CAM FĠBER TAKVĠYELĠ PLASTĠKLERĠN FĠZĠKSEL VE MEKANĠK ÖZELLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ

Transkript

1 CAM FĠBER TAKVĠYELĠ PLASTĠKLERĠN FĠZĠKSEL VE MEKANĠK ÖZELLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ Alper CUMHUR 1 1 Hitit Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Çorum, Türkiye Özet Dünyadaki teknolojik gelişmelere bağlı olarak yapı endüstrisinde kullanılan değişik malzemeler ve yeni teknolojik ürünler araştırılmaktadır. Yeni teknoloji ürünlerinden biri de Cam Elyaf Takviyeli Plastik (CTP) malzemelerdir. CTP malzemeler temel olarak reçine ve sürekli veya kırpılmış elyaflardan oluşmaktadır. CTP malzemeler çeşitli üretim metotları kullanılarak üretilmektedir. Profil çekme işlemi, yüksek nitelikteki CTP malzemelerin istenilen uzunluklar elde etmek için bilinen bir üretim metodudur. Bu çalışmada, profil çekme metodu ile üretilen CTP malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri ulusal ve uluslararası standart test metotları ile belirlenmiştir. Deneyler ile belirlenen mekanik özellikler nümerik olarak hesaplanan mekanik özellikler ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca fiber/matriks hacim oranları deneysel metotlar kullanılarak belirlenmiştir. Sonuç olarak, karşılaştırmalardan elde edilen verilerle ilişkili olarak kalibrasyon başarılmıştır ve bu yüzden daha fazla deneye gerek kalmamıştır. Anahtar kelimeler: Fiber/matriks hacim oranı, Cam fiber takviyeli plastik(ctp), Mekanik özellikler, Fiziksel özellikler, Profil çekme metodu, Nümerik analiz. DETERMINATION OF MECHANICAL AND PHYSICAL PROPERTIES OF GLASS FIBER REINFORCED PLASTICS Abstract Various materials used in the construction industry and technological developments have been investigated as a result of tecnological advances in the world. One of the new technological materials is Pultruded Glass Fiber Reinforced Plastic (GRP) materials. GRP materials are basically constituted of resin and continuous or chopped fibers. They are produced by means of various manufacturing methods. The pultrusion process is a common manufacturing method used in order to attain high quality GRP materials having intended lengths. In this study, mechanical and physical properties of GRP produced via pultrusion method were determined by national and international standard test methods. Mechanical properties determined by eperiments were compared with mechanical properties calculated as theoretical analysis. Furthermore, fiber/matri volume rations (Vf/Vm) were determined by

2 2 using eperimental methods. As a result, in accordance with the data obtained from comparisons, calibration was achieved; therefore, further eperiments were not needed. Keywords: Fiber / matri volume fraction, Glass fiber reinforced plastic (GRP), Mechanical properties, Physical properties, Pultrusion method, Theoretical analysis. 1. GĠRĠġ Bir yapıya etki eden kar, rüzgar, deprem kuvvetleri ile yapı elemanlarının ağırlıkları ve hareketli yükler yapı elemanlarında çeşitli gerilmeler oluşturmaktadır. Bu nedenle bir yapı tasarlanırken yapıyı oluşturan yapı elamanlarının bu etkilere karşı yeterli dayanım ve dayanıklılıkta olması beklenir. Bu nedenle kullanılan malzemenin mekanik özelliklerinin bilinmesi gereklidir. Yapı malzemeleri üzerinde yapılan deneyler neticesinde o yapı malzemesine ait mekanik özellikler belirlenmektedir. Mühendislikte yaşanan gelişmeler sonucunda, yapılarda bütün malzemelerin az çok kullanılabileceği tespit edilmiştir. Yakın zamanda yapılan araştırmalar göstermiştir ki, yapılarda kullanılan malzemeler yapısal olarak iki gruba ayrılmıştır. Bunlardan ilki, malzemenin iç yapısı üniform olan homojen malzemeler; diğeri ise genel olarak yeni nesil malzemeler olarak adlandırılan ve içerisinde iki veya daha fazla homojen malzeme bulunan kompozit malzemelerdir [1]. Kompozit üretiminin bilinçli olarak ele alınması ve bilimsel yaklaşımlarla yeni malzemeler üzerindeki çalışmalar, 194 lı yıllarda, cam takviyeli plastiklerin (CTP) kullanımı ile başlamıştır. Başlangıç aşamalarında fazla yüke maruz kalmayan küçük yapılar kullanılmıştır (Şekil 1). Daha sonra ise kapsamlı yapılarda kullanılma çalışmaları devam etmiştir (Şekil 2). ġekil 1. CTP vapur iskelesi ve CTP kullanılarak yapılmış prototip yapı [2]. ġekil 2. CTP yaya ve hafif araç köprüsü ile Basel gözlem evi [2].

