DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ FEN ve MÜHENDİSLİK DERGİSİ Cilt: 5 Sayı: 2 sh. 19-25 Mayıs 2003 ALÜMİNYUM OKSİT TANE KATKILI POLİETİLEN MATRİKSLİ KOMPOZİTLERİN ISI İLETİM KATSAYISI (THERMAL CONDUCTIVITY OF ALUMINUM OXIDE PARTICLE FILLED POLYETHYLENE COMPOSITES) Dile KUMLUTAŞ * İsmail H. TAVMAN * ÖZET/ABSTRACT Bu çalışmaa, yüse yoğunlulu polietilen ompozit malzemelerin ısı iletim atsayısı, olgu malzemesi onsantrasyonunun bir fonsiyonu olara eneysel şeile araştırılmıştır ve ele eilen ölçüm eğerleri, literatürei teori ve ampiri moel sonuçlarıyla arşılaştırılmıştır. Yüse yoğunlulu polietilen ve toz atı malzemesi ullanılara eğişi haimsel onsantrasyonlara arışımlar ele eilmiştir. Bu toz halinei arışımlar, 4 MPa basınç altına 185 C sıalıta sııştırma işlemine tabi tutulmuştur ve soğumaya bıraılara atılaşması sağlanmıştır. Hazırlanan örnelerin ısı iletim atsayıları, "Hot-Wire" yöntemi ile çalışan ve 0 C en 70 C ye aar olan sıalı aralığına ölçüm yapabilee şeile geliştirilmiş olan "Shotherm QTM-D2" ihazı ile ölçülmüştür. In this stuy, the effetive thermal onutivity of high ensity polyethylene omposites is investigate experimentally as a funtion of filler onentration an the measure values are ompare with the existing theoretial an empirial moels. Samples are prepare by mixing ommerial high ensity polyethylene an filler materials at various volumetri onentrations, the mixe power is then plae in a ie an melte at 185 C uner 4 MPa pressure. After ooling an soliifiation uner pressure, the sample is taen out of the ie. The thermal onutivity of the prepare samples is measure using the Shotherm QTM-D2 thermal onutivity meter woring with a moifie hot wire tehnique in a temperature range from about 0 C to 70 C. ANAHTAR KELİMELER/KEYWORDS Isı iletim atsayısı, Kompozit, Polietilen Thermal onutivity, Composite, Polyethylene. *Douz Eylül Üniversitesi, Müh. Faültesi, Maina Müh. Bölümü, 35100 Bornova, İZMİR.
Sayfa No: 20 D. KUMLUTAŞ, İ. H. TAVMAN 1. GİRİŞ Günümüze polimer malzemelerin yaygın olara ullanılması, onların fizisel ve imyasal özellilerinin belirlenmesiyle ilgili çalışmaların artmasına neen olmuştur. Bu özellilerin belirlenmesinin yanı sıra atı ya a gaz atı maeleri ilave eilere bu özellilerin iyileştirilmesi ile ilgili çalışmalar önem azanmıştır. Şimiye aar yapılan çalışmalara, geliştirilmiş fizisel özellilere sahip polimerleri ele etme amaıyla ço çeşitli atı maeleri ve olgu malzemeleri ullanılmıştır. Literatüre atı ya a gaz atılı polimerlerin ısıl özellilerinin belirlenmesiyle ilgili ço sayıa çalışmalar bulunmataır. Yapılan eneysel ve teori ya a yarı teori çalışmalar sonuuna çeşitli moeller geliştirilmiştir (Progelhof v., 1976). 