6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 211, Elazığ, Turkey Ayakkabı Tabanı Olarak Kullanılan NR/SBR Tipi Elastomer Esaslı Malzemenin Mekanik Özelliklerine Cam Küre ve Mika Tozu Etkisinin İncelenmesi N. Akçakale 1 A. Demirer 2 İ. Özsert 3 1 Abant İzzet Baysal Üniversitesi Gerede MYO., Bolu, Türkiye E-posta: akcakale_n@ibu.edu.tr 2 Sakarya Üni. Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğit.Böl., Sakarya,Türkiye, E-posta: ademirer@sakarya.edu.tr 3 Sakarya Üni. Teknik Eğitim Fakültesi Dekanı., Sakarya,Türkiye, E-posta: ozsert@sakarya.edu.tr Shoe Outsole Used Nr / Sbr Type Elastomers Based Material Effect of Mechanical Properties of Glass Ball and Mica Powder Abstract In this experimental study, effects of mica powder and glass ball filling on the mechanical properties of NR/SBR type elastomer based rubber materials used in shoe soles are investigated.in the study, a spesific mixture of natural rubber (NR RSS3) and Stiren Butadien Rubber (SBR 152) is used as main material. In the experiments, a traditional kaolin filled fomula used in industry for manufacturing shoe soles and mica powder and glass ball filled formulas are compared. Mica powder (Mica SMW 375) and Glass ball (Quartz-75) fillings are separately added in the ratio of %5,15 (25 g in term of mass) Mechanic values of obtained filled materials are compared. It is observed that flexibility capability of the material satisfies standard values in 3 bends. In density values, an improvement of glass ball %13, mica powder %14 is obtained according to the standard formula. In percentile elongation amounts, an enhancement of more than glass ball %166, mica powder %133 is observed. According to the standard value, an increase of glass ball %42, mica powder %37 in tensile resistance has been observed. An increase in wear amounts and hardness values is observed. It is observed that, hardness values are higher in the ratio of glass ball %4, mica powder %42 according to the standard values, due to the used fillings being mineral based. In the material laceration values, an enhancement of glass ball %17 has been obtained according to the traditional formula, while a decrease of %12 has been observed on mica powder filling sample According to the traditional formula, a decrease in material unit costs in the ratio of glass ball %7, mica powder %5 is observed. These formularized materials based on elastomer based shoe sole material standards can be used in various areas in industry. Keywords NR/SBR, Mica Powder, Glass ball, Elastomer, rubber sole I. GIRIŞ Doğal (NR) ve yapay (SBR) kauçuk olarak anılan elastomerler kendilerine has üstün özellikleri nedeni ile geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Otomotiv, inşaat, beyaz eşya ve ayakkabı taban malzemelerine kadar endüstrinin pek çok alanında kullanılmaktadır. Ayakkabı taban malzemeleri imalinde kauçuk özellikli malzemelerin kullanım oranı % 34 tir [1,2]. Bu malzemelerden üretilecek ürünün gerektirdiği özelliklere sahip olabilmesi için işlenme sırasında çok sayıda ve değişik niteliğe sahip dolgu ve katkı maddeleri ilave edilmektedir. Dolgu