3 3 2. PROFĠL ÇEKME METODU ĠLE CTP ÜRETĠMĠ Cam elyaf takviyeli plastik malzeme temel olarak kalıp görevi gören reçine içine gömülmüş sürekli veya kırpılmış elyaflardan oluşmaktadır ve çeşitli üretim metotları kullanılarak üretilmektedir. Bu metotlardan Profil çekme metodu, CTP kalıplamasında, özellikle inşaat sektöründe hem ana malzeme hem de tamamlayıcı malzeme olarak kullanılan profil türündeki ürünlerin yapımında kullanılmaktadır. Pultruzyon metodu; karbon, aramid ve cam elyaf gibi çeşitli elyaflar ile dokuma ve keçelerin bir reçine banyosundan geçirilerek kalıp içinde ısı altında şekillendirilmesidir. Burada elyaflar bir banyo içinde istenilen özelliklere uygun olan reçine ile ıslatılırlar ve şekillendirilmenin yapılacağı kalıp içine girerler. Kalıp içinde birkaç bölgede kontrol edilen sıcaklık dağılımı altında şekillendirirler ve daha sonra çekici yardımı ile çekilerek istenilen boylarda kesilirler. ġekil 3. Profil çekme makinesinin genel gösterimi. Bu yolla elde edilen kompozit malzeme termoset özelliklerde olup, sıcaklık ile tekrar yumuşamaz, eritilemez ve yapısında yüksek oranda elyaf yüzdesine sahip olurlar. Pultruzyon metodu ile elde edilen profiller içinde içerdiği yüksek oranda elyaf fiberleri sayesinde çok yüksek mukavemete ve mekanik değerlere sahip olmaktadır. Bunun sonucu olarak birçok alanda kullanıma bağlı olarak çeşitli metallere, ahşap ve plastiklere oranla tercih edilmektedirler. ġekil 4. Örnek profil detayı. Profil çekme metodu ile üretilen I, T, L, U, kutu ve boru profillerinin yanı sıra sabit şekle sahip olmayan ve renkli profillerin de üretimi yapılabilmektedir. Pultruzyon metodu ile üretilmiş çeşitli kesit şekillerine sahip profiller Şekil 5 te görülmektedir.