2. ISI İLETİM KATSAYISININ TESPİT EDİLMESİNDE KULLANILAN AMPİRİK VE DENEYSEL MODELLER Polimer malzemelerin ısı iletim atsayılarını tahmin eebilme için ço sayıa teori ve ampri moeller önerilmiştir. Katı atılı polimerler için türetilmiş olan bu moelleren ço sı ullanılanları şunlarır: 2.1. Seri Moel 1 φ = 1 φ + (1) e e : Kompozit malzemenin ısı iletim atsayısı, : Matris malzemenin ısı iletim atsayısı, : Katı malzemesinin ısı iletim atsayısı, φ : Katı malzemesi haimsel oranı. 2.2. Paralel Moel e = ( 1 φ ). + φ. (2) 2.3. Geometri Ortalama Moel φ ( 1 φ ) e =. (3) 2.4. Cheng ve Vahon Teori Moeli Cheng ve Vahon, atı malzemesinin paraboli ağılıma sahip süresiz bir faz oluğunu abul eiyorlar ve Tsao 'nun olabilirli moeli ile çalışmalarına başlıyorlar. Bu temel üzerine yaptıları çalışmalarla ompozit malzemenin ısı iletim atsayısını veren bir ifae türetiyorlar. Tsao sabitleri eğerlenirilere ii fazlı ompozit malzemelere, atı malzemesinin haimsel oranına bağlı apalı forma bir ifae ele eiyorlar (Cheng ve Vahon, 1970). > Ł 1 2 1 B C 1 B = e C 2 + B + B + ( ) ( ) tan ( ) ( ) [ ] (4)
Fen ve Mühenisli Dergisi Cilt : 5 Sayı : 2 Sayfa No: 21 > Ł 1 1 e B ( + B( ) + C( ) 1 B = ln 2 + (5) C( ) [ + B( ) ] B ( + B( ) C( ) 2 her ii enleme e B ve C aşağıai gibiir: B = 3φ 2 C = 4 2 (3φ ) 2.5. Lewis ve Nielsen Yarı Teori Moeli e = 1+ ABφ 1 Bφψ e eğeri veφ ye ilave olara A, B ve ψ ye bağlı olara tanımlanmıştır: B = 1 + A φ ψ 1- = 1+ 2 φm A ve φ m eğerleri atı malzemesi olara ullanılan partiüllerin şeil ve oryantasyonlarına bağlı olup, çeşitli geometri şeil ve oryantasyonlar için Çizelge 1 ve Çizelge 2'e verilmiştir (Lewis ve Nielsen, 1970; Nielsen, 1970). 2.6. Maxwell Teori Moeli Maxwell, potansiyel teoriyi ullanara rasgele ağılmış homojen ve süreli bir ortamai birbiriyle etileşimi olmayan homojen üreler için bir ifae ele etmişlerir (Maxwell, 1954). e + 2 + 2φ( ) = + 2 + φ( ) m φ (6) (7) Çizelge 1. A eğerleri Katı Malzemesi Şeli Isı Aış Yönü A Küp Her yöne 2.0 Küre Her yöne 1.50 Kümelenmiş üreler Her yöne 3 Gelişigüzel üzenlenmiş çubu Görünüş oranı=2 Her yöne 1.58 Görünüş oranı=4 Her yöne 2.08 Görünüş oranı=6 Her yöne 2.8 Görünüş oranı=10 Her yöne 4.93 Görünüş oranı=15 Her yöne 8.38 Eş esenli fiber Fibere i 2L/D (L:boy, D:çap) Eş esenli fiber Fibere paralel 0.5
Sayfa No: 22 D. KUMLUTAŞ, İ. H. TAVMAN Çizelge 2. φ m eğerleri 2.7. Agari ve Uno Moeli Partiülün Şeli Paetleme Tipi φ m Küre Hesagonal 0.7405 Küre Yüzey merezli übi 0.7405 Küre Haim merezli übi 0.60 Küre Basit übi 0.524 Küre Gelişigüzel 0.637 Çubu ya a fiber Eşesenli hesagonal 0.907 Çubu ya a fiber Eşesenli basit übi 0.785 Çubu ya a fiber Eşesenli gelişigüzel 0.82 Çubu ya a fiber Üç boyutlu gelişigüzel 0.52 Seri ve paralel moellerin genelleştirilmesiyle yeni bir moel ele eilmiştir. log e = φ C2 log + (1 φ) log (C1 ) (8) C 1 ve C 2 sabitleri polimerin insine ve atı malzemesinin türüne bağlı olara Çizelge 3'e verilmiştir (Agari ve Uno, 1986). Çizelge 3. C 1 ve C 2 sabitleri 3. DENEYSEL ÇALIŞMA 3.1. Numunelerin Hazırlanması Matris Malzeme Katı Malzemesi C 1 C 2 Polietilen Grafit 0.898 0.882 Polietilen Baır 1.073 0.888 Polietilen Al 2 O 3 0.859 0.902 PA Grafit 1.017 0.922 PS Grafit 1.024 0.892 Deneysel çalışmalara matris malzeme için önemli polimerler arasına yer alan yüse yoğunlulu polietilen, osiasyona muavemetli oluğunan terih eilmiştir. Yüse yoğunlulu polietilen, moleülleri allanmamış bir görünüme sahip olan ve erime sıalığı 137 C ve ısı iletim atsayısı 0.543 W/mK olan bir malzemeir. Bu polietilene ait özelliler Çizelge 4'e verilmiştir. Polietilenin özellileri atı maeleri ile iyileştirilebilmeteir. Polietilen ambalaj sanayiine, çeşitli malzemelerin salanması, orunması amaıyla, alıplanmış eşya sanayiine ve eletrisel yalıtıı olara ullanılmataır. Katı malzemesi olara partiül boyutu 40-60 miron ve ısı iletim atsayısı 31 W/mK olan Al 2 O 3 ullanılmıştır. Numuneler ısı iletim atsayısını ölçen ihazın probuna uygun olara 100 mm uzunluğuna, 50 mm genişliğine ve 17 mm alınlığına, sıalı altına alıplayara sııştırma işlemiyle hazırlanmıştır. Karışımın homojen olabilmesi amaıyla 2-3 mm boyutlarınai granül halinei yüse yoğunlulu polietilen, öğütülme suretiyle toz haline getirilmiştir. Yüse yoğunlulu polietilen ve %30'a aar eğişi haimsel
Fen ve Mühenisli Dergisi Cilt : 5 Sayı : 2 Sayfa No: 23 onsantrasyonlara Alüminyum Osit (Al 2 O 3 ) ullanılara bir arışım ele eilmiştir. Bu toz halinei arışım aha sonra 4 MPa basınç altına, erime sıalığının üzerine 185 C sıalıta alıbın içine eritilere bir sııştırma işlemine tabi tutulmuştur. Karışım, ortam sıalığına soğumaya bıraılara atılaşması sağlanmıştır. Kompozit malzemeyi oluşturan arışım yüzeleri, 0.01 gramı ölçebilen hassas terazie tartılara tespit eilmiştir. 3.2. Ölçme Teniği Çizelge 4. Yüse yoğunlulu polietilenin özellileri Özelliler Yüse Yoğ. Polietilen Erime inesi 0.35 gr/10 aia Yoğunlu 0.964 gr/m 3 Moleül ağırlığı ağılımı 30-45 Amaa gerilme ayanımı 290 g/m 2 Kopmaa gerilme ayanımı 350 g/m 2 Kopmaa uzama > % 500 Esneli moülü 12.000 g/m 2 Sertli (Rowell) 65 Rsale Darbe ayanımı > 35 g.m/m Basıyla ırılmaya ayanım 40 saat Yumuşama notası 128 C Erime notası 134 C Kırılganlı sıalığı < -80 C Hazırlanan numunelerin ısı iletim atsayılarının ölçümü, "Hot Wire" yönteminen yararlanılara geliştirilmiş olan "Shotherm QTM-D2" ihazı ile yapılmıştır. Shotherm QTM- D2 ihazının ölçme yöntemine ısıtıı tel, ısı iletim atsayısı bilinen yalıtan bir malzemeyle, ısı iletim atsayısı ölçülme istenen malzeme arasına yerleştirilir. Bu uruma ısı iletim atsayısı aşağıai formülen hesaplanır: Q ln (t t = F 2 / 1 ) H T2 T1 F, H : ölçme ihazına ait sabitler, Q : ısıtıı tele verilen ısı aısı, t 1, t 2 : ölçüm zamanları (saniye), T 1 : t 1 zamanınai sıalı, : t 2 zamanınai sıalı. T 2 Her stanart QTM probunun farlı F ve H sabitleri varır. Bu sabitler biliniğine yuarıai formülen ısı iletim atsayısı ihaz içinei bir miroompüter ile hesaplanır. 