütlece %5,15 (MT1) - %9,4 (MT2) - %1,4 (MT) oranlarında (25 g- 5 g- 75 g) mika tozu ilave edilerek elastomer karışımlar elde edilmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılan malzeme IATS 9, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 ve ekipmanlara ait teknik özellikler Çizelge 1 de, formülasyon içerik ve oranları Çizelge 2 de gösterilmiştir. Mika çok kolay dilimlenen yapraksı bir silikat grubudur. Mika kristalli kayaçların çoğunda bulunur ve granitin üç temel mineralinden birini teşkil eder. Ayrıca granitlerin parçalanmasından meydana gelen kumtaşları ve kumlar içinde de bulunur. En önemli özelliği yalıtkan olmasıdır. Mika 5 C nin üstünde bile sıcaklıktan etkilenmez yapısını değiştirmez. Mika; yalıtkanlığı, saydamlığı ve ince levhalara ayrılabilmesi gibi niteliklerine bağlı olarak elektronik, plastik boya ve kâğıt sanayinde, yapı malzemeleri üretiminde, sondajcılıkta, lastik ve duvar kâğıdı imalinde kullanılmaktadır. Plastiklerde yüksek sıcaklıklara karşı direnci, yüksek sertlik, boyut kararlılığı, iyi dielektrik özelliği ve ekonomik özellikleri nedeniyle bu çalışmada dolgu maddesi olarak kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan mika tozu dolgulu numunelerin aşınma deneyi sonucu yüzeyine altın kaplama yapılarak SEM görüntüleri alınmıştır (Şekil 1) [4]. Çizelge 1. Deneylerde kullanılan malzeme ve ekipmanlar [4] Kullanılan Malzeme ve Ekipmanlar NR (Doğal Kauçuk) SBR (Stiren Butadien Kauçuk) Mika Tozu Dolgu Maddesi Karbon Siyahı Dolgu Maddesi Çekme Cihazı Yoğunluk ölçme cihazı Sertlik ölçüm cihazı (durometre) Bennewart bükme cihazı Ticari Adı ve Teknik Özellikleri NR RSS Yoğunluğu :,9 g/cm³ SBR 152 Yoğunluğu :,94 g/cm³ Mica SMW 75, Tedarik: Kaltun Maden. Aydın - Çine, Tane büyüklüğü: 5 µm Yoğunluğu : 2,7 g/cm³ HAF N, Yoğunluğu : 1,7 g/cm³ TS EN ISO DIN 554, Devotrans DVT Çekme hızı : 1 mm/sn. TS 2827 ye uygun ölçüm yapan Sartorius BP 1S, Almanya TS DIN 5519, PTC Instruments, ABD EN-ISO DIN SATRA TM 161, Türkiye Yapılan bütün deneyler ve kondüsyonlama işlemleri kauçuk esaslı elastomer malzemeler için belirlenen TS, EN ve SATRA normlarına uygun olarak Dema Deri Mamulleri AŞ. İstanbul, test laboratuarında yapılmıştır. Farklı kompozisyonlarda hazırlanan kauçuk karışımlarının banburide hazırlanmasından, sıcak preslerde pişirilmesine kadar numunelerin proses şartlarının aynı olmasına dikkat edilmiştir. Hazırlanan karışımlar tekrar vulkanizasyon presinde ±2 C duyarlı sıcaklık kontrolü ile ve 16 atmosfer basınç altında vulkanize edilerek ayakkabı tabanı haline dönüştürülmüştür [5,6]. Karışım hazırlama ve vulkanizasyon işlemlerinde numunelere uygulanan proses şartları Çizelge de verilmiştir. Malzemeler üretildikten sonra 24 saat bekletilerek deneylere başlanmıştır. Kauçuk deney numuneleri mekaniksel testlere tabi tutulmadan önce standartlara göre 2 o C ve %5 bağıl nemde bekletilmiştir. Sıcaklık toleransı genel olarak ±2 o C alınmıştır [7]. Hazırlanan taban malzemelerinden standartlara uygun olarak beş adet numune parçası pres bıçakları ile kesilerek testler yapılmıştır (Şekil 2). Numune parçalarının test değerlerini hesaplamada bu parçaların ortalama değeri alınmıştır. Çizelge 2.Deneylerde kullanılan