4 4 ġekil 5. Profil çekme metodu ile üretilmiş CTP profil örnekleri [2]. Pultruzyon metodu ile üretilmiş CTP malzemelerin yapı endüstrisinde kullanılması için öncelikle, ülkemizde üretilen CTP malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi ve emniyet sınırları içerisinde hesap yapılması gereklidir. Bu amaçla profiller üzerinde deneysel çalışmalar yapılmıştır. Ayrıca nümerik hesaplamalar yapılarak mekanik deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. 3. MALZEME ÖZELLĠKLERĠNĠN DENEYSEL ÇALIġMALARLA BELĠRLENMESĠ Uygulanan dış yüklere karşı bir cismin gösterdiği tepki mekanik davranış olarak adlandırılır. Bu davranışın biçimi de mekanik özelliği tayin eder. Uygulanan dış kuvvetlere karşı gerilme ve şekil değiştirmeler deneyle belirlenir. Cisimler artan dış kuvvetler altında önce şekil değiştirir sonra dayanımını yitirerek kırılırlar. Ancak düşük yükler altında şekil değiştirmeler elastik davranış, yükler belirli bir sınırı aşarsa plastik davranış meydana gelir. Bu şekil değiştirmelere karşı direnç ise elastik modülü ile belirlenir. Malzemeler iç yapıda kalıcı değişme veya kırılma meydana getirmesi halinde gerilme sınırı mukavemet olarak bilinir. Mekanik özelliklerin temeli, atomlar arası bağ kuvvetleri olmasına rağmen iç yapıya ve çevre şartlarına büyük oranda bağlıdır. Kompozit malzemelerin bazı malzemeler gibi homojen olmadığının anlaşılması ile bu modern kompozit malzemelerin rijitlik, dayanım ve hafiflik gibi özellikler bakımından daha üstün özellikler gösterdiği açıktır. Kompozit malzemelerin mekanik özelliği sistemden sisteme değişmekle beraber kompozit malzemelerde karşılaşılan en önemli değişkenler ve kompozitlerin özellikleri; takviye elemanı türü ve özelliğine, takviye elemanın hacim oranına, elyaf geometrisi ve doğrultusuna, elyaf boy/çap oranına, matriks türüne, uygulanan üretim tekniğine bağlıdır. 3.1 Çekme Deneyi Yapı tasarımında kullanılacak CTP malzemesinin, elastisite modülü, poisson oranı ve kopma dayanımlarını belirlemek için çekme deneyleri yapılmıştır. Öncelikle ülkemizde üretim yapan fabrikalardan temin edilen farklı boyutlardaki CTP profilleri, ilgili standartlar [3,4 ve 5] ve deney şartlarına uygun şekilde 25253,5 mm boyutlarında parçalar kesilerek hazırlanmıştır. Deney numunelerinin bir tarafına ekstansometre diğer tarafına ise poisson oranını belirlemek için komparatör saati takılmıştır. Çekme deneyi düzeneği ve çekme testi yapılmış numune Şekil 6 ta görülmektedir.

5 Gerilme (kn/mm 2 ) 5 ġekil 6. Çekme deneyi düzeneği ve çekme testi yapılmış numune [6]. Deney sonrası numunelerin kopma şekilleri ve Elastisite Modülü ile ilgili oluşturulan lif doğrultusuna paralel tek numuneye ait çekme deneyi grafiği örneği Şekil 7 de gösterilmiştir.,7,6 y = 3,729 +,25 R 2 =,9998,5,4,3,2,1,5,1,15,2,25 ġekil DeğiĢtirme ġekil 7. Çekme deneyi yapılmış numuneler ve tek numuneye ait çekme deneyi grafiği [6]. 3 adet numune için çekme deneyinden elde edilen sonuçlar ve varyasyon katsayıları ASTM 339 a [7] göre Çizelge 1 de belirtilmiştir. Çizelge 1. Lif doğrultusuna paralel çekme deneyi sonuçları [6]. No Uzama (%) Ma. Çekme Kuvveti (N) Gerilme (N/mm²) Elastisite Mod. (N/mm²) R² 1 2,1 6223,6 645, 3729,99 2 1, ,5 554, ,99 3 1, , 586, , ,9 5573,6 589, ,99 3 2, ,6 584, ,99 Ort. 2,1 5419,3 587, ,99 Std., ,5 4, Var. (%) 7,8 8,53 6,91 3, Poisson oranı deneyi 3 adet numuneye ait verilerin bulunduğu eksenel boy değişimi (ε ) yanal boy değişimine (ε y ) oranlanmıştır. Grafik olarak Şekil 8 de ifade edilen oranlamada y denklemindeki,34 lük kısım o numuneye ait poisson oranını ifade etmektedir.

