KARBON ELYAF TAKVİYELİ POLİAMİT 6 KARMALARIN ISIL VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ N. Gamze Karslı Yılmaz, Ayşe Aytaç, Veli Deniz Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 41380, İzmit Kocaeli ÖZET Bu çalışmada, karbon elyaf takviyeli Poliamit 6 (PA6) karmaları, ekstruzyonla harmanlama ve enjeksiyonla kalıplama yöntemleri kullanılarak hazırlanmıştır. Kullanılan elyaf uzunluğunun ve yükleme miktarının karmaların ısıl, mekanik ve morfolojik özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. Bu amaçla çekme testi, diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), dinamik mekanik analiz (DMA) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) yöntemleri kullanılmıştır. Mekanik test sonuçlarından, artan karbon elyaf miktarıyla çekme dayanımı, çekme modülü ve sertlik değerlerinin arttığı ancak kopma uzaması değerlerinin azaldığı görülmüştür. DSC sonuçları artan karbon elyaf miktarı ve çalışılan elyaf uzunluk aralığında karmaların camsı geçiş sıcaklığı (T g ) ve erime sıcaklığı (T m ) değerlerinin değişmediğini göstermiştir. Bununla birlikte artan karbon elyaf miktarıyla karmaların erime entalpisi (ΔH f ) ve bağıl kristallenme derecesi (Δ χ ) değerlerinin azaldığı gözlenmiştir. DMA ölçümleri ile artan karbon elyaf miktarıyla depo modülü (E ) ve kayıp modülü (E ) değerlerinin arttığı belirlenmiştir Anahtar kelimeler: Karbon Elyaf, Polimer Matrisli Karmalar, Mekanik Özellikler, Isıl Özellikler 1. GİRİŞ Polimer karmaları, yüksek dayanımları ve düşük yoğunlukları nedeniyle plastik endüstrisinde yaygın olarak kullanılan malzemelerdir. Özellikle kısa elyaf takviyeli polimerik karmalar, başta havacılık, uzay ve otomotiv endüstrisi olmak üzere çok geniş bir alanda kullanılmaktadır. PA6, yüksek ısıl kararlılığı ve mekanik özellikleri nedeniyle termoplastik polimerler içinde önemli bir yere sahiptir. Karbon elyaf ise yüksek mekanik, ısıl ve elektriksel özellikleri sebebiyle polimer karmalarda kullanılan önemli takviye malzemelerinden biridir. Bu nedenle, karbon elyaf takviyeli PA6 karmalar önemli bir araştırma konusudur [1-6]. Bu çalışmada karbon elyaf takviyeli PA6 karmaları, ekstruzyonla harmanlamıştır. Test örnekleri enjeksiyonla kalıplama yöntemleriyle hazırlanmış, çalışılan elyaf uzunluklarının ve elyaf yükleme miktarının, karmaların mekanik, ısıl ve morfolojik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. 2. DENEYSEL YÖNTEM Çalışmada kullanılan PA6, Nylem 6 ticari adıyla Emaş Plastik den temin edilmiştir. Takviye malzemesi olarak ise üç farklı uzunlukta (0,6-1,2 ve 1,9 cm), 3600 MPa kopma dayanımında ve 1,76 gr/cm 3 yoğunluğunda karbon elyaf kullanılmıştır. Ağırlıkça % 0, 2, 4, 6, 8 ve 20 karbon elyaf içeren karmalar, laboratuvar tipi, aynı yönde dönen çift vidalı mini ekstruder kullanılarak hazırlanmıştır. Karışımların hazırlanması sırasında kovan sıcaklığı 240 C ve vida hızı 100 rpm olarak belirlenmiştir. Daha sonra hazırlanan karışımlar, laboratuvar tipi enjeksiyonla kalıplama cihazı kullanılarak 30 C kalıp sıcaklığı ve 8 bar enjeksiyon basıncında kalıplanmışlardır. Elde edilen karmalara 5 mm/dk hızında çekme testi uygulanmıştır. Çekme testi