maddeleri aktif, yarı aktif ve inaktif olarak gruplara ayrılabilir. Elastomerlerle ilgili daha önce yapılmış çalışmalara bakıldığında bilinen dolguların dışında cam elyaf, odun talaşı, deri tozu, cam küre, pirinç kabuğu tozu, wollastonit vb. gibi farklı dolgulara da rastlamak mümkündür. Jolene ve arkadaşları[3] ayakkabı tabanı malzemelerindeki mineral dolguların reolojik davranışları ile ilgili çalışmasında SBS blok kopolimerinde (CaCO 3 ) 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. Akçakale ve arkadaşları [4], NR/SBR tipi elastomer esaslı malzemeye üç farklı oranda mika tozu dolgusu kullanarak mekanik özelliklerini incelemişlerdir. Mika tozu (Mica SMW 375) dolgusu % 5,15-9,4 ve 13,4 oranlarında (kütlece 25g- 5g- 75g) katılmış ve % uzama miktarında % 16,5; kopma mukavemetinde ise yaklaşık % 36 oranında artış tespit etmişlerdir. Aşınma miktarında bir miktar artış görülmekte, sertlik değerleri ise istenen aralıktadır. Malzeme birim maliyetlerinde ise %5,2 ile 12 oranında düşüş gözlemlemişlerdir. Oksman ve arkadaşları [5], 42 nanometre tane büyüklüğüne sahip ahşap tozu ve polipropilen (PP) bileşiklerinin yapısı ve mekanik özellikleri üzerinde çalışarak bükülebilme kabiliyetini olumsuz etkilediğini 311
söylemektedirler. Ahşap tozunun malzeme fiyatı düşürdüğünü, polipropilen malzeme karışımının kopma dayanımını artırdığını ve % uzama kabiliyetini ise düşürdüğünü tespit etmişlerdir. Aynı bileşiklerde elastikiyet modülünün de % 7 e kadar artığını belirlemişlerdir. Timings ve arkadaşları [6], elastomer malzemelerde; cam tozu dolgu malzemelerinin iyi elektrik iletimi sağladığını, odun talaşının maliyeti düşürdüğünü, alüminyum tozunun mekanik dayanımı artırdığını, kırpıntı kâğıt ve bez tozlarının elektrik yalıtımı sağladığını belirtmiştir. Siriwardena ve arkadaşları [7], poliprobilen/etilen-propilendien terpolimer/beyaz pirinç kabuğu tozu termoplastik elastomer üçlü karışımların üzerinde çalışmışlar. PP/EPDM/Beyaz pirinç kabuğu kauçukta ürün deformasyonunu azalttığı tespit etmişlerdir. Bunun yanında malzeme viskozitesini ve erime viskozitesini artırdığını % 4 lük bir dolgu karışımda düzgün yüzeyler elde edildiğini bildirmişlerdir. Sumaila ve arkadaşları [8], poliüretan malzemeye % 2 ile 1 arasında yerfıstığı kabuğu tozu (odun selülozu) ilave ederek çekme, basma ve darbe dayanımı değerlerini incelemişlerdir. Dolgu miktarı artıkça çekme dayanımının artığını söylemektedirler. Dolgu malzemesinin ise darbe dayanımı üzerinde olumsuz bir etki yaptığını söylemektedirler. Basma dayanımında en iyi durum % 4 dolgulu malzemenin verdiğini en kötü sonucu ise % 8 dolgulu malzemenin verdiğini ifade etmektedirler. Sonuç olarak poliüretan içerinde dolgu malzemesi olarak kullanılabileceğini söylemektedirler. Akçakale ve arkadaşları[9], wollastonit dolgusunu % 5,15-9,4 ve 13,4 oranlarında kullanarak elde edilen elastomer malzemenin mekanik değerlerinin geleneksel malzemeye göre karşılaştırarak bükülebilme kabiliyeti standart değerlerin üzerinde olup % uzama miktarında standart değerin %13 ile % 11 arasında bir iyileşme elde etmişlerdir. Kopma mukavemetinde ise yaklaşık % 13,4 ile % 41 