Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi

Transkript

1 Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi Cilt 4 Sayı 2 (2016), Journal of Bartin University Engineering and Technological Sciences Vol. 4 Issue 2 (2016), Bartın Üniversitesi Mühendislik ve Teknoloji Bilimleri Dergisi Polimerik Malzemelerin Darbe Dayanımına Nano Katkıların Etkisi Alim KAŞTAN Organize Sanayi Mesleki ve Teknik Anadolu Lisesi, Antalya / TÜRKİYE Geliş Tarihi: Düzeltme Tarihi: Kabul Tarihi: Özet Teknolojideki hızlı gelişmelere bağlı olarak, yeni ve farklı özelliklerde malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Buna bağlı olarak polimer esaslı malzemelerin kullanım alanları sürekli olarak artmaktadır. Genel olarak malzemelerin nano boyuttaki özellikleri ile makro boyuttaki özellikleri değişiklik göstermektedir. Amaç, daha iyi mekanik, termal ve tribolojik özelliklere sahip malzemeleri daha ekonomik olarak üretmektir. Özellikle nano boyuttaki katkılar, polimer esaslı malzemelerin teknik özellikleri üzerinde son derece etkilidir. Çünkü genel olarak malzemelerin nano boyuttaki özellikleri ile makro boyuttaki özellikleri farklılık göstermektedir. Araştırmalar polimerik nanokompozitlerde matrise ilave edilen düşük oranlardaki nano katkıların, kompozitin özellikleri üzerinde son derece etkili olduğunu göstermiştir. Bu derleme çalışmasında, polimer matrisli malzemelere ilave edilen nano katkıların, üretilen kompozitlerin darbe dayanımına olan etkisi daha önce yapılan bazı çalışmalar ışığında araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Polimer, Nanokompozit, Darbe Mukavemeti Effects of Nano Admixtures on Impact Strength of Polymeric Materials Abstract Due to rapid developments in technology, there is a need for materials with new and different properties. Accordingly, polymer-based materials are used areas of constantly increasing. Properties in nanoscale, in general, varies from the characteristics of the material properties of the macro dimensions. The aim is to produce better mechanical, thermal and tribological properties materials more economically. In particular, the size of nano-additives have effected a significant on mechanical properties of polymer-based materials. Because, in general materials differ on properties of the macro-scale with properties of the nano-scale. Researchers show that low rates in nano-additives added matrix on polymeric nanocomposites which influnce extremely on the properties of composites. This review study, nano additives added polymer matrix materials, the effect of the impact strength of the composite produced was investigated according to earlier studies. Keywords: Polymer, Nanocomposite, Impact Strength 1. Giriş Birçok endüstri alanında farklı malzemenin değişik yöntemlerle bir araya getirildiği, amaca uygun özellikler taşıyan kompozit malzemeler geleneksel malzemelerin yerini almıştır [1]. Kompozit malzemeler genel olarak kullanılan takviye elemanına göre fiber takviyeli ve tanecik takviyeli olarak sınıflandırılırlar. Tanecik takviyeli kompozit malzemelerde matris malzemesi birden çok farklı malzemeden oluşan tanecikler içermektedir. Bu tanecikler, metalik ya da metalik olmayan malzemelerdir. Bu durum matris malzemesi içinde geçerlidir. Kompozit malzemeler, metal olmayan matris içerisinde metal olmayan tanecikler, metal olmayan matris içerisinde metalik tanecikler, metal matris içinde metal tanecikler ve metal matris içinde metal olmayan taneciklerden oluşurlar [2]. Polimer kompozitler mühendislik malzemelerinin önemli bir sınıfını temsil etmektedir. Yaygın olarak kullanılan termoplastiklere inorganik dolgu maddelerinin ilave edilmesi plastik sektörünü ve üretilen malzemelerin özellikleri geliştirmektedir. Katkı maddelerinin plastiklere eklenmesindeki en önemli sebep maliyeti düşürmektir [3,4]. Ayrıca dolgu maddelerinin kullanımı, ısıl bozulma sıcaklığı, tokluk, boyut stabilitesi, sertlik ve kalıplama gibi mekanik özellikleri de geliştirir [5,6]. Dolgu maddelerinin, kompozitlerin mekanik ve diğer özellikleri üzerindeki etkileri katkı maddesinin cinsine, parçacık şekli ve boyutuna, matrise ilave edilen miktara, yüzey özelliklerine ve dağılım derecesine bağlıdır [7,8]. Son on yıldır, organik ne inorganik nanokompozitler bilim adamları tarafından yoğun ilgi görmektedir. Çünkü nanokompozititler, sentetik polimerlerin özelliklerini, geleneksel kompozitlerin performanslarını aşan noktaya yükseltmek için çok etkili bir strateji olarak ortaya çıkmıştır [9-12]. Nano boyutlu inorganik partiküller ile polimerlerin mekanik, fiziksel, optik, kimyasal, elektriksel özellikleri mikro boyutlulara göre daha çok geliştirilebilmektedir. Bunun sebebi, nano boyutlu malzemelerin yüzey alanının hacim