eğrilerinden, çekme dayanımı, çekme modülü ve kopma uzaması değerleri belirlenmiştir. Karmaların sertlik değerleri, Rockwell sertlik testi ile ölçülmüştür. DSC analizi 25 C ile 250 C aralığında ve 10 C/dk ısıtma hızında yapılmıştır. DSC analizi sonucunda karmaların T g, T m ve ΔH f değerleri elde edilmiş ve bağıl kristallenme derecesi değerleri hesaplanmıştır. Çekme testi sonucunda oluşan kırılma yüzeylerinin morfolojisi SEM analizi ile incelenmiştir. Karmaların dinamik mekanik analizi 0,001 N dinamik kuvvet ve 1 Hz frekansta, 30 C ile 150 C arasında, 3 C/dk ısıtma hızında gerçekleştirilmiştir. Analiz sonucunda karmaların depo modülü, kayıp modülü ve kayıp faktörü (tanδ) değerleri ölçülmüştür. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Karbon elyaf ile takviye edilmiş PA6 karmalara uygulanan mekanik testler sonucunda çekme modülü, kopma dayanımı ve kopma uzaması değerleri incelenmiştir. Üretilen karmalarda, elyaf yükleme miktarının ve uzunluğunun çekme modülü üzerindeki etkisi Şekil 1 (a-b) de verilmiştir. Şekil 1 (a-b) incelendiğinde, çekme modülü değerlerinin artan karbon elyaf yükleme miktarıyla arttığı ancak çalışılan elyaf uzunluk aralığında değişmediği görülmektedir. Şekil 1: Karmaların Çekme Modülü (a) Elyaf yükleme miktarının etkisi, (b) Elyaf uzunluğunun etkisi Karmalarda kullanılan elyaf yükleme miktarının ve uzunluğunun, karmaların kopma dayanımı üzerine etkisi Şekil 2 (a-b) de verilmiştir. Şekil 2 (a-b) incelendiğinde, kopma dayanımı değerlerinin artan karbon elyaf yükleme miktarıyla arttığı ancak çalışılan elyaf uzunluk aralığında değişmediği görülmektedir. Şekil 2: Karmaların Kopma Dayanımı (a) Elyaf yükleme miktarının etkisi, (b) Elyaf uzunluğunun etkisi Elyaf yükleme miktarının ve uzunluğunun, karmaların kopma uzaması üzerine etkisi Şekil 3 (ab) de verilmiştir. Şekil 3-(a) incelendiğinde, artan karbon elyaf yükleme miktarıyla kopma uzaması değerlerinin azaldığı görülmektedir. Bu durum literatürde kopma mekanizması olarak açıklanmaktadır. Bu mekanizmaya göre, elyaf sonlarındaki gerilimin yüksek olması sebebiyle 2
karmalara çekme gerilimi uygulandığında ilk çatlaklar bu bölgelerde oluşmaya başlar. Artan gerilimle birlikte bu çatlaklar elyaf-matris ara yüzeyine ya da matrise aktarılırlar, bundan sonra çatlaklar büyüyerek kritik bir seviyeye ulaşır ve elyafın çevresini sararlar. Matrisin artan yükü taşıyamadığı durumdaki en zayıf noktada ise kopma gerçekleşir. Şekil 3-(b) incelendiğinde ise artan elyaf uzunluğuyla kopma uzaması değerlerinin arttığı gözlenmiştir. Bunun sebebi de uzun elyaf kullanıldığında elyaf sonu sayısının azalması olarak açıklanabilir. Şekil 3: Karmaların Kopma Uzaması (a) Elyaf yükleme miktarının etkisi, (b) Elyaf uzunluğunun etkisi Elyaf yükleme miktarının ve uzunluğunun, üretilen karmaların sertlik değerleri üzerine etkisi Şekil 4 (a-b) de verilmiştir. Şekil 4 (a-b) incelendiğinde, sertlik değerlerinin artan karbon elyaf yükleme miktarıyla arttığı ancak çalışılan elyaf uzunluk aralığında değişmediği görülmektedir. Sertlik ölçümü sırasında, baskılayıcı bir kuvvet altında termoplastik matris fazı ve katı haldeki elyaf fazı birlikte sıkıştırılır. Bu şekilde birbirlerine dokunurlar ve bir direnç oluştururlar. Böylece, artan elyaf yüklemesinde, uygulanan yük daha etkin bir şekilde aktarılabilir. Bu da karmaların sertliğinde artış şeklinde sonuçlanır. Şekil 