NAYLON 6 / KARBON SİYAHI KOMPOZİTLERİNİN MEKANİK VE ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ

Transkript

1 NAYLON 6 / KARBON SİYAHI KOMPOZİTLERİNİN MEKANİK VE ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ Özcan KÖYSÜREN, Göknur BAYRAM, Sertan YEŞİL Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 6531, ANKARA ÖZET Bu çalışmanın amacı, termoplastik bir malzeme ile yüksek elektriksel iletkenliğe sahip dolgu maddesini karıştırıp, elde edilen kompozitlerin, iletkenlik, mekanik ve morfolojik özelliklerini incelemektir. Yalıtkan bir malzeme olan naylon 6 nın, elektrik akım direnci yarı iletken seviyesine indirilmiştir. Dolgu maddesi olarak kullanılan kabon siyahı parçacıklarının polimer yapı içerisinde homojen bir biçimde dağılması sağlanmış, beraberinde malzemenin çekme modülünde belirgin bir artış gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Ekstrüzyon; İletken polimer kompozitleri; Karbon siyahı; Naylon 6 1. GİRİŞ Polimer malzemeler mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri açısından, istenilen şekillerde işlenebilmelerinden dolayı her türlü mühendislik uygulamalarında yer almaktadır. İyi bir yalıtkan olan polimer malzeme, kimyasal sentez yöntemi ile ya da katkı maddesi eklenmesi ile kompozit oluşturularak, iletken yapılabilme özelliğine sahiptir. Bu özellikleriyle iletken polimer kompozitlerinin geliştirilmesi, bilimsel ve endüstriyel olarak yirmibirinci yüzyılın ilgi çeken konuları arasında yer almaktadır. Meincke ve arkadaşları bir çalışmalarında [1], ekstrüzyon yöntemini kullanarak, poliamid ile karbon nanotüp parçacıklarını karıştırmışlardır. Nanotüp parçacıklarının, elektrik akım direncine olan etkisini incelemişlerdir. Elektriksel özelliklerinin yanı sıra, kompozitlerin mekanik özelliklerini de incelemişlerdir. Çalışılan ikili sistemlere ek olarak, ikinci bir polimer ilavesi ile elde edilen üçlü sistemlerin, mekanik ve elektriksel özelliklerini araştırmışlardır. Bir başka çalışmada [2], katkılı polimerizasyon yöntemi ile polistiren kompozitler elde edilmiştir. Katkılı polimerizasyon yöntemi kullanılarak, daha düşük dolgu maddesi içeriğinde, yüksek iletkenlik değerlerine ulaşılmaktadır. Elde edilen polimer kompozitlerini, organik gaz sensörü olarak kullanabilmek için çalışmalar yapılmıştır. Benzer bir çalışmada [3], polipropilen polimeri ile karbon siyahı karıştırılmıştır. Baskılı kalıplama ile enjeksiyonlu kalıplama yöntemleri karşılaştırılmıştır. Enjeksiyonlu kalıplama yöntemi ile karbon siyahının kompozit içerisinde daha düzgün dağılması sağlanmıştır. Ancak, baskılı kalıplama yöntemi ile hazırlanan kompozitin elektrik iletkenliği daha yüksektir. Pinto ve arkadaşları [4], karbon siyahı ve naylon 6 ile hazırlanan kompozitlerin elektriksel iletkenliğini incelemişlerdir. Zaman ve sıcaklık gibi deneysel değişkenlerin iletkenlik üzerine etkisini araştırmışlardır. Başka bir çalışmada [5], karbon siyahı, kauçuk ve kauçuk karışımları ile etkileştirilmiştir. Karışım ile oluşturulan kompozitler daha yüksek elektrik iletkenliği göstermiştir. Larena ve Pinto bir çalışmalarında [6], dolgu maddesi boyutunun ve miktarının, elektriksel iletkenlik üzerindeki etkisini incelemişlerdir. Parçacık boyutu küçüldükçe, kompozitlerin elektriksel iletkenliği artmaktadır. Diğer bir