oranına göre yüksek oluşu ve buna bağlı olarak da polimer matris ile çok daha iyi yüzey adhezyonu vermesidir. Fakat, nano boyutlu katkı maddeleri ile oluşturulan kompozitlerin üretiminde de bazı sorunlar görülmektedir. Karşılaşılan en önemli problemlerden biri, nano partiküllerin topaklanmaya daha çok meyil göstermesidir. Topaklanma sonucunda geliştirilmesi hedeflenen bütün özellikler olumsuz yönde etkilenmektedir. Bu problemin çözümü için polimerik nano kompozitlerde uyumlaştırıcıların ve yayıcıların kullanılması gerekmektedir [13]. İmalat, montaj ve kullanım sırasında dışarıdan gelebilecek herhangi bir darbe sonucunda malzeme üzerinde beklenmedik sonuçlar ortaya çıkabilir. Bu sorunun çözülmesi için malzemenin darbe karşısında davranışının nasıl olacağının tahmin edilmesi son derece önemlidir. Darbe testleri malzemelerin hasar modlarının ve dinamik deformasyonların ölçülmesinde kullanılmaktadır. Darbe direnci, darbeye maruz kalan parçalarda tasarımcının göz önüne alması gereken en önemli özelliklerden biridir. Darbe direnci ile malzeme ömrü, aynı zamanda malzeme güvenliği de belirlenebilmektedir. Günümüzde yaygın bir kullanım alanına sahip olan kompozit malzemelerde, çarpmanın türüne göre darbeye maruz kalan ve/veya kalmayan bölgede gözle görülen ya da görülemeyen hasarlar oluşabilmektedir. Bu durum malzemenin dinamik yük etkisi altında büyüyerek daha geniş çaplı hasarlara yol açabilir. Bu sebeple, üretilen malzemelerde darbe etkisinin oluşturacağı hasarı önceden tahmin etmek, üretim, tasarım ve kullanım açısından büyük önem arz etmektedir [14]. Bu çalışmada polimer matris içerisine ilave edilen nano katkıların, üretilen kompozitin darbe dayanımı üzerindeki etkisi yapılan araştırmalar doğrultusunda incelenmiştir. Sorumlu Yazar: Kaştaş A., , kastanalim@gmail.com

2 Kaştan A. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Kaştan A. / BUJETS, 4 (2), Polimer Matrisli Malzemelerin Darbe Dayanımına Nano Katkıların Etkisi Mirik vd. [15] yapmış oldukları çalışmada yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) içerisine değişik oranlarda çok duvarlı karbon nanotüp (MWCN) ilave ederek kompozit hazırlamışlardır. Matrise ilave edilen MWCN lerin darbe mukavemetine olan etkisi araştırılmıştır. Şekil 1 de % MWCN oranına göre kompozitlerin darbe dayanımındaki değişim görülmektedir. Şekil 2 de mikro ve nano katkılı epoksinin darbe testleri grafiği görülmektedir. Şekil 2. Epoksi/SİO 2 kompozitin darbe grafiği [16]. Şekil 1. % MWCN oranına göre darbe mukavemetindeki değişim [15]. HDPE içerisine ilave edilen % 1MWCN darbe dayanımını %4.34, %3 MWCN %18.98 ve % 5MWCN ise %35.26 oranında azaltmıştır. Matris içerisindeki MWCN oranının artması ile kompozit daha da kırılgan hale gelmiştir. Bu durumun matris ile katkı arasındaki yetersiz adezyondan kaynaklandığı sanılmaktadır. Jassim vd. [16] epoksi matrisin içerisine mikro ve nano boyutta değişik oranlarda (%1,3,5,7,10) SİO2 ilave ederek kompozit hazırlamışlardır. Elde edilen kompozitlerin mikro ve nano katkılara ve bu katkıların oranlarına göre darbe mukavemetine olan etkisini araştırmışlardır. Tablo 1 de deneyde kullanılan katkı maddelerinin özellikleri görülmektedir. Malzemeler Tablo 1. Katkı maddeleri [16]. Yoğunluk (g/cm 3 ) Yüzey alanı (m 2 /g) Partikül boyutu Saflık Micro SiO 2 2, μ m 99,99 Nano SiO 2 0,05 200± nm 99,8 Darbe numuneleri ISO 179-D normuna göre 4x6x60 ölçülerinde hazırlanmış ve numunelerin darbe testleri yapılmıştır. Hem mikro hem de nano boyutlu %1 SİO 2 ilavesi epoksinin darbe dayanımını düşürmüştür. Matris içerisindeki SİO 2 oranının artması ile epoksinin darbe mukavemeti artma ve azalma eğilimi göstermiştir. Genel olarak bakıldığında nano SİO 2 nin mikro SİO 2 ye göre darbe mukavemeti üzerinde daha etkili olduğu görülmektedir. Burada mikro SİO 2 lerin epoksi zincirlerinin arasına girerek mesafeyi nano SİO 2 lere göre daha fazla arttırması etkili olmuştur. Özellikle %3 nano SİO 2 epoksi kompozitin darbe değerini 3,30 kj/m 2 den 20,11 kj/m 2 e çıkarmıştır. Bu artış epoksinin darbe mukavemeti açısından son derece önemlidir. Darbe mukavemetindeki bu artışın nano SİO 2 lerin darbe sırasında oluşan çatlak ilerlemesini engellemesi ve çatlakların değişik yönlerde oluşmasına sebep olması olarak açıklanabilir. Artan SİO 2 ile birlikte darbe dayanımı genel olarak azalmıştır. Bu azalmayı SİO 2 lerin aglomerasyona sebep olması sonucunda epoksi zincirleri ile nano SİO 2 ler arasındaki boşlukların artması şeklinde açıklamışlardır. Valek ve Hell [17] matrise ilave edilen nano katkıların oranının, şeklinin, boyutunun ve en/boy oranlarının oluşturulan kompozitin özellikleri üzerinde ki etkisini araştırmışlardır. Bu amaçla polipropilen homopolimer (PP-h), polipropilen kopolimer (PP-c) ve