6 Eğilme Gerilmesi (N/mm 2 ) Enine ġekil DeğiĢtirme (ε) 6,7,6,5 y =,346-3E-5 R 2 =,995,4,3,2,1,5,1,15,2 Boyuna ġekil DeğiĢtirme (εy) ġekil 8. Poisson oranı tek numuneye ait deney grafiği [6]. 3.3 Eğilme Deneyi Eğilme deneyi için standartlara uygun [8, 9 ve 1] dolu kesitli deney numunesi hazırlanmıştır ,5mm lik kutu profillerden kesilerek; 5 adet 25mm boyunda, 11,5mm genişliğinde 3,5mm kalınlığında numuneler hazırlanmıştır. Dikdörtgen dolu kesitli eğilme deneyinde kırılmış numune örneği ve eğilme numunesine ait gerilme-sehim grafiği örneği Şekil 9 da, deney sonuçları Çizelge 2 de gösterilmiştir Sehim (mm) ġekil 9. Eğilme deneyinde kırılmış numune örneği ve gerilme-sehim grafiği örneği [6]. Çizelge 2. Dikdörtgen dolu kesitli numunelerin eğilme deneyi sonuçları [6]. Eğilme Mesnet Ma. Yük Moment Numune No Gerilmesi Açıklığı (mm) (N) (N.mm) (N/mm 2 ) L Pma. M σ , , , , , , , ,59 rt. 2 99, ,59 Std. Sap Var. % 6 6 3

7 7 3.4 Isıl genleģme deneyi Isıl genleşme değerleri 35mm uzunluğundaki ,5mm ebatlarında dikdörtgen kesitli 3 numune kullanılarak ölçülmüştür. Çalışma sıcaklığı 3 C ile 8 C arası seçilmiş ve her sıcaklık arttırılışında çubukların termal dengeye gelmeleri için bir müddet beklenmiştir. Yapılan hesaplamalar sonucunda bulunan değerler Çizelge 3 te verilmiştir. Çizelge 3. Isıl genleşme katsayısı [6] Numune No Eğim (µm/ C) Λ (1/ C) ,874 5, ,628 4, ,871 5,347 Ortalama 1,791 5, Özgül ağırlık deneyi Özgül ağırlık deneyinde Arşimet Terazisi kullanılmıştır ,5mm lik CTP kutu profilden alınan 1 adet numune önce kuru olarak tartılmış daha sonra ise su içerisindeki ağırlığı bulunmuştur. Yapılan deneyler sonucunda özgül ağırlık değerleri incelendiğinde CTP malzemesinin ortalama özgül ağırlık değeri 1,77g/cm 3 olarak bulunmuştur [6]. ġekil 1. Arşimet terazisi ve özgül ağırlık numuneleri. 3.6 Birim ağırlık deneyi Özgül ağırlık deneyinde olduğu gibi 1 adet numune üzerinde birim hacim ağırlığı deneyi yapılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda birim ağırlık değerleri incelendiğinde CTP malzemesinin ortalama birim ağırlık değeri 1,75g/cm 3 olarak bulunmuştur [6]. 3.7 Su emme deneyi ,5mm lik profillerden kesilen 2-2-3,5mm ebatlarında 1 adet numune üzerinde su emme deneyi yapılmıştır. Deneyler sonucunda ağırlıkça su emme yüzde değeri ortalaması %,25 olarak bulunmuştur [6]. 4. MALZEME ÖZELLĠKLERĠNĠN NÜMERĠK OLARAK BELĠRLENMESĠ Bir kompozit malzemenin mekanik özelliklerini hesaplayabilmek için, içerisinde bulunan maddelerin, mekanik özelliklerinin ve hangi oranlarda bulunduğunun bilinmesi gerekmektedir. Kompozit malzemenin üretim şekli ve tabaka kalınlıkları da mekanik özellikleri etkilemektedir. Bu bağlamda, ,5mm ebatlarında kutu profilden alınan