oranında artış tespit edildiğini söylemektedirler. Elastomerdeki wollastonit oranı arttıkça aşınma miktarında ve sertlik değerleri bir miktar artış görülmekte olduğunu ifade etmektedirler. Malzeme birim maliyetlerinde ise % 5,7-12 oranında düşme gözlemlediklerini ifade etmektedirler. Savran [1], doğal kauçuklarda özellikle yırtılma ve aşınma mukavemetini artırmak için dolgu malzemesi olarak ince taneli karbon siyahlarının önemli etkileri olduğunu söylemektedir. Bu çalışmada NR ve SBR elastomer esaslı malzemelere geleneksel dolgu malzemeleri (kaolen) yerine ayrı ayrı (25 g.) % 5,2 oranında cam küre ve mika tozu katılmıştır. Katılan dolgu malzemelerinin, yoğunluk, çekme dayanımı, kopma dayanımı, aşınma, sertlik, bükülebilme (esnetme) gibi mekaniksel özeliklere etkileri araştırılmıştır. Ayrıca birim maliyeti hakkında da bir karşılaştırma yapılmıştır. II. MATERYAL VE METOT Doğal Kauçuk (NR RSS3) ile Stiren Butadien Kauçuğuna (SBR 152 ) katkı maddeleri değişik oranlarda katılarak karışımlar hazırlanmıştır. Daha sonra NR+SBR kauçuk karışımı kompozit malzemeye ayrı ayrı kütlece % 5,15 N. Akçakale, A. Demirer, İ. Özsert oranlarında (25g) Cam Küre ve Mika Tozu ilave edilerek elastomer karışımlar elde edilmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılan malzeme ve ekipmanlara ait teknik özellikler Tablo 1 de verilmiştir. Cam küre; az çok saf halde bulunan kristalleşmiş silisyum dioksit (SiO 2 ) çeşitlerine verilen ad dır. Kuars, birçok kayacın bünyesinde, yer kabuğunda en yaygın bulunan özgül ağırlığı 2,85 g/cm 3, çizgisi beyaz, çabuk kırılır ve kırılma yüzü sedef içi şeklinde, ergime sıcaklığı 1785 C olan kayaç yapıcı bir ana mineraldir. Karayolları işaretlemesinde ve fosforlamada kullanılan cam kürecik, tüm dünyadaki geçmişi yakın zaman dayanmaktadır. Her türlü boya çeşidine karıştırılarak kullanılan cam küreler farklı kullanım amaçlarına göre değişik ebat ve türde üretimi söz konusudur. Boyalara katılarak kullanılan cam kürecik karanlıkta veya görüş mesafesinin kısa olduğu durumlarda ışık yansıması sayesinde görüşü ve ilgiyi arttırmaktadır. Plastik malzemelerde ekstrüzyon ve enjeksiyon yöntemine uygun olmaları, aşınma direnci ve sertlik özellikleri nedeni ile dolgu maddesi olarak kullanılmıştır. Şekil 1-a da cam küre parçacıklarının SEM görüntülerinde homojen bir yapıda olduğu görülmektedir. Tablo 1. Deneylerde kullanılan malzeme ve donanımlar [1] KULLANILAN MALZEME VE EKIPMANLAR NR (Doğal Kauçuk) SBR (Stiren Butadien Kauçuk) Cam Küre Mika Tozu Dolgu Maddesi TICARI ADI TEKNIK ÖZELLIKLERI NR RSS 3 Yoğunluğu:,93 SBR 152 Yoğunluğu:,94 Quartz-75) (Tedarik: Tane Kaltun Maden. büyüklüğü:75 µm Aydın-Çine, Yoğunluğu: 2,85 Mica SMW 375, Tedarik: Kaltun Maden. Aydın-Çine Tane büyüklüğü: 5 µm Yoğunluğu: 2,7 Karbon Siyahı Dolgu Maddesi HAF N33 Yoğunluğu: 1,7 Çekme Cihazı TS EN ISO 1283 - DIN 5354, Çekme hızı: 1 mm/sn. Devotrans DVT3 Yoğunluk ölçme cihazı TS 2827 ye uygun ölçüm yapan Sartorius BP 31S, Almanya Sertlik ölçüm cihazı (durometre) Bennewart bükme cihazı TS 1324 2875-DIN 53519, PTC Instruments, ABD EN-ISO 2344- DIN 53543- SATRA TM 161, Türkiye Cam küreler; termoplastik malzemelerde çekme ve basma dayanımını, elastikiyeti ve kimyasal direnci artırmak gayesi ile kullanılır. Ayrıca maliyeti düşürür ve kalıpta çekmeyi azaltıcı özelliğe sahiptir. 312
