DERSİN KODU ADI-AKTS-KREDİ KİM 432 -Kauçuk Kimyası- 4-3 Hafta 1 2 DERSİN PLANI VE İÇERİĞİ Giriş : Polimer Kimyasındaki Temel Kavramlar, Polimerlerin sınıflandırılması ve genel özellikleri 3 Kauçuğun Tarihçesi; Kauçuk Kavramı ve Plastiklerden ayrılan özellikleri 4 5 6 7 8 9 Kauçuk Yapısı ve Özellikleri, Kauçukların Sınıflandırılması Sentetik Kauçuklar; Sanayide kullanılan sentetik kauçukların ayrıntılı yapılarının ve özelliklerinin incelenmesi Kauçuklara Katılan Katkı Maddeleri; Kauçuk Üretim Yöntemleri 10 11 Kauçuklara Uygulanan Testler ve Test Yöntemlerinin İncelenmesi 12 Kauçuk Ürünler ve Kullanım Alanları, 13 14 Geri Kazanım Yöntemleri ve Kauçuk Ürünlerin Geri Kazanımı
1 2 Giriş : Polimer kimyasındaki temel kavramlar, Polimerlerin sınıflandırılması ve genel özellikleri POLİMERLER Polimer, küçük moleküllerin kovalent bağlarla bağlanmasıyla oluşan yüksek mol kütleli moleküllerdir. Plastikler, polimer zincirinin kimyasal yapısı ve fiziksel özelliklerine göre çok çeşitli özellikler gösterebilen büyük bir polimer grubunu kapsar. Plastiklerin mekanik davranışları elastomerler ile elyaflar arasında yer almakla birlikte aynı termoplastik grubunda yer alıp da sert ve yumuşak plastik olarak ayrılan plastiklerin mekanik davranışları da doğal olarak birbirinden oldukça farklıdır. Polimerlerin Genel Sınıflandırılması Termoplastik Termosetting Elastomer, Elastomerler Elastomerler (kauçuklar), üzerlerine uygulanan yük etkisi ile yüksek oranda uzayabilen ve vurma dayanımları iyi olan polimer sınıfırdır. Bu sınıf içinde yer alan kauçuklar, kalıcı deformasyona uğramadan boylarının 5-10 katına kadar uzayabilen polimerlerdir. termoplastikler ile kauçuklar Young modülü açısından karşılaştırıldığında termoplastikler kauçuklardan yaklaşık 1000 kat büyüktür.
3 Kauçuğun tarihçesi; Kauçuk kavramı ve plastiklerden ayrılan özellikleri Kauçuğun Tarihçesi Kauçuk hakkında Avrupa ya ilk bilgileri Kristof Kolomb un getirdiği tahmin edilmektedir. Kolomb, Amerika kıtasına yaptığı ikinci seyahatinde Haiti adasındaki yerlilerin ağaç sakızı dan yapılmış bir topla oyun oynadıklarını ve giysiler yaptıkları bilgisini aktarmıştır. Amerika Yerlileri kauçuk ağacına, ağlayan ağaç anlamında cahucho diyorlardı. Güney ve Orta Amerika da Maya uygarlığından kalan kalıntılarda en az 900 yıllık ham kauçuk topakları bulunmuştur. Kauçuk ağacını ilk tanıtan 1730 da Fresneau olmuştur. 1736 da La Condamine, Güney Amerika dan Paris e kauçuk örnekleri göndermiştir. 1803 de Paris de ilk kauçuk faprikası kurulmuştur. 1839 da ise Charles Goodyear vulkanizasyonu keşfetmiştir. John Boyd Dunlop tarafından ilk havalı bisiklet lastiği de 1888 yılında üretilmiştir. 1909 da Almanya da Bayer laboratubarlarında F. Holman tarafından da ilk sentetik kauçuk üretilerek dünyada ilk patenti alınmıştır. Kauçuk Kauçuk, doğal halinde çapraz bağlı olmayan ancak çapraz bağlanabilme özelliğine sahip polimerlerdir. Esnek, gerildiğinde boyunun birkaç katı kadar uzatılabilen ya da sıkıştırıldığında biçimi değiştirilebilen ve üzerindeki kuvvet kaldırıldığı zaman tekrar başlangıçtaki biçim ve boyutlarını alabilen polimerlerdir. Yüksek sıcaklık uygulandığında deforme edici kuvvetlerin etkisi altında koyu kıvamsı akış özelliği gösterebilirler. Böylece uygun şartlar altında şekillendirilebilirler. Kauçuklar, vulkanizasyon veya çapraz bağlanma öncesi plastik özellik gösterirken sonrasında elastik özellik gösterir. Kauçuğun Plastiklerden Ayrılması Plastik ve elastomerler en kolay mekanik özelliklerinin incelenmesi ile birbirinden ayırt edilebilirler. Bu amaçla uygulanabilecek en basit yöntem polimer örneklerinin kopma noktasına kadar uzamalarını takip etmektir.