poliamid 6 (PA 6) matris malzemesi içerisine değişik oranlarda nano boyutta modifiye edilmiş yuvarlak formda kalsiyum karbonat (CaCO3), fiber formda haloysit nanotüp (HNT) ve karbon nanotüp (CNT) ile tabakalı yapıda montmorillonit (MMT) ederek kompozit hazırlamışlardır. Nano katkıların matris içerisindeki dağılımlarını belirlemek amacıyla SEM incelemesi yapmışladır( Şekil 3). Şekil 3. Kompozitlerin SEM resimleri, a) PP-c/ MMT, b) PP-c +%7 CaCO3, c) PP-h + %1 CNT, d) PA 6/MMT [17]. Genel olarak PP-h darbe dayanımı (acn = 1,9 kj/m 2 ) iken, PPc nin darbe dayanımı(acn = 64 kj/m 2 ) dir. Yani PP-h nin darbe dayanımı PP-c ye göre oldukça düşüktür. Şekil 4 a da PP-h nin yapıya ilave edilen HNT, CNT ve CaCO 3 ile darbe dayanımındaki değişim görülmektedir. Genel olarak CNT nin darbe dayanımını düşürdüğü, HNT ve CaCO3 nin ise darbe dayanımını arttırdığı söylenebilir. %15 CaCO 3 PP-h nin darbe dayanımını %58 arttırmıştır. Bu duruma CaCO 3 etrafında oluşan mikroplastik deformasyonun sebep olduğu sanılmaktadır. CNN lerin ise darbe dayanımını düşürmesi matris içerisindeki homojen olmayan dağılımdan kaynaklanmıştır. Şekil 3 c bu durumu desteklemektedir. MMT ve HNT %5 e kadar PP-c nin darbe dayanımını azaltmıştır. PP-c nin kırılgan davranış göstermesinin nano MMT ve HNT lerin en/boy oranından dolayı matris ile aralarında oluşan gerilmeden kaynaklandığı sanılmaktadır. Ayrıca MMT ve HNT lerin polimer zincirlerinin hareketini kısıtlaması ve en/boy oranlarının yüksek olması darbe sırasında oluşan kırılmayı engellemeyi azaltmaktadır. CaCO 3 ün en/boy oranının 1 e yakın olması, matris içerisinde ki dağılımının homojen olması, dolayısı ile topaklanmaya sebep olmaması PP-c nin darbe dayanımının artmasını sağlamıştır. Şekil 4 b de ise PA 6 ve NHT, CNT ve MMT kompozitlerin değişen nem oranına bağlı olarak darbe dayanımları görülmektedir. Düşük nemde tüm malzemelerin darbe dayanımları benzer elde edilmiştir. Nem oranının artması ile birlikte katkısız PA 6 nın darbe dayanımında hızlı bir artış gözlemlenmiştir. Ancak nano katkılı diğer kompozitlerin darbe dayanımlarında hızlı artış gözlemlenmemiştir. Nano fiber ve nano parçacıkların kırılma mekanizmasında etkin olamamaları ve artan nem ile birlikte tabakalı yapıya sahip olan MMT nin şişerek yapıda gerilim konsantrasyonunu arttırması darbe dayanımını azaltmıştır. Abusalar ve Giridharan [18] cam fiber takviyeli polisitren (GFRP) sandviç köpüklere değişik oranlarda nano partikül (montmorillonit, MMT) ilave ederek on farklı

3 Kaştan A. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Kaştan A. / BUJETS, 4 (2), 2016 kompoizt hazırlamışlardır. Oluşturulan kompozitlerin karışın oranlarına göre darbe mukavemetlerinde meydana gelen değişim gözlemlenmiştir. Tablo 2 de üretilen kompozitlerin karışım oranları ve darbe dayanımları görülmektedir. Şekil 4. PP/nanokompozitlerin çentik darbe grafiği a) PP-h, b) PP-c [17]. Tablo 2. Test numuneleri [18]. Numuneler Karışımlar % Oranı Ağırlık (Gram) S1 PR/FR 66,6/33,3 400/200 S2 PR/FR/NP 66,6/33,3/2 400/200/8 S3 PR/FR/NP 66,6/33,3/4 400/200/16 S5 PR/FR/NP 66,6/33,3/8 400/200/32 S6 PR/FR/PS 64/32/4 400/200/20 S7 PR/FR/PS/NP 64/32/4/2 400/200/20/8 S8 PR/FR/PS/NP 64/32/4/4 400/200/20/16 S9 PR/FR/PS/NP 64/32/4/6 400/200/20/24 S10 PR/FR/PS/NP 64/32/4/8 400/200/20/32 Araştırmacılar PR/FR kompozite %2 den %8 e kadar NP ilave etmişler ve darbe dayanımındaki değişimi kaydetmişlerdir. Katkısız PR/FR nin darbe dayanımı 20,35 kj/m2 iken %2 NP bu değeri 25,45 kj/m 2, %4 NP 26,35 kj/m 2, %6 NP 27,72 kj/m2 ve %8 NP ise 32,63 kj/m 2 ye çıkarmıştır. Bu artış artan nanokil ile PR/FR arasındaki bağlanmanın artmasından kaynaklanmıştır Şekil 5 a). Şekil 5. Deney numunelerinin darbe dayanımı grafikleri [18]. PR/FR/PS kompozitin darbe dayanımı 25,68 kj/m2 iken, yapıya ilave edilen NP ile darbe dayanımında artış gözlemlenmiştir. Bu değişim şekil 5 b de görülmektedir. En yüksek darbe dayanımı değerine PR/FR/PS kompozitine %8 NP ilavesi ile ulaşılmıştır. PR/FR/PS/NP kompozitin darbe dayanımı 36,21 kj/m2 olarak ölçülmüştür. Araştırmacılar darbe dayanımındaki bu artışı NP ilavesi ile fiber ve matris arasındaki adezyonun artması şeklinde açıklamışlardır. Başka bir araştırmada Cai vd. [19] polipropilen (PP) matris içerisine aşılanmış ve aşılanmamış nano silisyom dioksit (SiO 2) ilave ederek üretilen kompozitin darbe dayanımındaki değişimi incelemişlerdir. PP matris içerisine %1,43 nano SiO 2 ilave edilmiş, uyumlaştırıcı olarak poly(p-vinylphenylsulfonylhydrazide, (PP/ SİO 2/h)) ve Poli(p-vinilfenilsülfonilhidrazid-kobutilakrilat, (PP/ SİO 2/k)) kullanmışlardır. Şekil 6 da PP/ SiO 2 kompozitlerin çentik darbe dayanımları görülmektedir. Şekil 6. PP/ SiO 2 kompozitlerin çentik darbe dayanımları [19].