Ayakkabı Tabanı Olarak Kullanılan NR/SBR Tipi Elastomer Esaslı Malzemenin 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. Şekil 1-b de mika tozu parçacıklarının SEM görüntülerinde yapraksı yapıları görülmektedir. a. Cam küre b. Mika tozu Şekil 1. NR/SBR kauçuk içerisine dolgu malzemesi olarak katılan cam küre (a),ve mika tozu (b) partiküllerinin SEM görüntüsü. 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. Mika tozu; polimerlerde ve termoplastiklerde elastik modülünü, elektrik ve kimyasal direncini, ısı kararlılığını ve ekstrüzyon hızını artırır. Kalıpta çekme ve ısısal genleşmeyi azaltır ve maliyeti düşürür. Geleneksel formül adını verdiğimiz formül numunelerinin mekaniksel deneyleri sonucu formülde bazı düzenlemeler yapılmıştır. Yeni formülde proses kolaylaştırıcı ve yumuşatıcı olarak kullanılan aromatik yağın yerine parafinik yağ kullanılmıştır. Parafinik yağ, aromatik yağa göre daha açık renktedir. Açık renkli tabanlar için daha uygundur. Parafinik yağlar, aromatik yağlara göre daha pahallı olup düşük viskoziteli ve hamurun iç yağlanmasını daha iyi sağlar. Karışımlarda aktif dolgu ve sertleştirici ajan olarak kullanılan karbon siyahı HAF N33 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. Çalışmada formül iyileştirmeleri yapılarak ilave dolgu olarak cam küre ve mika tozu ayrı ayrı kullanılmıştır. Formül kaolen dolgusu yerine mika tozu ve cam küre dolguları için farklı hamurlar hazırlanmıştır ve vulkanizasyon işlemine tabi tutulmuştur. Numunelerin ayrı ayrı kauçuktaki dolgu miktarlarına göre mekanik özellikleri incelenmiştir. Buna göre geliştirilen GF, MT ve CK formüllerine ait kauçuk dolgu ve katkı değerleri, formülasyon içerik ve oranları Tablo 2 de gösterilmiştir. Tablo 2.Deneylerde kullanılan kauçuk ve dolgu maddesi oranı[1] % GELENE KSEL FORMÜL (GF) MIKA TOZU (MT) CAM KÜRE (CK) NR 18,2 11,2 11,2 SBR 24,3 33,4 33,4 NR+SBR 42,5 44,6 44,6 Karbon siyahı 18,2 29,7 29,7 Kaolen 28 - - Cam Küre - - 5,15 Mika Tozu - 5,15 - Kükürt 2,3 1,35 1,35 Çinko aktif,6 1,5 1,5 Stearik asit 2,3,9,9 Aromatik yağ 4,6 - - Parafinik yağ - 5,9 5,9 Silikasil - 1 1 Vulkanizasyon, Hızlandırıcıları (CZ, TH, DEG, 5μm MBT) 1,5,9,9 Yapılan bütün deneyler ve kondüsyonlama işlemleri kauçuk esaslı elastomer malzemeler için belirlenen TS, EN ve SATRA normlarına uygun olarak Fatih Taban ve Ökçe Sanayi AŞ. İstanbul, test laboratuarında yapılmıştır. Farklı kompozisyonlarda hazırlanan kauçuk karışımlarının banburide hazırlanmasından, sıcak preslerde pişirilmesine kadar numunelerin proses şartlarının aynı olmasına dikkat edilmiştir. Tablo 3. Proses şartları PROSES ŞARTI Karıştırma Süresi (dk.) 12 Banbury İç Sıcaklığı ( o C) 8 Çalışma Sıcaklığı ( C) 16 165 Bekleme Süresi (dk.) 5 6 Pres Basıncı (bar) 16 Özel merdanelerde levha halinde hazırlanan karışımlar tekrar vulkanizasyon presinde ± 2 C duyarlı sıcaklık kontrolü ile ve 16 atmosfer basınç altında vulkanize edilerek plaka şeklinde ayakkabı tabanı haline