4 5 Kauçuk yapısı ve özellikleri, Kauçukların sınıflandırılması Doğal kauçuk Hevea Brasiliensis isimli kauçuk ağacının özsütü olan lateksinden elde edilen maddedir. Ağacın kabuğu hafifçe yarılınca akan bu sütsü madde akarken hemen donduğu halde yumuşaklığını kaybetmez ve buradan elde edilen polimer poli(cis-1,4-izopren) polimeridir [cis-poliizopren veya poli(cis-izopren) de denir]. Poliizoprenin cis- izomeri; yumuşak, amorf yapıdadır. CH 2 C CH CH 2 CH 3 poliizopren [poli(1,4-izopren)] n Lateks, polimer taneciklerinin su içinde dağılmış halidir. Lateks protein, nişasta, alkaloid, şeker, yağ, sakız, tanin, reçine gibi birçok maddenin karışımdan oluşan karmaşık bir sıvıdır. Lateksin yaklaşık % 35 i doğal kauçuktur. %100 doğal doğal kauçuk ürünler de mikroorganizmalar yaşayamaz, sürekli bir havalandırma sağladığından terletme yapmaz. Doğal kauçuktan yapılan ürünlerin kullanımı sırasında hiçbir ses çıkarmadığından rahatsızlık vermez, ömrü çok uzundur. Vulkanizasyon Doğal kauçuk, kauçuk ağacından elde edildiği haliyle mekanik özellikleri yetersiz, yapışkan ve çözünebilen bir polimer olduğu için vulkanizasyon ile kauçuğun kimyasal yapısında çapraz bağlanmalar oluşturularak geri dönüşümsüz olarak elastik özelliklere sahip duruma getirilmesi işlemine vulkanizasyon denir.
6 7 Sentetik Kauçuklar; Sanayide kullanılan sentetik kauçukların ayrıntılı yapılarının ve özelliklerinin incelenmesi Sentetik Kauçuklar Zaman içerisinde kimyasal yapıları farklı çok sayıda sentetik elastomer geliştirilerek ticari üretimi yapılmaktadır. Bazı önemli ticari elastomerler aşağıdaki gibidir Akrilat-bütadien kauçuğu (ABR) İzopren kauçuğu (IR) (poliizopren) Bütil kauçuk (IIR) (izobütilen-izopren kopolimeri) Etilen-propilen kauçuğu (EPM) Stiren-bütadien kauçuğu (SBR) Stirenik blok kopolimer (SBS)
8 9 Kauçuklara katılan katkı maddeleri; Kauçuk üretim yöntemleri Kauçuklara Katılan Katkı Maddeleri Vulkanizasyon maddeleri, koruyucu maddeler, dolgu maddeleri, yumuşatıcılar ve proses kolaylaştırıcılar Bir kauçuk ürününün formül reçetesinde kükürt, aktive ediciler yağ asidi, hızlandırıcı, dolgu maddeleri, yumuşatıcı anti-oksidan şeklinde gruplandırmasını yaptığımız maddeler yer almaktadır. kükürt Normal kükürt (S8) ve plastik kükürt (Sp) şeklinde bulunan kükürt kauçuk işlenmesinde vulanizasyon amacıyla kullanılmaktadır. Aktive ediciler Aktive ediciler, hızlandırıcıların etkisini artıran maddelerdir. Çinko oksit ilk aktive edici olarak kullanılan kimyasaldır. Hızlandırıcı-aktive edici çifti, vulkanizasyon zamanını kısaltırken, vulkanizasyon sıcaklığını düşürür. Aşağıda bazı aktive ediciler verilmiştir. çinko oksit (ZnO) mağnezyum oksit (MgO) yağ asitleri (stearik asit, oleik asit vb, kauçuk içerisinde ZnO dağılımını da iyileştirirler) Hızlandırıcılar