4 Kaştan A. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Kaştan A. / BUJETS, 4 (2), 2016 Şekil 6 da görüldüğü gibi uyumlaştırıcı olmadan PP matris içerisine ilave edilen nano SiO2 nin kompozitin darbe dayanımını çok az miktarda arttırdığı ve darbe dayanımı üzerinde etkili olmadığı görülmektedir. Ancak yapıya ilave edilen uyumlaştırıcı ile birlikte nano silikanın kompozitin darbe dayanımı üzerinde çok etkili olmuştur. Uyumlaştırıcı olarak kullanılan PP/ SİO2/h ve PP/ SİO2/k nano silikanın matris içerisindeki dağılımı kolaylaştırmıştır. Şekil 7 de PP/ SiO2 kompozitlerin SEM resimleri görülmektedir. Şekil 7. PP/ SiO 2 kompozitlerin SEM resimleri, a) Uyumlaştırıcısız, b) Poli(p vinilfenil sülfonilhidrazid-kobutilakrilat) ilaveli [19]. Şekil 7 de görüldüğü gibi uyumlaştırıcı kullanılmadığında SiO 2 nin matris içerisinde büyük kümeler halinde olduğu ve aglomerasyon oluştuğu tespit edilmiştir. Bunun sonucunda yapıda boşluklar oluşmuş ve darbe dayanımında ciddi artış gözlemlenmemiştir. PP matrise ilave edilen uyumlaştırıcı ile birlikte nano silikanın matris içerisinde daha küçük parçalar halinde dağıldığı görülmektedir. Araştırmacılar bu durumu uyumlaştırıcının özellikle moleküler hareketliliği daha yüksek olan polimerlerin, darbe enerjisini emerken ve çatlakların başlamasını önlerken dolgu maddeleri etrafında bir tampon ara tabakası rolü oynaması şeklinde açıklamışlardır. Selvakumar vd. [20] polipropilen (PP) matris içerisine farklı oranlarda (%1,3,5,7) nano montmorillonit (MMT) ve uyumlaştırıcı olarak %10 Maleik anhidrid aşılanmış polipropilen (MAH-g-PP) ilave ederek kompozit hazırlamışlardır. Üretilen kompozitlerin MMT oranına göre darbe dayanımlarında meydana gelen değimi incelemişlerdir. Şekil 3 te PP/MMT kompozitlerin darbe dayanımları verilmiştir. Tablo 3. PP/MMT kompozitlerin darbe dayanımı değerleri [20]. Numune Adı Darbe Dayanımı (J/m) PP 82,6 PP/1%MMT 87,26 PP/3%MMT 89 PP/5%MMT 87,36 PP/7%MMT 87,28 Tablo 3 te görüldüğü gibi katkısız PP nin darbe dayanımı 82,6 J/m olarak ölçülmüştür. Bu değer PP matris içerisine %1 MMT ilavesi ile 87,26 J/m değerine ulaşmıştır. En yüksek darbe dayanımına 89 J/m ile PP matris içerisine %3 MMT ilavesi ile ulaşılmıştır. MMT nin polimer matris içerisinde homojen dağılımı, uyumlaştırıcı sayesinde polimer zincirleri ile nano katkı arasında yeni bağlar oluşturması darbe dayanımını arttırmıştır. PP matris içerisindeki MMT oranının daha da artması ile kompozitin darbe dayanımında azalma gözlemlemiştir. Bu duruma artan MMT oranı ile aglomerasyonun artması sonucunda oluşan yapısal hataların sebep olduğu sanılmaktadır. Saad vd. [21] yapmış oldukları çalışmada kullanılmamış polipropilen (PK) ve geri dönüşüme tabi tutulmuş polipropilen(pg) içerisine farklı oranlarda (%3,5, 7,10) CaCO 3 ileve ederek oluşturdukları kompozitlerin darbe mukavemetlerindeki değişimi incelemişlerdir. Geri dönüştürülmüş polimerler ile ilgili sorunlardan biri, darbe mukavemetinin genellikle azalması ve geri dönüşüm sırasında katkı gerektirmesidir. Geleneksel mikro boyutlu katkılarla karşılaştırıldığında nano katkıların çok düşük yükleme seviyelerinde bile iyi sonuçlar elde edilmesinden dolayı bu çalışmada nano CaCO 3 kullanılmıştır. Şekil 8 de PK ve PG nin farklı oranlarda nano CaCO 3 ilavesi ile elde edilen darbe dayanımı görülmektedir. Şekil 8. PK/nano CaCO 3 kompozitlerin darbe dayanımları [21]. Şekil 8 de görüldüğü gibi her iki malzemenin de nano CaCO 3 ilavesi ile darbe dayanımı benzer şekilde artmıştır. Beklenildiği gibi PK nın darbe dayanımı değerleri PG ye göre daha yüksektir. Ancak %7 nano CaCO 3 ilavesi ile elde edilen PG kompozitin darbe dayanımının PK ile neredeyse eşit olduğu tespit edilmiştir. Araştırmacılar darbe dayanımındaki bu artışın matris içerisindeki nano