2 çalışmada [7], farklı üretim süreçlerinden geçmiş karbon siyahının, kompozitlerin iletkenliği üzerindeki etkisi gözlenmiştir. Dört farklı karbon siyahı ile hazırlanan kompozitlerde, aynı karışım oranında, farklı elektriksel iletkenlik değerlerine ulaşılmıştır. Bu çalışmanın amacı, termoplastik polimer bir malzeme ile yüksek elektriksel iletkenliğe sahip dolgu maddesini ekstrüderde karıştırarak kompozit hazırlamak ve dolgu maddesinin, elde edilen bu kompozitlerin yapısal özelliklerine olan etkilerini araştırmaktır. 2. DENEYSEL 2.1. Malzemeler Çalışmada, naylon 6 ile dolgu maddesi olarak karbon siyahı kompozit yapımında kullanılmıştır. Karbon siyahı (Petkara ISAF N-22) Tüpraş tan ve naylon 6 (Domamid 27) Tekno Polimer Ltd. tarafından temin edilmiştir. Kullanılan malzemelerin fiziksel özellikleri sırası ile Tablo 1 ve 2 de özetlenmektedir. Tablo 1. Karbon siyahı parçacıklarının fiziksel özellikleri İyot Numarası (mg/g) 119 Dibutylphthalate Abs. (ml/1 g) Mesh Eleküstü kalan.16 (% ağırlık) Tablo 2. Naylon 6 polimerinin fiziksel özellikleri 2.2. Numune Hazırlama Yoğunluk 1.14 gr / cm 3 Erime Sıcaklığı 221 ºC Renk Parlak Nem İçeriği Maks..6 % Kompozit hazırlamak üzere, naylon 6 ile kütlece % 3, 6, 1, 16 ve 28 oranlarında karbon siyahı içeren numuneler çift vidali ekstrüder (Thermo PRISM TSE-16-TC) ile hazırlanmıştır. Ekstrüzyon işlemi sırasında ekstrüder sıcaklığı 22 ºC 245 ºC ve vida hızı ise 8 rpm olarak sabit tutulmuştur. Naylon 6 ekstrüdere ana besleyiciden 16 gram/dakika besleme hızı ile, karbon siyahı ise sisteme yan besleyiciden verilmiştir. Naylon 6, ekstrüzyon ve kalıplama işlemlerinden önce 24 saat süre ile 9 ºC sıcaklıktaki vakumlu etüvde kurutulmuştur. Karakterizasyon deneylerinde kullanılmak üzere kompozit numuneler, baskılı kalıplama yöntemi ile hazırlanmıştır. Kalıplama işleminde, 1.5 dakikada, 5 bar basınç altında ön ısıtma uygulanmış, sonra 1 dakika süreyle 15 bar basınçta, 235 ºC sıcaklıkta kalıplama işlemi tamamlanmıştır Numunelerin Karakterizasyonu Kompozitlerin elektriksel iletkenliği, Keithley 24 model sabit akım kaynağı kullanılarak, iki nokta temas yöntemi ile ölçülmüştür. Ölçüm yapılan numunelerin temas direncini düşürebilmek için, bakır tel kompozit içerisine baskılı kalıplama işlemi sırasında yerleştirilmiştir. Kompozitlerin akım direnci, aşağıda verilen denklem ile hesaplanmıştır:

3 ρ = [(V) / (I)]. [(S) / (L)] (1) V voltaj düşüşünü, I geçen akımı, L numunenin akıma paralel uzunluğunu, S ise akıma dik alanını simgelemektedir. Ayrıca kompozitlerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için ASTM D 638 standardına göre Lloyd test cihazı ile 5 mm/dakika çekme hızı uygulanarak çekme testleri yapılmıştır. Karakterizasyon işlemleri kapsamında, hazırlanan kompozitlerin morfolojik özellikleri, JEOL JSM-64 model taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile belirlenmiştir. 3. SONUÇLAR Kompozitlerin akım dirençleri Şekil 1 de verilmektedir. Kompozitlerin karbon siyahı oranına paralel olarak iletkenliğinin de arttığı görülmüştür. Saf naylon 6 nın akım direnci literatürden alınmıştır [1]. Yalıtkan bir malzeme olan naylon 6 nın elektrik akım direnci ağırlık olarak % 5 oranında karbon siyahı katkısıyla yarı iletken seviyesine çekilmiştir. Karbon siyahı parçacıkları, zayıf van der Waals bağları etkisiyle kümeler halinde bulunmaktadır. Çift vidalı ekstrüder yardımıyla bu kümelerin boyutları küçültülerek, kompozit içerisinde homojen dağılımları sağlanmıştır. Parçacıkların boyutunun küçülmesi ile birlikte toplam yüzey alanları da artmıştır. Böylece, akım için gerekli temas yüzeyi arttırılarak, kompozitin elektriksel özellikleri geliştirilmiştir. Ayrıca, ağırlık olarak % 1 ve daha fazla karbon siyahı içeren kompozitlerin elektriksel özellikleri çok fazla değişmemektedir. 14 Log[Elektrik akım direnci (ohm.cm)] Şekil 1. Naylon 6 bazlı polimer kompozitlerinin karbon siyahı içeriğine bağlı elektrik akım direncindeki değişim Kompozitlerin mekanik özellikleri, Şekil 2-4 de çekme testi sonuçları ile verilmiştir. Elektriksel özelliklerin yanı sıra, kompozitin dolgu maddesi boyutu ve matris içerisindeki dağılımı, mekanik özellikleri etkilemiştir. Kompozitin karbon siyahı içeriği arttıkça, çekme testi esnasında karbon siyahı kümelerinin mikro-çatlak oluşturma ihtimali artmaktadır. Oluşan mikro-çatlaklar, malzemenin mukavetini azaltır. Buradaki deneysel çalışmada, dolgu maddesi oranı arttıkça, çekme mukavemeti çok az miktarda azalmaktadır. Çift vidalı ekstrüder ile parçacık boyutunda sağlanan küçülme ve düzgün dağılım bu sonucun elde edilmesinde etkili olmuştur. Çekme