8 8 numunelerin reçine yakma metodu ile fiber ve matriks oranlarının bulunarak malzemenin mekanik özelliklerinin bulunması bize CTP malzeme ile ilgili daha gerçekçi ve somut bilgiler verecektir. Reçine Yakma Metodu, fiber takviyeli kompozit malzemelerin fiber ve matriks oranlarının bulunması için yüksek ısı altındaki fırında yakılarak uygulanan bir metottur. Reçine yakma metodu ile bulunan sonuçlar kullanılarak malzemedeki ağırlıkça ve hacimce oranları bulunmuştur. Ayrıca bu veriler kullanılarak ve makro düzeyde analizi yapılarak malzeme özellikleri belirlenmiştir. Reçine yakma metodu ile malzemenin tüm tabasındaki fiber ve matriks oranlarını belirlemek için ,5mm ölçülerinde kesilerek hazırlanan 1 adet numune hazırlanmıştır. Numuneler 6 C lik fırında 2 saat süre ile ısıl işleme tabi tutularak, malzemedeki reçinenin yanması sağlanmıştır. Isıl işlem sonucu fırındaki CTP numuneleri Şekil 11 de gösterilmiştir [6]. ġekil C lik ısıl işlem sonucu fırındaki CTP numuneleri [6] Reçine yakma metodu ile malzemenin fiber ve matriks hacim yüzdeleri Çizelge 4 te gösterilmektedir. Çizelge 4. Fiber ve matriks hacim yüzdeleri [6] Tek Yönlü Fiber(Orta) Rast. Dağ. Fiber(Üst) Rast. Dağ. Fiber(Alt) Fiber H. Y. (%) 5,72 23,67 23,67 Matriks. H. Y. (%) 49,28 76,33 76,33 Toplam Makro mekanik analiz, kompozitteki elemanların bir bütün olarak ele alıp tek bir malzemeymiş gibi incelenmesidir. Makro mekanik hesaplar, matriks yöntemi ile çözülür. Bir malzemeye temel olarak, iki çekme ve bir kesme kuvveti etki etmektedir. Bu durumdan dolayı 3 3 lük bir matriks kullanılmaktadır. A y y Q Q Q Q Q 33 y y veya Q E (1) Nümerik analiz sonucunda, Boyuna Elastik Modülü ( Kayma Modülü ( G ), Poison Oranı ( v ) ve Özgül Ağırlık ( y E ), Enine Elastik Modülü ( E y ), ) olarak bulunmuştur.

9 9 5. BULGULAR VE DEĞERLENDĠRME Deneysel çalışmalar ile nümerik hesaplamalar arasında karşılaştırmalar yapılarak deneysel sonuçların nümerik hesaplamalar ile ne kadar yaklaşımla belirlenebileceği incelenmiştir. Çizelge 5 te yapılan deneysel ve nümerik çalışmaların karşılaştırma ve yüzde olarak yaklaşım değerleri verilmiştir. Çizelge 5. Deneysel ve nümerik sonuçların karşılaştırılması [6] Nümerik Deneysel Karşılaştırma Birim Ağırlık ( ) (g/cm³) Hesaplar - Sonuçlar 1,749 ( % ) Özgül Ağırlık ( ) (g/cm³) 1,811 1,773 97,9 - Su Emme (Ağırlıkça) ( S ) (%) a,25 Elastisite Modülü ( E ) (kn/mm²) 32,923 29,54 89,72 Elastisite Modülü ( E ) (kn/mm²) 8,512 7,87 92,46 y,z Poison Oranı ( ν ),346,34 98,27,y,z Isı Genleşme Katsayısı (λ) ( 1/ C ) - 5,118 Kayma Modülü ( G ) (kn/mm²) 3,213 -,y,z Çekme gerilmesi (kn/mm²) -,587 Çekme gerilmesi y, z (kn/mm²) -,32 Eğilme Gerilmesi (kn/mm²) -,56 Karşılaştırma sonuçları incelendiğinde Özgül ağırlığın nümerik hesap sonucu ile deneysel çalışmalar sonucu arasında %97,9 lık bir uyum vardır. Lif doğrultusuna paralel E yöndeki elastisite modülünde nümerik hesap ile deneysel çalışmalar sonucu arasında %89,72 lik, lif doğrultusuna dik E, yöndeki elastisite modülünde ise bu oran %92,46 lık y z uyum vardır. Poisson oranının belirlenmesinde nümerik hesap ile deneysel sonuç arasında %98,27 lik yakınlık vardır. Tüm karşılaştırma sonuçları incelendiğinde Özgül ağırlık, lif doğrultusuna paralel yöndeki elastisite modülü, lif doğrultusuna dik oranı verilerinde yüksek oranda yakınlık elde edilmiştir [6]. 6. SONUÇLAR y z E E, yöndeki elastisite modülü ve poisson CTP sektöründe her geçen gün yeni bir malzeme veya mevcut malzemelerin iyileştirilmesi için sayısız çalışmalar yapılmaktadır. Bu malzemeyi ön plana çıkaran özelliklerden bir tanesi, istenilen özelliklerde üretilebilme imkânı sunmasıdır.