kauçuk ve dolgu maddesi oranı[4] % GF MT1 MT2 MT NR 18,2 11,2 1,2 1,2 SBR 24,,4 1,9,4 NR+SBR 42,5 44,6 42,1 4,6 Karbon siyahı 18,2 29,7 28,2 27 Kaolen Mika Tozu - 5,15 9,4 1,4 Kükürt 2, 1,5 1,2 1,2 Çinko aktif,6 1,5 1,4 1, Stearik asit 2,,9,85,8 Aromatik yağ 4, Parafinik yağ - 5,9 5,6 5, Silikasil - 1 9,4 8,9 Vulkanizasyon Hızlandırıcıları (CZ,TH,DEG,MBT) 1,5,9 1,85 1,5 a) %5,15 MT 1 b) %9,4 MT 2 c) %1,4 MT Şekil 1. Mika Tozu dolgulu numunelerin aşınma deneyi sonrası x25 büyütülmüş SEM görüntüleri [4] Çizelge. Proses şartları ve numunenin hazırlanması Karıştırma Süresi (dk.) Banbury PROSES ŞARTI İç Sıcaklığı ( o C) Çalışma Sıcaklığı ( C) Bekleme Süresi (dk.) Pres Basıncı (bar) 16

3 gerilme, %uzama grafiği Şekil 2 de, mekanik değerler Çizelge 4 de verilmiştir. Çizelge 4.Mekanik özellikler ve birim fiyat karşılaştırması [4] TSE 5499, 4698 ve TSEN 44/1 e göre İstenilen Değerler Geleneksel Formül MT 1 MT 2 MT Yoğunluk ( g/cm³) Maks. 1,5 g/cm³ 1,4 1,22 1,24 1,26 Sertlik (Shore A) Min Aşınma Miktarı Maks.. 25 mm % Uzama Miktarı Min Kopma Dayanımı (MPa) 2,94 8,4 7,85 7,45 Min. 5,88 MPa Yırtılma Dayanımı Min. 6 kg/ mm 6,4 5,6 5,78 6,16 Bükülebilme, Esnetme (adım) Min. adım Birim Fiyat ( $/kg) 1,92 1,82 1,74 1,69 Mika tozu dolgulu kauçuk malzemede; hamurdaki dolgu malzemesi oranı artıkça buna paralel olarak yoğunluğunda ve sertlik değerlerinde bir miktar artığı gözlenmiştir (Şekil ). Test edilen bütün hamurların yoğunluk değerleri istenilen TS 5499 değerinin altında çıkmıştır. Geleneksel malzemeye göre daha hafif bir malzeme elde edilmiştir. Şekil 2. Deney numunelerinin gerilme, %uzama grafiği Karışımlarda aktif dolgu ve sertleştirici ajan olarak kullanılan karbon siyahı HAF N daha ince taneli olduğundan homojen bir yapı oluşumuna da katkı sağlamıştır. Hamura yumuşatıcı olarak daha açık renkli olan parafinik yağ, aktivatör olarak stearik asit, çinko aktif katkı maddeleri kullanılmıştır. Yırtılma dayanımı, TS 5698 e göre yapılmıştır. Yırtılma deneyi, pantolon şeklini andıran numunelerin çekme cihazı çenelerine bağlanarak 1mm/s çekme hızında gerçekleştirilmiştir. Yoğunluk (g/cm³) 1,5 1,4 1, 1,2 1,1 Yoğunluk (g/cm³) Sertlik (Shore A) Sertlik (Shore A) Bennewart bükme (esnetme) deneyi (EN-ISO244), daha çok taban malzemelerin bükülebilme kabiliyetini ölçmede kullanılmaktadır. Tabanlar testten önce 24 saat süre ile koşullandırılır ve cihazın üstünde iken belirlenen noktalardan özel bir delici zımba ile 2 mm genişliğinde çentikler açılır. Malzemeye 9 o C açı ile. adımlık esnetme uygulanır daha sonra çentik yerleri ölçülerek, standartlar dâhilinde (azami çentik boyu 4 mm) ret veya kabul edilir. Aşınma deneyi TS-EN 1277 e göre gerçekleştirilmiştir. Cihaz dönen tambur üzerine sarılmış zımparadan (alüminyum oksit, tane büyüklüğü 6) oluşmaktadır. Numunelerin kalınlığı en az 4 mm, çapı ise 16 mm olmalıdır. Numune tambura 1±,2 N luk dikey kuvvet altında 4 m yol aldırılır. Numuneler tartılır, sonucunda bulunan değerler ile bağıl kütle kaybı ve bağıl hacim kaybı hesaplanır.. Deney Sonuçları ve Tartışma Yapılan çalışmada verilerinin daha iyi değerlendirilebilmesi için endüstride çok yaygın olarak kullanılan geleneksel formüllü (GF) bir elastomer malzeme, karşılaştırma maksadıyla ele alınmıştır. Geleneksel formüllerde daha çok dolgu maddesi olarak kaolen kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise mika tozu bir dolgu maddesi olarak kullanılmış ve incelenmiştir. Çalışma sonunda elde edilen Şekil.MT.dolgulu ve GF numunenin yoğunluk ve sertlik Aşınma miktarı (mm ³ ) Aşınma Miktarı grafiği % Uzama miktarı % Uzama miktarı Şekil 4.MT dolgulu ve GF numunenin aşınma ve %uzama grafiği