4 mukavemetinden başka, karbon siyahı oranına bağlı olarak kompozitlerin çekme modüllerinin arttığı ve kopmadaki uzama değerlerinin ise saf naylon 6 ya göre etkili bir biçimde azaldığı gözlenmiştir. Karbon siyahı sert ve kırılgan bir malzeme olduğu için, kompozitin kopmadaki uzama değeri azalmıştır. Naylon 6 ya göre daha yüksek çekme modülü değerine sahip karbon siyahı, kompozitlerin çekme modüllerini arttırmıştır. 7 Çekme Dayanımı (MPa) Şekil 2. Naylon 6 bazlı polimer kompozitlerinin karbon siyahı içeriğine bağlı çekme dayanımındaki değişim 35 Elastik Modülüs (MPa) Şekil 3. Naylon 6 bazlı polimer kompozitlerin karbon siyahı içeriğine bağlı elastik modülüs değerlerindeki değişim

5 Kopmadaki Uzama (%) Şekil 4. Naylon 6 bazlı polimer kompozitlerinin karbon siyahı içeriğine bağlı kopmadaki uzama değişimi Karakterizasyon deneyleri dahilinde hazırlanan kompozitlerin morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. SEM analizine göre (Şekil 5, 6), çalışmada kullanılan çift vidalı ekstrüzyon cihazının, karbon siyahı parçacıklarını polimer matris içerisinde homojen bir biçimde dağıttığı söylenebilir. Bu durum, artan karbon siyahı miktarıyla, elde edilen yüksek çekme modülü değerlerini de desteklemektedir. 3 Şekil 5. Kütlece % 28 oranında karbon siyahı içeren naylon 6 bazlı polimer kompozitin SEM fotoğrafı (x5)

6 Şekil 6. Kütlece % 28 oranında karbon siyahı içeren naylon 6 bazlı polimer kompozitin SEM fotoğrafı (x15) Projenin devamına yönelik, farklı proses yöntemleri ile üstün mekanik ve iletkenlik özelliklerine sahip kompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu üzerine çalışmalar yapılacaktır. 4. KAYNAKLAR [1] Meincke, O., Kaemfer, D., Weickmann, H., Friedrich, C., Mechanical properties and electrical conductivity of carbon-nanotube filled polyamide 6 and its blends with acrylonitrile/butadiene/styrene, Polymer, 45, , 24 [2] Li, R.J., Xu, J.R., Zhang, M.Q., Rong, M.Z., Electrical Response to Organic Vapor of Conductive Composites from Amorphous Polymer/Carbon Black Prepared by Polymerization Filling, Macromolecular Material Engineering, 288, 13-17, 23 [3] Chodak, I., Omastova, M., Pionteck, J., Relation Between Electrical and Mechanical Properties of Conducting Polymer Composites, Journal of Applied Polymer Science, 82, , 21 [4] Pinto, G., Gonzalez, C.L., Martin, A.J., Polymer composites prepared by compression molding of a mixture of carbon black and nylon 6 powder, Polymer Composites, 2, 64-68, 1999 [5] Sau, K.P., Chaki T.K., Kastgır, D., Electrical and mechanical properties of conducting carbon black filled composites based on rubber and rubber blends, Journal of Applied Science, 71, , 1999 [6] Larena, A., Pinto, G., Electroconductive Nylon 6 and Copper composites, Polymer Composites, 16, , 1995 [7] Verhelst, W.F., Wolthius, K.G., Voet, A., Ehrburger, P., Donnel, I.B., Influence of carbon black structure on electrical conductivity, Rubber Chemical Technology, 5, , 1977