10 1 Bu çalışmada; Pultruzyon metodu ile üretilen CTP malzemesi üzerinde yapılan deneysel çalışmalar ve nümerik hesaplamalar ile belirlenen mekanik özellikler ulusal ve uluslararası kabul edilen standartlar kullanılarak belirlenmiştir. Nümerik hesaplar ile deneysel çalışmalar karşılaştırıldığında sonuçlardaki uyumun yüksek (% 9 ın üzerinde) çıktığı belirlenmiştir. Bu durum yapılan çalışmanın güvenilirliği açısından oldukça önemlidir. Çekme ve eğilme deneyleri sonucunda CTP malzemesinin elastisite modülünün yüksek, poisson oranının düşük olduğu, malzemenin lineer elastik davranış gösterdiği ve gevrek kırılma yaptığı belirlenmiştir. CTP malzemesinin yapılan çalışmalar sonunda birim hacim ağırlığının diğer yapı malzemeleri ile kıyaslandığında daha hafif olması (1,749 g/cm³) nakliye ve montaj işçiliğinin kolaylığının yanında işçilik maliyetinin de düşmesini sağlamaktadır. Ayrıca malzemenin hafif olması ile depremin yapı üzerindeki etkisini de önemli ölçüde düşüreceği tespit edilmiştir. Nümerik analizde, reçine yakma metodu kullanılarak belirlenen CTP malzemesindeki elyaf/hacim oranlarının artması ile malzemenin mekanik özelliklerini de artırdığı görülmüştür. Deneysel çalışmalar ve nümerik hesaplamalar ile belirlenen CTP malzemesinin bu üstün özelliklerinden yararlanılarak yapı tasarımında alternatif malzeme olarak kullanılabileceği öngörülmektedir. TeĢekkür Konferansın gerçekleştirilmesine katkıda bulunan herkese teşekkür ederiz. KAYNAKLAR 1. HOLMES, M. and Just, D.J., GRP in Structural Engineering, Applied Science Publishers Ltd., New York, İnternet sitesi, 3. TS 386 Plastikler Cam Lifle Pekiştirilmiş Malzemelerde Çekme Özelliklerinin Tayini, Ankara, TS Plastikler-Çekme Özelliklerinin Tayini-Bölüm 4: İzotropik ve Ortotropik Elyaf Takviyeli Plastik Kompozitler İçin Deney Şartları, Ankara, TS Plastikler - Çekme Özelliklerinin Tayini Bölüm 5: Tek Yönlü Elyaf Takviyeli Plastik Kompozitler İçin Deney Şartları, Ankara, Cumhur, A, Pultruzyon Metodu Ġle ÜretilmiĢ CTP Profillerle Sera Modellemesi Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, ASTM 339 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matri Composite Materials, TS 465-2, Plastikler - Cam Elyaf Takviyeli - Fitille Takviye Edilmiş Reçine Çubukların Mekanik Özelliklerinin Tayini Bölüm 2: Eğilme Mukavemetinin Tayini, Ankara, TS 985 Plâstikler - Eğilme Özelliklerinin Tayini Ankara, ASTM D 79 Standart Test Methods For Fleural Properties Of Unreinforced Plastics and Electrical İnsulating Materials 1992.