4 Kopma Dayanımı (MPa) Kopma Dayanımı Yırtılma Dayanımı Şekil 5.MT dolgulu ve GF numunenin kopma ve yırtılma dayanımı Kopma dayanımı deneyleri TS EN ISO 128 a göre yapılmıştır. Kopma dayanımında, geleneksel formüle kıyasla çok yüksek değerler elde edilmiş, kopma dayanımı standart değerlerden %6 daha yüksek olduğu tespit edilmiştir (Şekil 5). %uzama miktarında ise geleneksel formülden en az iki kat daha iyi sonuç alınmış olup standart değerlere göre de %16,5 a varan iyileşme görülmüştür. Dolgu miktarları arttıkça numune karışımlardaki aşınma miktarı değerleri MT2 ve MT formüllerinde istenen değerlerin üzerinde çıkmıştır (Şekil 4). Aşınma miktarının önemli olduğu durumlarda düşük oranlı MT1 formülünün kullanılması daha uygundur. Jolene ve arkadaşlarının [] SBS tipi termoplastik elastomerlerde yapmış oldukları çalışmada kalsiyum karbonat (CaCO ) ve cam küre dolgulu karışımlara göre mika tozu karışımında aşınmasının daha fazla olduğunu belirlemişlerdir. Aşınmada sonuçlar [1,2,,8,9] literatürlerle de uygunluk göstermektedir. Yırtılma değerleri ise dolgu oranı arttıkça bir miktar artmakta olup sonuç itibari ile istenen sınır değerlerdedir (Şekil 5).Geleneksel formüle göre MT dolgulu malzemelerin kopma dayanımının yüksek olması MT dolgusunun lineer çekmelerde MT nin yapraksı yapısından dolayı mukavemet arttırıcı bir özellik kattığı düşünülmektedir. Yırtılma dayanımında MT dolgulu malzemelerin düşük çıkmasını ise yapraksı MT nin kesme kuvvetine karşı dayanımının bir miktar düşük olmasından kaynaklanmış olabileceği sanılmaktadır. MT oranının artması ile de yırtılma dayanımının iyileştiği gözlemlenmektedir. Bennewart bükme cihazı ile yapılan esnetme deneyinde numuneye açılan çentiğin en az. adım sonunda ilerlemediği, 1. adıma kadar yapılan deney sonucunda da çentiğin ilerlemesi standart değerlerin içinde kaldığı gözlenmiştir. Elastomer malzemelerin mekanik özelliklerine en büyük etken elastomerin tipi ve karışım formülasyonudur. Aynı şekilde dolgu maddelerinin türü, tane büyüklüğü gibi parametreler de mekanik özellikleri etkilemektedir. Deneylerde mika tozu, dolgu malzemesi olarak NR/SBR tip elastomerlerde ilk kez kullanılmıştır. Ayrıca elastomer malzemelerde maliyeti büyük oranda etkileyen en önemli husus kauçuk miktarıdır. Yapılan çalışmadaki karışımda 6,6 6,4 6,2 6 5,8 5,6 5,4 5,2 Yırtılma Dayanımı (kg/mm) daha pahalı olan doğal kauçuk (NR) oranı azaltılarak onun yerine suni kauçuk (SBR) oranı arttırılmıştır. Birim fiyat karşılaştırmasına bakıldığında formülasyondaki dolgu miktarı artıkça birim fiyatlarda belli bir düşüş gözlenmiştir. Birim maliyetler %5,2 ile 12 oranında azaldığı tespit edilmiştir (Çizelge 4). 