CaCO 3 tın darbe sırasında oluşan enerjinin üniform olarak dağılımına olumlu etkisinden ve nano parçacıkların yapıda oluşturdukları mikro boşluklardan kaynaklandığını belirtmişlerdir. Hameed ve Rahman [22] yaptıkları çalışmada Polimetil metakrilat (PMMA) matris içerisine %3,5, 7 oranlarında nano zirkonyum dioksit (ZrO 2) ilave ederek oluşturdukları kompozitin darbe dayanımında meydana gelen değişimi incelemişlerdir. Tablo 4 te kompozitlerin karışım oranları görülmektedir. % ZrO 2 Tablo 4. Kompozitlerin karışım oranları [22]. ZrO 2 miktarı PMMA miktarı Monomer miktarı % g 10 ml %3 0,66g 21,34g 10 ml %5 1,1g 20,9g 10 ml %7 1,54g 20,46g 10 ml Numunelerin darbe dayanımı testleri ISO 179 standardına göre yapılmıştır. Tablo 5 te kompozitlerin darbe dayanımları görülmektedir. Tablo 5. PMMA nano ZrO 2 kompozitlerin darbe dayanımları [22]. ZrO 2 miktarı (%) Darbe dayanımı (KJ/mm 2 ) %0 %3 %5 %7 6,22+ 0,330 8,50+ 0,317 8,95+ 0,139 6,55+ 0,341

5 Kaştan A. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Kaştan A. / BUJETS, 4 (2), 2016 Tablo 5 te görüldüğü gibi katkısız PMMA nın darbe dayanımı 6,22 kj/mm 2 iken yapıya ilave edilen %3 nano ZrO 2 ile bu değer 6,22 kj/mm 2 ye ulaşmıştır. Darbe mukavemetinin en yüksek olduğu değer 8,95 kj/mm 2 ile %5 nano ZrO 2 ilave edilen kompozitte elde edilmiştir. Matris içerisindeki nano ZrO 2 oranının %7 ye çıkarılması ile darbe mukavemetindeki değer 6,55 kj/mm 2 ye gerilemiştir. Darbe dayanımındaki azalmanın nano katkının yüksek yüzey enerjisinden dolayı matris içerisinde düzenli dağılmaması sonucu oluşan topaklanmanın gerilim konsantrasyonuna yol açmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Buradan hareketle darbe mukavemeti değeri açısından optimum oranın %5 nano ZrO 2 olduğu söylenebilir. Darbe dayanımındaki bu artışın matris ile nano katkı maddesi arasında ve moleküller arasında oluşan çapraz bağların kırılmaya karşı gösterdiği yüksek dirençten kaynaklandığı sanılmaktadır. Ayrıca nano katkı maddesi ve matris arasındaki bağlanmanın da çatlak oluşumu üzerinde etkili düşünülmektedir. Fuad vd. [23] matris olarak kullandıkları polipropilen (PP) içerisine farklı oranlarda (%5,10, 15) nano kalsiyum karbonat (CaCO 3) ve uyumlaştırıcı olarak %10 Maleik anhidrit (PP-g-MA), etilen-okten ilave ederek hazırladıkları kompozitlerin darbe dayanımlarında meydana gelen değişimleri incelemişlerdir. Kompozitleri eriyik ekstrüzyon tekniği ve eritme karıştırma tekniği kullanılarak hazırlanmıştır. Şekil 9 da PP kompozitlerin darbe dayanımı değerleri görülmektedir. açıklamışlardır. CB nin darbe dayanımı üzerindeki etkisinin daha az olmasını ise matris ile nano katkı arasındaki daha az yüzey teması ve daha az çapraz bağlanmadan kaynaklandığını belirtmişlerdir. Lin v.d [25] yapmış oldukları çalışmada polistiren (PS) içerisine %5 ve %10 halloysite nanotüp(hnt s) ilave ederek emülsiyon polimerizasyonu ile hazırladıkları kompozitlerin darbe dayanımlarında meydana gelen değişimleri incelemişlerdir. Polimer matris ile nano katkı arasındaki bağlanmayı arttırmak ve HNT lerin matris içerisindeki dağılımını kolaylaştırmak için Sodyum dodesil sülfat (SDS) ilave etmişlerdir. Şekil 11 de PS/CNT kompozitlerin çentik darbe dayanımı grafiği görülmektedir. Şekil 10. UP/Nano kompozitlerin darbe dayanımı [24]. Şekil 9. PP/nano kompozitlerin darbe dayanımları [23]. Şekil 9 da görüldüğü gibi PP içerisine ilave edilen nano CaCO 3 oranına, uyumlaştırıcı ve üretim yöntemlerine bağlı olarak kompozitlerin darbe dayanımlarında değişim olduğu görülmektedir. Her iki üretim yöntemi için PP içerisine ilave edilen nano CaCO 3 ile numunelerin darbe dayanımlarında artış olduğu gözlemlenmiştir. PP içerisine %10 ve %15 CaCO 3 ilavesi ile elde edilen kompozitlerin darbe dayanım değerleri birbirine çok