Polimerlerin mekanik elektriksel ısıl optik ve kimyasal özellikleri

1

POLİMER MALZEMELER2008-2009 BAHAR YARIYILI

Polimerlerin Mekanik, Elektriksel, Isıl, Optik

ve Kimyasal Özellikleri

06.04.2009 / 20.04.2009

2

Polimerlerin Mekanik Özellikleri :

Genel olarak polimerlerin mekanik özellikleri denilince, dış kuvvetlerin etkisi ile ortaya çıkan, uzama, akma, kopma gibi deformasyonlar anlaşılır.

Polimerik malzemelerin en önemli özelliği bu deformasyonların sıcaklık ve zamana bağımlılığıdır.

Dört ana değişken :KUVVET – DEFORMASYON – SICAKLIK - ZAMANarasındaki ilişkiler son derece karmaşıktır. Bu bölümde, polimerlerin mekanik özelliklerinin tanımlanması için bu 4 ana değişken arasındaki ilişkiler basitleştirilmiş olarak verilecektir.

3

Viskoelastisite :

ELASTİK DEFORMASYON :Bir malzemeye bir dış kuvvet uygulandığında malzeme şekil ve boyut değiştirerek cevap verir.

Eğer uygulanan kuvvet kaldırıldığında, malzeme ilk haline dönüyorsa bu deformasyon “ideal elastik deformasyon”olarak tanımlanır.

Bu deformasyon, moleküler düzeyde, bir molekülün atomları arasındaki bağların gerilmesi ve bağ açılarınındeğişmesi sonucu görülen bir deformasyondur.

4

Viskoelastisite (devamı) :

Bir malzemenin ;geometrik durumundaki değişme ► GERİNİMmalzeme içinde dış kuvvetleri dengelemek için oluşan tepki ► GERİLİM

olarak adlandırılır.

İzotropik malzemelerde, uygulanan kuvvetin türüne göre, 3 değişik gerinim oluşabilir :

a) Basit çekmeb) Basit kaymac) Eşdeğer sıkıştırma

5


a) BASİT ÇEKME / BASMA :Malzeme tek yönde çekilince boyu uzar. Uzama veya gerinim (ε) ile çekme gerilimi (σ) arasındaki ilişki :

σ = Eε

Basit Çekme Basit Basma

Gerinim (ε)G

erili

m, σ

eğim = E

6


a) BASİT ÇEKME / BASMA (devamı) :Bu eşitlikte,σ= F/Ao (F=uygulanan kuvvet , Ao=orijinal kesit alanı)ε= ΔL / Lo (ΔL=boyutsal değişim, Lo=orijinal uzunluk)E=Çekme modülü (Elastik modül, Young modülü) Basit çekme sırasında malzemenin boyu uzarken eni daralır. Daralmanın uzamaya oranı, ν, “Poissonoranı” olarak bilinir. Bu oran birçok polimer için 0.4-0.5 civarındadır.

7


a) BASİT ÇEKME / BASMA (devamı) :

POISSON Oranı :

8


b) BASİT KAYMA :Malzemenin hacmı sabit kalır. Uygulanan gerilim (τ) ile kayma ortaya çıkar. Kayma gerilimi (τ), kayma açısının (θ) tanjantı ile orantılıdır. Eğer kayma az ise açının tanjantı yaklaşık kendisine eşittir ve aşağıdaki ilişki geçerli olur :

τ = Gθ

9


b) BASİT KAYMA (devamı) :Bu eşitlikte ;G=Kayma modülü, olarak tanımlanır.Kayma modülü ile çekme modülü arasındaki ilişki ;

1 + ν ≈ E / 2G

11


EŞDEĞER SIKIŞTIRMA :Sıkıştırmaya neden olan gerilim basınçtır (P) ve malzemenin şekli aynı kalırken hacmı (V) küçülür. Bu ilişki aşağıdaki eşitlik ile ifade edilir.