4.Sonuçlar ve Öneriler Deney sonuçları incelendiğinde elde edilen numunelerin tümünde yoğunluk değerleri geleneksel formüllü karışımdan daha düşük çıkmıştır. Karışımlar kendi içinde incelendiğinde, dolgu miktarı arttıkça gerek yoğunlukta ve gerekse sertlikte az da olsa artış görülmektedir. Bu durum kullanılan dolgu maddesi türlerinin mineral esaslı olmasından kaynaklanmaktadır. Kopma dayanımında istenen en düşük değer 5,88 MPa iken, mika tozu dolgulu (MT1) malzemede 8,4 MPa lık bir değer (%6 artış) tespit edilmiştir. Karşımda dolgu oranı arttıkça kopma dayanımı biraz düşse de istenen standart değerlerin çok üzerinde olduğu görülmüştür. %uzama miktarında ise standart değerlere göre en çok %16,5 oranında iyileşme görülmüştür. Aşınma miktarının yüksek çıkması, mika partiküllerinin aşınma esnasında kauçuk matrisinden koparak boş gözenekler oluşturması ve böylelikle aşınmayı arttırmış olacağı düşünülmektedir. İleriki çalışmalarda farklı partikül büyüklükleri ile çalışılabileceği gibi partiküllerin bağlayıcılığının arttırılması üzerine de çalışma yapılabilir. İyi bir formül hazırlama ile mekaniksel özellikler üzerinde aksi bir sonuç yapmayacak şekilde karışımdaki kauçuk oranı azaltılabilir. Böylece elastomerlerin birim maliyeti düşürülebilir. Bu çalışmada mika tozu dolgulu malzemenin birim malzeme maliyetinde %5,2 ile 12 oranında düşme gözlemlenmiştir. Elde edilen mekanik deney sonuçlarına dayanarak mika tozu NR/SBR kauçuk tip elastomerlerde karbon siyahı ile birlikte yarı aktif dolgu malzemesi olarak kullanılabilir bir malzeme olduğu görülmüştür. Taban malzemesi için istenen standart değerler baz alınarak elde edilen mekanik deney verileri incelendiğinde aşınma değerleri haricinde genelde mekanik değerlerin olumlu olduğu görülmektedir. Çok yüksek aşınma ve yırtılma dayanım değerlerinin aranmadığı durumlarda mika tozu dolgusunun gerek mekanik değerlerinin uygun olması gerekse düşük maliyet bakımından tavsiye edilebilir. Ayakkabı taban malzemesi olarak üretilen bu malzeme endüstride farklı alanlarda da kullanılabilir. Kaynaklar [1] Savaşçı, Ö., T., Uyanık, N., Akovalı. G., Plastikler ve Plastik Teknolojisi, Cantay Kitapevi, İstanbul, [2] Savran, Ö., H., Elastomer Teknolojisi 1, Kauçuk Derneği Yayınları, İstanbul, 21

5 [] Jolene F.,S., Nunes, R.,C.,R.,Pita, V.,J.,R.,R., Rheological Behavior of Mineral Fillers in ShoSoles Composites, Universidade Federal do Rio de Janeiro P.O Box Rio de Janeiro, RJ, Brazil, 2. [4] Akçakale, N., NR/SBR Tipi Elastomer Esaslı Ayakkabı Taban Malzemelerinin Mekaniksel Özelliklerine Bazı Dolgu Maddelerinin Etkilerinin İncelenmesi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Sakarya, 28. [5] TS 2946, Bot, Kışlık (Askeri Amaçla Kullanılan), Ayakkabılar, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara,1992 [6] TS EN ISO 244, Kişisel Koruyucu Donanım-Ayakkabı için Deney Metotları, Ayakkabılar, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 25. [7] TS 5499 Kalıplanmış Lastikten Ayakkabı Tabanları ve Topukları, Ayakkabılar, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. [8] SATRA, WARRINGTON, N., Rubber, Footwear Open Tech, Satra Footwear Technology Center, Module 1, London, [9]..SAVRAN, Ö., H., Elastomer Teknolojisi 2 Temel Elastomerler, Kauçuk Derneği Yayınları, İstanbul, 21.