dönüştürülmüştür [2,4]. Karışım hazırlama ve vulkanizasyon işlemlerinde numunelere uygulanan proses şartları Tablo 3 de verilmiştir. Numuneler üretildikten sonra 24 saat bekletilerek deneylere başlanmıştır. Kauçuk deney numuneleri mekanik testlere tabi tutulmadan önce standartlara göre 23 o C ve % 5 bağıl nemde bekletilerek şartlandırılmıştır. Sıcaklık toleransı genel olarak ± 2 o C alınmıştır [11,12]. Hazırlanan taban malzemelerinin her birinden standartlara uygun olarak beşer adet numune parçası özel pres bıçakları ile kesilerek testler yapılmıştır. Numune parçalarının test değerlerini hesaplamada ortalama değerleri alınmıştır. Yırtılma dayanımı, TS 5698 e göre yapılmıştır. Yırtılma deneyi, pantolon şeklini andıran numunelerin çekme cihazı 313
Aşınma Miktarı (mm³) % Uzama Miktarı Yoğunluk () Sertlik (Shore A) çenelerine bağlanarak 1mm/s çekme hızında gerçekleştirilmiştir. Bennewart bükme (esnetme) deneyi (EN-ISO2344), 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 3 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. Aşınma deneyi sonrası malzeme içyapısını ve elastomer içerisindeki katkı ve dolgu maddelerini görmek için yüzey altınla kaplandıktan sonra x5 oranında SEM mikro görüntüleri çekilmiştir. III. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Yapılan çalışmada verilerinin daha iyi değerlendirilebilmesi için endüstride ayakkabı tabanı imalinde 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 ile cam küre dolgu maddeleri ayrı ayrı kullanılmış ve fiziksel özellikleri yönünden incelenerek karşılaştırmalar yapılmıştır. Çalışma sonunda elde edilen mekanik değerler toplu olarak Tablo 4 de verilmiştir. Test edilen bütün numunelerin yoğunluk değerleri istenilen TS 5499 değerinin altında çıkmıştır. (Şekil 2) Cam küre dolgulu numunenin yoğunluğu standart değere göre %,13, kaolen dolgulu geleneksel formüle göre ise %,13 ve mika dolgulu malzemeler geleneksel dolgulu malzemeye göre %,18 daha düşük yoğunluk değeri elde edilmiştir. Seçilen elastomer özellikli taban malzemeleri için standartlarda sertlik değeri minimum. 55 Shore A dır. Her ne kadar bir üst limit belirlenmemişse de literatürlerde 7 Shore A yı geçmemesi önerilir. Geleneksel formül sertlik değeri mika tozu dolgulu malzemeye göre %,37 ve cam küre dolgulu kauçuk malzemelere göre %,25 oranlarında artığı gözlenmiştir (Şekil 2). Standartta istenilen maksimum aşınma miktarı 25 mm 3 dir. Her üç malzeme grubunda da aşınma miktarı değerleri standart değerin altında çıkmıştır. Standart değere göre geleneksel formül % 3 cam küre dolgulu numunede % 14 ve mika tozu dolgulu malzemede % 8 oranında daha düşük değerlerde ölçülmüştür. Aşınma miktarının çok önemli olduğu durumlarda dolgu miktarı daha düşük olarak kullanılması uygundur. Jolene ve arkadaşlarının [3] SBS tipi termoplastik elastomerlerde yapmış oldukları çalışmada kalsiyum karbonat (CaCO 3 ) ve cam küre dolgulu karışımlara göre mika tozu karışımında aşınmasının daha fazla olduğunu belirlemişlerdir. Aşınmada sonuçlar [9] literatürlerle de uygunluk göstermektedir. (Şekil 3). N. Akçakale, A. Demirer, İ. Özsert Tablo 4.Mekanik özellikler ve birim fiyat karşılaştırması [2] TSE 5499, 4698 ve TS EN ISO 2344 e göre istenilen değerler Yoğunluk ( ) 1,43 1,23 1,22 Maksimim. 