yakındır. Ancak %5 CaCO 3 ve uyumlaştırıcı ilavesi ile üretilen kompozitlerin darbe dayanım değerleri farklılık göstermiştir. Darbe dayanımının en yüksek olduğu kompozit yapıya %5 CaCO 3 ve %10 uyumlaştırıcı ilave edilen eritme karıştırma tekniği ile üretilen malzemedir. Üretim yöntemi aynı olsa bile yapıya ilave edilen uyumlaştırıcının kompozitin darbe dayanımını arttırdığı görülmüştür. Bu sonuçlar doğrultusunda uyumlaştırıcının PP matris ve nano CaCO 3 arasındaki bağlanmayı arttırdığı, üretim sırasında oluşan yapısal hataların azalmasında etkili olduğu söylenebilir. Bonnia vd. [24] doymamış polyester (UP) içerisine nano boyutta modifiye edilmiş montmorillonit (Cloisite C30B) ve karbon blok(cb) ilave etmişlerdir. C30B ve CB matris içerisine beş farklı oranda (%2,4,6,8,10) ilave edilerek kompozitler elle yatırma yöntemi kullanılarak üretmişlerdir. Hazırlanan kompozitlerin katkı maddesinin cinsine ve oranına göre darbe dayanımlarında meydana delen değiş incelenmiştir. Şekil 10 da UP/nano kompozitlerin darbe dayanımları görülmektedir. Şekil 10 da görüldüğü gibi matris içerisine ilave edilen nano C30B ve CB nin kompozitin darbe dayanımını arıttırdığı tespit edilmiştir. En yüksek darbe dayanımı %4 C30B ilavesi ile elde edilen kompozitte, 2,86 kj/m 2 değerine ulaşmıştır. Matris içerisindeki nano katkı oranının arttırılması ile darbe dayanımında azalma görülmüştür. Ancak ilave edilen tüm oranlar için C30B nin darbe dayanımını CB den daha fazla arıttırdığı görülmüştür. Araştırmacılar bu durumu modifiye sonucunda C30B nin yüzey enerjisinin azalması ile polimer zincirlerinin kil katmanları arasına daha kolay girmesi sonucunda oluşan kuvvetli bağlama olarak Şekil 11. PS/CNT kompozitlerin çentik darbe dayanımı [25]. Şekil 11 de görüldüğü gibi katkısız PS nin darbe dayanımı 19.5 ± 3.6 J/m olarak ölçülmüştür. PS içerisine ilave edilen %5CNT darbe dayanımını 59.1 ± 4.8 J/m değerine yükseltmiş, %10 CNT ise bu değer 35.0 ± 6.9 J/m olarak hesaplanmıştır. Ps matrise ilave edilen %5CNT darba dayanımını yaklaşık %300 attırdığı görülmüştür. Ancak matris içerisindeki CNT oranının %10 yükseltilmesi ile PS/CNT kompozitin darbe dayanımında azalma görülmüştür. Kaştan vd. [26] yapmış oldukları çalışmada poliamid 6 (PA 6) matris içerisine yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) ile uyumlaştırıcı olarak %5 ve %10 oranlarında maleik anhidrit aşılanmış polietilen (PE-g-MA) ve farklı oranlarda (%1,3,5) modifiye edilmiş montmorillonit (MMT) ilave ederek hazırlanan polimer nano kompozitin darbe dayanımını incelemişlerdir. Tablo 6 da üretilen kompozitlerin darbe dayanımları görülmektedir. Tablo 6 da görüldüğü gibi PA 6/HDPE (80/20) kompozitin darbe dayanımı 13,6 ± 0,2 kj/m 2 dir. Matrise ilave edilen %1MMT ve %5 uyumlaştırıcı ile darba dayanımı 17,5 ± 2 kj/m2 değerine yükselmiştir. Matris içerisindeki MMT oranının %3 e arttırılması ile darbe dayanımı 7,7 ± 0,2 kj/m 2, %5 te ise 5,8 ± 1 kj/m2 değerine gerilemiştir. Bu sonuçlardan hareketle yapıdaki nanokil oranının artması ile darbe çentik mukavemetinde ciddi azalma meydana geldiği söylenebilir. Bunun sebebi, MMT lerin molekül zincirlerinin hareketlerini zorlaştırmasıdır. Ayrıca artan MMT oranı ile birlikte matris içerisindeki MMT dağılımı zorlaşmıştır. Bu durum yapısal hataların artmasına neden olmuştur. Bu durum malzemenin deformasyon özelliğinin azalmasına ve daha kırılgan hale gelmesine sebep olmuştur. Rahmanian v.d [27] epoksi maris içerisine karbon nanotüp (CNT) ve kısa cam fiber (CSCF) ilave ederek kompozit hazırlamışlardır. Matris içerisine CNT ve CSCF değişik oranlarda ayrı olarak ve birlikte ilave ederek üretilen kompozitlerin darbe dayanımına olan etkisini araştırmışlardır. Şekil 12 de epoksi kompozitlerin darbe dayanımları görülmektedir.