Vulkanizasyon işleminde çinko oksit ile birlikte vulkanizasyonu hızlandırıcı etki yapan kimyasllardır. Bu amaçla başlangıçta kullanılan ilk kullanılan anilindir. Anilin sağlığa zararlı etkileri nedeniyle zaman içinde terk edilmiş, yerine merkaptobenzotiyoazol (MBT) hızlandırıcısı kullanılmıştır. Diğer organik hızlandırıcılar arasında, hekzametilen tetramin (HMTA) difenil guanidin (DPG) trifenil guanidin (TPG) merkaptobenzotiyoazol (MBT) ditiyokarbamatlar (SDC) kimyasalları sayılabilir. Dolgu maddeleri Karbon siyahı kauçuklarda en yaygın ve en fazla kullanılan dolgu maddesidir. Yüzey alanı büyük olduğu için tanecikli karbon siyahları takviye açısından en uygunudur, Aktif dolgu maddesi görevi yaparak kauçuğun mekanik özelliklerini geliştirir Karbon siyahı ayrıca; renklendirme (siyah), UV-ışınlarından koruma ve iletkenliği artırmak amacıyla kauçuklar dışında diğer polimerlerde de katkı maddesi olarak kullanılan bir malzemedir. Ayrıca, kauçuklarda maliyeti düşürmek amacıyla alüminyum silikatlar, kalsiyum karbonat, silika, baryum sülfat vb dolgu maddeleri de kullanılmaktadır. Kauçuk Üretim Yöntemleri Kauçuk ürün üretim prosesi, üretilecek ürün türüne bağlı olarak değişmektedir. Her ürün için spesifik bir üretim şekli olmasına rağmen, proses temeli ortak işlemlerden oluşmaktadır. Konsantrasyon metodu, Koagülasyon, Karıştırma, Ekstrüzyon, Kalenderleme Kalıplama
10 11 Kauçuklara uygulanan testler ve test yöntemlerinin incelenmesi Reolojik Kontrol Doğal kauçuklar veya sentetik kauçuklar, karbon siyahı, proses yağları, pişiriciler, hızlandırıcılar, yavaşlatıcılar gibi katkı malzemelerinin karıştırılması ile lastik hamuru olarak hazırlandıktan sonra rheometre denilen cihazlarda lastiğin pişme eğrisi takip edilerek bir çok özelliği kontrol edilebilir.
13 14 Geri kazanım yöntemleri, Kauçuk ürünlerin geri kazanımı Kauçuk üretim prosesinde açığa çıkan başlıca çevresel etkiler, kaçak emisyonlar, katı atıklar ve tehlikeli atıklardır. Dünyada kauçuk ürünlerden en çok kullanılanı ve atık olarak geri döneni araba lastikleridir. Kauçuk ürünlerin oluşumunda, karışıma pek çok kimyasal madde girişi ve pek çok atık da ortaya çıkmaktadır. Öncelikle çözüücü salınımı, kauçuk sanayiinin önemli bir atığını oluşturmaktadır. Genel olarak, aseton, toluen, metil etil keton, 1.1.1 triklor etan ve diklorometanı içeren çözücülerin salınımı olmaktadır. Kauçuk tüketiminin artması ile fiyatların da artışı geri dönüşüm teknolojilerine olan ilgiyi artırmıştır. Kauçuğun geri kazanımı Kullanılmış lastikler depolama sahasında depolandığı zaman çeşitli problemler yaratır. Geri kazanımla, bu çevresel etkiler giderilir. Depolama sahasında bulunan lastikler çeşitli çevresel ve toplum sağlığı ile ilgili problemler oluşturur. Depolama sahasında bertaraf edildiğinde, zehirli gazlar oluşturur. Bu gazlar belirli bir basınç altında patlarlar. Lastik atıklar diğer atıklardan ayrı olarak depolandığı zaman, tehlikeler daha belirgin hale gelir. Bütün lastikler arasında yangın başlamasına neden olabilecek yeterli oksijen bulunur. Yangın olduğunda, lastik yığınları aylarca sürebilecek yanmaya, toksik yağların toprağa ve oradan da yer altı suyuna geçmesine neden olur. Ayrıca, lastik yığınları sivrisinek ve kemirgenler için ideal bir yetişme ortamı sağlar. Eski kauçukların değerlendirilmesi ile enerji tasarrufu ve yağ, kauçuk, çelik, tekstil gibi hammaddelerin korunmasının yanı sıra bertarafı esnasında oluşan çeşitli problemler de önlenir. Fiziksel Yöntemlerle Geri Kazanım Mikrodalga tekniği Ultrasonik yöntem
Kriyojenik öğütme