1,5 ) Sertlik (Shore A) 8 77 78 Minimum. 55 Shore A Aşınma Miktarı (mm 3 ) 175 215 228 Maksimum. 25 mm 3 % Uzama Miktarı 1 266 233 Minimum 2 Kopma Dayanımı (MPa) 2,94 7,35 8,4 Minimum 5,88 MPa Yırtılma Dayanımı 6,4 7,5 5,6 Minimum 6 kg/ mm Bükülebilme Esnetme 14,89 4,7 7,49 (adım) * Minimum 3 adım Malzeme Maliyeti ( $/kg) 1,92 1,79 1,82 * Bükülebilme deneyinde 1 adımdan sonra cihaz durdurularak gerekli ölçümler yapılmıştır. 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 Şekil 2. Malzemelerin yoğunluk ve sertlik değerleri % uzama miktarında ise standart değerlere göre CK % 33 ve MT % 16 oranında iyileşme görülmüştür; dolgulu GF malzemede ise standart değerin % 5 oranında altında çıkmıştır. (Şekil 3). 25 2 15 1 5 Yoğunluk ( ) Sertlik (Shore A) 81 Aşınma Miktarı (mm³) % Uzama Miktarı Şekil 3. Malzemelerin aşınma miktarları ve % uzama değerleri Kopma dayanımı deneyleri TS EN ISO 1283 a göre yapılmıştır. Kopma dayanımında, standart değere göre CK % 25 ve MT % 37 oranında yüksek değerler elde edilmiş, GF kopma dayanımı değeri ise standart değerden % 5 daha düşük olduğu tespit edilmiş olup kopma dayanımı açısından iyi bir formülasyon olmadığı görülmüştür. (Şekil 4). Geleneksel 3 25 2 15 1 5 8 79 78 77 76 75 314
Esnetme Deneyi Çentik Boyu (mm) Malzeme Maliyeti ( $/kg) Kopma Dayanımı (MPa) Yırtılma Dayanımı (kg/mm) Ayakkabı Tabanı Olarak Kullanılan NR/SBR Tipi Elastomer Esaslı Malzemenin formüle göre MT dolgulu malzemenin kopma dayanımının yüksek olması MT dolgusunun lineer çekmelerde MT nin yapraksı yapısından dolayı mukavemet arttırıcı bir özellik kattığı düşünülmektedir. 1 8 6 4 2 Kopma Dayanımı (MPa) Yırtılma Dayanımı (kg/ mm) 8 7 6 5 4 3 2 1 Deneylerde kullanılan cam küre ve mika tozu dolgulu numunelerin aşınma deneyi sonrası yüzeyine altın kaplama yapılarak SEM görüntüleri incelendiğinde elastomer karışımlarının homojen bir yapıda olmadıkları bariz olarak görülmektedir. Cam küre dolgulu numunenin SEM incelemesinde farklı boyutlarda ve geometrilerde cam küre partikülleri görülmektedir. Görüntülerde ayrıca aşınma esnasında dolgu taneciklerinin malzemeden kopma izleri ve kauçuk yüzeyinde oluşan malzeme boşlukları görülmektedir. Şekil 4. Malzemelerin kopma ve yırtılma dayanımı değerleri Yırtılma değerleri ise standart değere yakın değerlerdedir. GF %,6 ve CK % 25 oranında bir artış görülmüştür. MT %,6 oranında düştüğü görülmüştür. Yırtılma dayanımında MT dolgulu malzemelerin düşük çıkmasını yapraksı MT nin kesme kuvvetine karşı dayanımının bir miktar düşük olmasından kaynaklanmış olabileceği sanılmaktadır. MT oranının artması ile de yırtılma dayanımında iyileşme olacağı düşünülmektedir. (Şekil 4). 16 14 12 1 8 6 4 2 Esnetme deneyi çentik boyu (mm) Malzeme Maliyeti ( $/kg) Şekil 5. Malzemelerin esnetme ve birim maliyet değerleri Bennewart bükme cihazı ile yapılan esnetme deneyinde numunelere açılan çentiğin 3 adım sonunda ilerlemediği ve her üç malzeme grubunun esnetme değerleri yönünden uygun olduğu görülmüştür. 