6 Kaştan A. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Kaştan A. / BUJETS, 4 (2), 2016 Tablo 6. PA6/HDPE/MMT Kompozitlerin Darbe Dayanımları [26]. Numune No Malzeme adı 1.Deney 2.Deney 3.Deney ORTALAMA (kj/m 2 ) 1 PA 6 53, ,7 ± 3 2 HDPE 7,7 7,7 7,9 7,7 ± 0,2 3 PA 6/HDPE (80/20) 13,4 13,7 13,7 13,6 ± 0,2 4 PA 6/HDPE/PE-g-MA (80/20/5) 29,3 28,1 29,8 29,0 ± 0,8 5 PA 6/HDPE/PE-g-MA/Nanokil (80/20/5/1) 16,6 19, ,5 ± 2 6 PA 6/HDPE/PE-g-MA/Nanokil (80/20/5/3) 7,6 7,9 7,6 7,7 ± 0,2 7 PA 6/HDPE/PE-g-MA/Nanokil (80/20/5/5) 5,8 4,9 6,8 5,8 ± 1 8 PA 6/HDPE/PE-g-MA/Nanokil (80/20/10/1) 13, ,2 14,3 ± 1 9 PA 6/HDPE/PE-g-MA/Nanokil (80/20/10/3) 8,4 8,5 7,9 8,2 ± 0,5 10 PA 6/HDPE/PE-g-MA/Nanokil (80/20/10/5) 3 3,8 3,7 3,5 ± 0,4 Şekil 12. Epoksi/CNT/CSCF kompozitlerin darbe dayanımları [27]. Şekil 12 de görüldüğü gibi matris içerisine farklı oranında ilave edilen CNT ve CSCF ile birlikte epoksinin darbe dayanımının da değiştiği görülmektedir. Hem CNT ve hem de CSCF lerin epoksinin darbe dayanımını arttırdığı görülmektedir. Ancak en yüksek darbe dayanım değerine %0,2CNT/%3CSCF ilavesi ile üretilen kompozitte ulaşılmıştır. Katkı maddelerinin beraber metrise ilave edilmesi darbe dayanımı üzerinde daha etkili olmuştur. Araştırmacılar amino ve trietilentetramin gruplarını CNT'ye aşılamak suretiyle epoksi kompozitlerin darbe mukavemeti belirgin şekilde arttığını belirtmişlerdir. Ayrıca CNT ve epoksinin etkili bağlanması ve katkı maddelerinin uygun oranda kullanılması da kompozitlerin darbe mukavemetini arttırmak için önemli faktörlerdir. Altan ve Yıldırım [13] yapmış oldukları çalışmada matris olarak yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) ve katkı maddesi olarak ta nano boyutta çinko oksit (ZnO) kullanmışlardır. Çinko oksitin yapı içerisinde daha iyi dağılımını sağlamak için vinil trimetoksisilan ve stearik asit (SA) kullanılarak modifikasyon işlemlerini yapmışlardır. ZnO matris içerisine %1,3 ve 5 oranlarında ilave edilen numuneler çift vidalı ekstrüder kullanılarak üretilmiştir. Şekil 13 te HDPE/ZnO kompozitlerin darbe dayanımı grafiği görülmektedir. Şekil 13. HDPE/ZnO Kompozitlerin Darbe Dayanımları [13]. Şekil 13 te görüldüğü gibi Çinko oksit hiçbir uyumlaştırıcı kullanılmadan HDPE ile karıştırıldığında darbe dayanımı önemli oranda azaltmıştır. Bunun sebebi, üretim sırasında oluşan muhtemel topaklanmalardır. SA ile kaplanmış partiküllü kompozitlerde (numune no: 3-4-5), ZnO miktarının artmasına karşın darbe dayanımı azalmamıştır. Silan ile kaplanmış nano ZnO partiküllü HDPE kompozitlerde ise (numune no: 6-7-8) daha yüksek darbe dayanım değerlerine ulaşılmıştır. Ayrıca artan ZnO miktarı ile darbe dayanımında artış gözlemlenmiştir. En yüksek darbe dayanımı değeri %5 ZnO ilavesi ile üretilen kompozitte(numune no: 5) görülmüştür. Sonuç olarak, ZnO partiküllerin stearik asit ile kaplanmasıyla elde edilen kompozitlerin mekanik özelliklerinin silan ile kaplı ZnO partiküllü kompozitlere göre çok daha iyi olduğu söylenebilir. 3. Sonuçlar Üretilen malzemelerin servis şartlarında boyutsal kararlılığını ve mekanik özelliklerini koruması istenir. Yapılan incelemeler sonucunda nano katkıların polimerlerin darbe mukavemetini doğrudan etkilediği görülmüştür. Özellikle dinamik yükler altlında çalışan malzemeler sürekli olarak farklı yüklemelere maruz kalırlar. Bu durumda malzemenin mümkün olduğu kadar uzun süreli dayanımını koruması istenilir. Nano katkıların polimerlerin darbe dayanımını olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Ancak bu etki polimerin cinsine, kristal yapısına, ilave edilen nano katkının miktarına, şekline, cinsine, nano parçacıkların büyüklüğüne ve kompozitin üretim yöntemine bağlı olarak farklılık göstermektedir. Ayrıca polimer matris ve nano katkı arasında daha iyi yüzey elde etmek için kullanılan uyumlaştırıcının cinsi ve miktarı da üretilen kompozitin darbe dayanımı üzerinde son derece önemlidir. Nano katkıların matris ile oluşturdukları ara yüzeyler, polimer zincirlerinin tabakalar arasına girmesi, matris malzeme ile aralarında yeni bağlar oluşturması ve yüzey alanlarının geleneksel makro boyuttaki katkı maddelerine göre büyük olması da darbe dayanımını etkileyen diğer önemli özellikleridir. Yapılan araştırmalar, darbe dayanımı açısından optimum oranının polimer matrise ilave edilen %1-5 nano katkı ile elde edildiğini