60 saniye içine malzemenin belli bir sıalı eğeri için ısı iletim atsayısı ijital olara erana verilir. Bu ihazın en önemli avantajlarınan birisi, ölçüm esnasınai ısı ayıplarının, ölçümün ısa süree yapılmasınan olayı ço az mitara olmasıır. Cihaz 0.020-1.0 W/mK aralığına ısı iletim atsayısını ±%5 hassasiyet ile ölçebilmeteir. Ölçümlerin terarlanabilirliği ise imalatçı firma tarafınan ±%2 olara verilmeteir. Yapılan (9)
Sayfa No: 24 D. KUMLUTAŞ, İ. H. TAVMAN ölçümlere hazırlanan numunenin her ii yüzeyinen alınan beşer aet ölçüm eğerinin ortalaması numunenin ısı iletim atsayısı olara alınmıştır. 4. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA Yapılan eneysel çalışmalaran ve Maxwell, Cheng ve Vahon, Lewis ve Nielsen (A=3, φ=0.637), Lewis ve Nielsen (A=1.5, φ=0.637) ve Agari ve Uno moellerinen ele eilen sonuçlar Şeil 1'e gösterilmiştir (Maxwell, 1954; Cheng ve Vahon, 1970; Lewis ve Nielsen, 1970; Agari ve Uno, 1986). Şeile görülüğü gibi Maxwell, Lewis ve Nielsen (A=1.5, φ=0.637) ve Agari ve Uno moelleri eney sonuçlarına yaın eğerler vermeteir. Agari ve Uno moeline zaten mevut eney sonuçları ullanılığı için yaın eğerler vermesi gayet oğalır (Agari ve Uno, 1986). 1,75 Deneysel Cheng&Vahon Lewis&Nielsen Maxwell Lewis&Nielsen Agari&Uno 1,5 1,25 (W/mK) 1 0,75 0,5 (A=1.5, φ 0 5 10 15 20 25 30 m =0.637) 35 % Alüminyum osit, Haimsel (A=3, φ m =0.637) Şeil 1. Alüminyum Osit Katılı Yüse Yoğunlulu Polietilen Kompozit Malzemesinin Deney ve Moelleren Ele Eilen Isı İletim Katsayısı Değerleri
Fen ve Mühenisli Dergisi Cilt : 5 Sayı : 2 Sayfa No: 25 KAYNAKLAR Agari Y., Uno T. (1986): Estimation on Thermal Conutivities of Fille Polymers, J. Appl. Polym. Com. Si., V.32, p.5705-5712. Cheng S.C., Vahon R.I. (1970): A Tehnique for Preiting the Thermal Conutivity of Suspensions, Emulsions, an Porous Materials, Int. J. Heat an Mass Transfer, V.13, p.537. Lewis T., Nielsen, L. (1970): Dynami Mehanial Properties of Partiulate Fille Polymers, J. Appl. Polym. Si., V.14, p.1449. Maxwell J.C. (1954): A Treatise on Eletriity an Magnetism, Dover, 3r E., New Yor, Ch.9. Nielsen L. (1970): Generalize Equation for the Elasti Mouli of Composite Materials, J. Appl. Phys., V.41, p.4626. Progelhof R.C., Throne J.L., Ruethr R. (1976): Methos for Preiting the Thermal Conutivity of Composite Systems:A Review, Polymer Engineering an Siene, V.16, p.9.