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 ve cam küre dolgu malzemeleri olarak NR/SBR tip elastomerlerde ilk kez kullanılmıştır. Ayrıca elastomer malzemelerde maliyeti büyük oranda etkileyen en önemli husus kauçuk miktarıdır. Yapılan çalışmadaki karışımda daha pahalı olan doğal kauçuk (NR) oranı azaltılarak onun yerine suni kauçuk (SBR) oranı arttırılmıştır. (Şekil 5). Birim fiyat karşılaştırmasına bakıldığında formülasyondaki dolgu miktarı artıkça birim fiyatlarda belli bir düşüş gözlenmiştir. Birim maliyetler GF ye göre CK %,7 ve MT %,5 oranında azaldığı tespit edilmiştir (Şekil 5). 1,95 1,9 1,85 1,8 1,75 1,7 a. b. a. CK numunenin aşınma sonrası x5 görüntüsü b. MT numunenin aşınma sonrası x5 görüntüsü Şekil 6. CK ve MT dolgulu kauçuk numune yüzeylerinin aşınma deneyi sonrası x5 kez büyütülmüş SEM mikro- görüntüleri. SEM incelemelerinde mika tozu partiküllerinin farklı büyüklük ve boylarda ve yapraksı şekillerde olduğu görülmektedir. ayrıca aşınma esnasında mika tozu malzemeden kopma izleri ve kauçuk yüzeyinde oluşan malzeme boşlukları görülmektedir. Deneylerde kullanılan cam küre ve mika tozu dolgulu numunelerin aşınma deneyi sonucu yüzeyine altın kaplama yapılarak SEM görüntüleri alınmıştır (Şekil 6-a; 6-b) [2]. IV.SONUÇLAR VE ÖNERILER Deney sonuçları incelendiğinde elde edilen numunelerin tümünde yoğunluk değerleri geleneksel formüllü karışımdan daha düşük çıkmıştır. Karışımlar kendi içinde incelendiğinde, dolgu çeşidi yoğunluk değeri ve sertlik değerinde olumlu yada olumsuz etkide bulunmaktadır. Bu durum kullanılan dolgu maddesi türlerinin mineral esaslı olmasından ve tane boyutları ve yoğunluklarından kaynaklanmaktadır. Tabanlarda sertlik artıkça malzemedeki aşınma miktarı artabilmektedir. Ayrıca sert tabanlarda özellikle topuk (ökçe) kısmından kırılma olabilmektedir. Aşınma miktarının cam küre ve mika tozu partiküllerinin aşınma esnasında kauçuk matrisinden koparak boş gözenekler oluşturması ve böylelikle arttırmış olacağı düşünülmektedir. İleriki çalışmalarda farklı partikül büyüklükleri ile çalışılabileceği gibi partiküllerin bağlayıcılığının arttırılması üzerine de çalışma yapılabilir. % uzama miktarında ise standart değerlere göre CK ve MT dolgulu numunelerde iyileşme görülmüştür. GF malzemede ise standart değerin % 5 oranında altında çıkmıştır. Uzama 315
değerinin önemli olduğu durumlarda GF istenilen değerleri karşılamaktadır. Kopma dayanımında istenen en düşük değer 5,88 MPa iken, mika tozu dolgulu (MT) malzemede 8,4 MPa lık bir değer ve cam küre dolgulu (CK) malzemede 7,35 Mpa lık bir değer tespit edilmiştir. Kaolen dolgulu geleneksek formül (GF) malzemede 2,94 Mpa olarak tespit edilmiştir. GF hariç diğer iki malzeme numunelerinin istenen standart değerlerin üzerinde olduğu görülmüştür. Yırtılma dayanımında mika tozu dolgulu malzemelerin düşük çıkmasını yapraksı mika tozu partiküllerinin kesme kuvvetine karşı dayanımının bir miktar düşük olmasından kaynaklanmış olabileceği sanılmaktadır. MT oranının azaltılması ile de yırtılma dayanımında iyileşme olacağı düşünülmektedir. Çatlak büyütme amacı ile 1 adıma kadar yapılan deney sonucunda ise çatlak boylarında GF göre CK % 68 ve MT % 49 