4: Karmaların Rockwell Sertliği (a) Elyaf yükleme miktarının etkisi, (b) Elyaf uzunluğunun etkisi Karmalara uygulanan DSC analizi sonuçları Tablo 1 de verilmiştir. DSC analizi sonuçları incelendiğinde, artan karbon elyaf miktarıyla karmaların T g ve T m değerlerinin değişmediği ancak ΔH f ve Δ χ değerlerinin azaldığı görülmektedir. Elyaf yükleme oranının artması ile elyaf PA6 matris içinde sınırlayıcı gibi davranır ve matrisin kristallenmesini engeller. Böylece bağıl kristallenme derecelerinde azalma gözlenir. 3
Tablo 1: Saf Poliamit 6 ve karmaların DSC analizi sonuçları Şekil 5 (a-b-c) de karbon elyaf takviyeli PA6 matrisli karmaların çekme testi sonucu oluşan kopma yüzeylerinin SEM mikrografları verilmiştir. Bu fotoğraflar incelendiğinde PA6 matrisin belli bölgelerinde, uygulanan yük sonucu kopmadan önce plastik deformasyon oluştuğu görülmektedir. Bunun yanı sıra fotoğraflarda, matristen ayrılan liflerin etrafında siyah halkalar oluştuğu ve liflerin yüzeylerinin temiz olduğu göze çarpmaktadır. Bu siyah halkalar elyaf matristen ayrılırken elyafın çevresini saran matrisin lokal deformasyona uğramasından dolayı oluşmaktadır. Şekil 5: PA6/Karbon elyaf takviyeli karmalarının çekme yüzeylerinin SEM mikrografları, (a) 1.2 cm-4% (x1000), (b) 1.2 cm-6% (x1000), (c) 1.2 cm-8% (x1000) 4
Karbon elyaf takviyeli PA6 matrisli karmaların DMA sonuçları Şekil 6 da verilmiştir. Şekil 4 (ab) incelendiğinde, artan karbon elyaf yükleme miktarıyla karmaların depo modülü ve kayıp modül değerlerinin arttığı görülmektedir. Şekil 4-(c) de karmaların tan delta değerleri verilmiştir. Bilindiği gibi, termoplastik polimerlerde DMA dan elde edilen kayıp modül değerlerinin depo modülü değerlerine oranı tan delta (kayıp faktör) değerini vermektedir. Kayıp faktörün maksimum olduğu sıcaklık ise karmaların camsı geçiş sıcaklığıdır. DMA ile elde edilen T g değerleri DSC ile elde edilenlerle karşılaştırıldığında, DMA ile elde edilen T g değerlerinin frekans faktörüne bağlı olarak, DSC ile elde edilen T g değerlerinden birkaç derece daha fazla olduğu görülmüştür. Şekil 6: PA6/Karbon elyaf takviyeli karmalarının DMA sonuçları (a)depo modülü, (b)kayıp modül, (c)tan delta KAYNAKLAR [1] W.Z. Nie, J. Li, Y.F. Zhang, Tensile properties of surface treated carbon fibre reinforced ABS/PA6 composites, Plastics, Rubber and Composites, 39 (2010), 16-20. [2] S. Molnàr, S. Rosenberger, J. Gulyàs, B. Pukànszky, Structure and impact resistance of short carbon fiber reinforced polyamide 6 composites, Journal of Macromolecular Science Part B- Physics, 38 (1999), 721-735. [3] E.C. Botelho, L. Figiel, M.C. Rezende, B. Lauke, Mechanical behavior of carbon fiber reinforced polyamide composites, Composite science and technology, 63 (2003), 1843-1855. [4] J. Li, C.L. Cai, The carbon fiber surface treatment and addition of PA6 on tensile properties of ABS composites, Current Applied Physics, 11 (2011), 50-54. [5] E.C. Botelho, M.C. Rezende, Monitoring of carbon fiber/polyamide composites processing by rheological and thermal analyses, Polymer-Plastics Technology and Engineering, 45 (2006), 61-69. [6] J. Li, Interfacial studies on the O 3 modified carbon-fiber reinforced polyamide 6 composites, Applied surface science, 255 (2008), 2822-2824. 5