7 Kaştan A. / B.Ü., MUTEB, 4 (2), Kaştan A. / BUJETS, 4 (2), 2016 göstermektedir. Nano katkı oranının artması ile üretilen kompozitin darbe dayanımının azaldığı görülmüştür. Bu duruma artan nano katkı miktarı ile polimer zincirlerinin olumsuz etkilenmesi, matris içerisindeki homojen dağılımın sağlanamaması, yapısal hatalar ve boşlukların artmasının sebep olduğu sanılmaktadır. Kaynaklar 1. Korkmaz, N., Çakmak, M. Dayık, E. Dokuma Karbon Elyaf Takviyeli Karbon Nano Tüp-Epoksi Kompozit Malzemelerin Mekanik ve Termal Karakterizasyonu, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi Cilt 20, Sayı 2, , Sen, F., Palancıoğlu, H., Aldas, K. Polimerik Nanokompozitler ve Kullanım Alanları, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 7, No: 1, ( ) Knight, G. W. Polymer Toughening; Arends, C. B., Ed.; Marcel Dekker: New York, Pukanszky, B. Polypropylene: Structure, Blends And Composites, Vol. 3, Composites; Karger-Kocsis, J., Ed.; Chapman & Hall: London, Baker, R. A.; Koller, L. L.; Kummer, P. E. Handbook Of Filler For Plastics; Katz, H. S.; Milevski, J. V., Eds.; Van Nostrand Reinhold: New York, 2nd Ed Hoffmann, H.; Grellmann, W.; Zilvar, V. Polymer Composites; Sedlacek, B., Ed.; Walter De Gruyter: New York, Wang, Y.; Wang, J. J Polym Eng Sci. 39, Guerrica-Echevarria, G.; Eguiaz-Abal, J. I.; Naz-Abal, J. Eur Polym J, 34, Whiteside, G. M.; Mathias, T. P.; Seto, C.T. Science, 254,1312, Cho, J. W.; Paul, D. R. Polymer, 42, 1083, Fu, X.; Qutubuddin, S. Polymer, 42, 807, Kim, G. M.; Lee, D. H.; Hoffmann, B.; Stoppelmann, G. Polymer, 41, 1095, Altan, M., Yıldırım, H. Nano ZnO Takviyeli Yüksek Yoğunluklu Polietilenin Anti bakteriyel Ve Mekanik Özelliklerinin Geliştirilmesinde Nano Partikül Modifikasyonun Etkisi, Mühendis ve Makina, Cilt 55, Sayı 649, S , Türkmen, İ., Köksal, N. S., Cam Elyaf Takviyeli Polyester Matrisle Kompozit Malzemelerde(ctp) Elyaf Tabaka Sayısına Bağlı Mekanik Özelliklerin ve Darbe Dayanımının İncelenmese, C.B.Ü. Fen Bil. Dergisi 17 30, Mirik, M., Ekinci, Ş., Taşyürek, M. Charpy Impact Resistances Of Carbon Nanotubes Reinforced High Density Polyethylene Nanocomposite Materials, International Journal of Materials, Mechanics And Manufacturing, Vol. 4, No. 4, November, Jassim, N., Farhan, A. J., Hilal, R. Charpy Impact Test For Sio2 (Nano-Mıcro) Partıcles/Epoxy Composıtes International Journal of Recent Scientific Research Vol. 6, Issue, 6, Pp , June, Valek, R., Hell, J. Impact Propertıes of Polymerıc Nanocomposıtes With Dıfferent Shape of Nanopartıcles, Brno, Czech Republic, Eu Anbusagar. Nrr., Giridharan, P.K. Influence of Nanoparticles on Impact Properties of Polystyrene Foam Sandwich Gfrp Composites International Journal of Research İn Engineering And Technology (Ijret) Vol. 2, No. 2, Issn Cai, L. F., Mai, Y. L., Rong, M. Z., Ruan, W. H., Zhang, M. Q. Interfacial Effects in Nano-Silica/Polypropylene Composites Fabricated By İn-Situ Chemical Blowing, Express Polymer Letters Vol.1, No.1 2 7, Selvakumar, V., Palanikumar, K., Palanivelu, K. Studies on Mechanical Characterization of Polypropylene/Na+-Mmt Nanocomposites, Journal of Minerals&Materials Characterization &Engineering, Vol. 9, No.8, Pp , Saad, N, A., Hadi, N. J., Mohamed, D. J., Study The Effect of Caco3 Nanoparticles on The Mechanical Properties of Virgin and Waste Polypropylene, Advanced Materials Research Vol. 1016, Pp Hameed, H. K., Rahman, H. A., The Effect of Addition Nano Particle Zro2 on Some Properties of Autoclave Processed Heat Cure Acrylic Denture Base Material, J. Bagh College Dentistry Vol. 27(1), March Fuad, M. Y. A., Hanim, H., Zarina, R., Z. A. M., Hassan, I. A. Polypropylene/ Calcium Carbonate Nanocomposites Effects of Processing Techniques and Maleated Polypropylene Compatibilise, Express Polymer Letters Vol.4, No.10, Bonnia, N. N., Redzuan, A. A., Shuhaimeen, N. S. Mechanıcal And Morphologıcal Propertıes Of Nano Fıller Polyester Composıtes Matec Web Of Conferences 39, Lin, Y., Ng, K. M., Chan, C. M., Sun, G., Wu. J. High-İmpact Polystyrene/Halloysite Nanocomposites Prepared By Emulsion Polymerization Using Sodium Dodecyl Sulfate As Surfactant, Journal of Colloid And Interface Science 358 (2011) Kaştan, A., PA 6/ PE / Nano Kil Kompozitlerin Özelliklerinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Afyonkarahisar, Rahmanian, S., Suraya, A.R., Shazed, M.A., Zahari, R., Zainudin, E.S. Mechanical Characterization of Epoxy Composite With Multiscale Reinforcements: Carbon Nanotubes And Short Carbon Fibers, Materials And Design 60, 34 40, 2014.