oranında bir artış gözlenmiştir. Bennewart bükme deneylerinde çatlak büyümesinin 3 esnetmeden sonra olduğu, kılcal çatlak büyümesinin başladıktan sonra hızla ilerlediği görülmüştür. Çatlaktaki bu hızlı ilerlemenin malzeme yorgunluğundan kaynaklandığı düşünülmektedir. SEM incelemelerinde cam küre ve mika tozu partiküllerinin farklı büyüklük ve boylarda olduğu ve gelişi güzel dağılımlarda oldukları görülmektedir. Ayrıca aşınma esnasında cam küre ve mika tozu partiküllerinin malzemeden kopma izleri ve kauçuk yüzeyinde oluşan malzeme boşlukları görülmektedir. İyi bir karıştırma sonucu daha homojen bir içyapının elde edileceği düşünülmektedir. 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. Aşınma miktarının çok önemli olduğu durumlarda dolgu miktarı daha düşük olarak kullanılması uygundur. N. Akçakale, A. Demirer, İ. Özsert Maddelerinin Etkilerinin İncelenmesi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Sakarya, 28. [3] Jolene F.,S., Nunes, R.,C.,R.,Pita, V.,J.,R.,R., Rheological Behavior of Mineral Fillers in Shoe Soles Composites, Universidade Federal do Rio de Janeiro P.O Box 68525 Rio de Janeiro, RJ, Brazil, 2. [4] Akçakale N.; Demirer A.; Özsert İ.; NR/SBR Tipi Elastomer Esaslı Malzemenin Mekanik Özelliklere Mika Tozu Etkisinin İncelenmesi, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 9), 13-15 Mayıs 29, Karabük, Türkiye [5] Oksman K,. Crain. C., Mecanical Properties and Morphology of Impact Modified Polypropylene-Wood flor Composites, Journal of Applied Polymer Science Vol.67, 1988. [6] Timings, R.L., Eng. C. F.I.P.C., Prod. M.I. E., M.S.E., M.B.I.M., Materials Technology Level 3 1. Materials Science, Longman House Burnt Mill, Hartow Essex CM2 2ZJ, England 1985 [7] Sırıwardena, S., Ismaıl, H., Ishıaku,U., S., The Effect of Filler Loading And Curing Agent Concentrastion On Rheoligal Properties of Polypropylene/Ethylene-Propylene-Dıene-Terpolymer/With Rice Husk Ash Thermoplastic Elastomer Ternary Composites, School of Materials and Mineral Resources Engineering, University Sains, Malaysia, 21. [8] Sumaıla, M., Ugheoke,B.,I., Tımon,L., Oloyede T., A Preliminary Mechanical Characterization of Polyuretane Filled with Lignocellulosic Materials, Federal University of Technology, Yola, Nigeria, 21. [9] Akcakale N., Demirer A., Nart E., I. Ozsert; Effects of glass spheres on the mechanical characteristics of NR-SBR type elastomers Scientific Research and Essays Vol. 5(8), pp. 758-762, 18 April, 21 [1] Savran, Ö., H., Elastomer Teknolojisi 1-2, Kauçuk Derneği Yayınları, İstanbul, 21 [11] TS EN ISO 2344, Kişisel Koruyucu Donanım-Ayakkabı için Deney Metotları, Ayakkabılar, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 25. [12] TS 5499 Kalıplanmış Lastikten Ayakkabı Tabanları ve Topukları, Ayakkabılar, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. 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] SATRA, Warrıngton, N., Rubber, Footwear Open Tech, Satra Footwear Technology Center, Module 31, London, 1994. [2] Akçakale N.; Demirer A.; Özsert İ.; NR/SBR Tipi Elastomer Esaslı Ayakkabı Taban Malzemelerinin Mekaniksel Özelliklerine Bazı Dolgu 316