P = B(ΔV/Vo)Burada,B=Blok modülüΔV=hacım değişimiVo=orijinal hacım

12


Elastik deformasyon bir yay örneğinde kolayca anlaşılır.Uzunluğu, Lo olan bir yaya ağırlık asıldığı zaman (gerilim uygulanınca), boyu uzar ve L1’e ulaşır.Gerilim kaldırıldığı zaman, uzama-zaman grafiğinde görüldüğü gibi hızla orijinal boyuna döner.Bu ideal elastik davranış HOOK kanunu ile şöyle ifade edilir,

GERİLİM = sabit x GERİNİMUygulanan gerilim çekme şeklinde olduğu için buradaki sabit, çekme (Young) modülüne karşılık gelir.

13


Lo

zaman

uzam

a

Lo

L1

İDEAL ELASTİK (tersinir) DEFORMASYON

14


VİSKOZ (tersinmez) DEFORMASYON :Viskoz deformasyon akış halini ifade eder.Burada, uygulanan kuvvetin etkisi ile, yapıdaki moleküller birbiri üzerinden kayarak tersinmez olarak yer değiştirir ve akarlar.İdeal viskoz deformasyon, NEWTON’un 1.kanunu ile ifade edilir :

KAYMA GERİLİMİ = sabit x KAYMA HIZI

τ = η(dε/dt)

15


VİSKOZ DEFORMASYON (devamı) :Bu eşitlikte orantı katsayısı (sabit), akışa direnci yani akmazlığı gösteren viskozite’dir (η).Malzemelerde kayma gerilimi sonucu ortaya çıkan ideal viskoz deformasyonu temsil etmek üzere yağ kutusuörneği incelenebilir.Orijinal uzunluğu Lo olan yağ kutusuna sabit bir gerilim uygulandığında uzunluk yavaş yavaş artar ve L1değerine ulaşır. Gerilimin kaldırılması ile uzama geri dönmez ve malzeme son ulaştığı boyda kalır.

16


Lo

zaman

Lo

L1

uzam

a

İDEAL VİSKOZ (tersinmez) DEFORMASYON

17


VİSKOELASTİK DEFORMASYON :Polimer malzemelerde ortaya çıkan deformasyon, bu iki uç deformasyonun (ideal elastik ve ideal viskoz) arasında bir yerde, bunların karışımı şeklindedir, bu nedenle “viskoelastik deformasyon” adını alır.

Polimerlerin viskoelastik davranışlarını matematiksel olarak ifade etmek üzere çeşitli modeller ileri sürülmüştür. Bu modellerin temsili için, yukarıda tanımlanan yay ve yağ kutusu, değişik sayı ve düzenlemelerle bir araya getirilir.

18


KELVIN MODELİ :

ε = εyay = εyağσ = σyay + σyağ

Genel formül :

σ = Eε + ηε

19


MAXWELL MODELİ :

ε = εyay + εyağσ= σyay = σyağ

Genel formül :

σ = Eε = ηε

20


Polimer malzemelerin viskoelastik davranışını temsil eden bir örnek model, Kelvin ve Maxwell modellerinin bir bileşimi olarak aşağıda verilmiştir.

Modelin cevabı, zamana karşı gerinimin değişmesi ile belirtilir.

Bu model eğrisi, plastiklerde sabit gerilimde yapılan tipik bir sürünme testi sonucu elde edilen zamana karşıuzama eğrilerini oldukça iyi bir yaklaşımla temsil etmektedir.

21


E1

E2

η1

η2

a) Gerilimin uygulanması ileönce E1 modülüne sahipyay uzayıp son halini alır.b) 1 ve 2 no’lu yağ kutuları ve 2 no’lu yayın ortak hareketisonucu uzama görülür.c) Gerilim kaldırılınca, 1 no’luyay orijinal haline döner, 1 no’lu yağ kutusu olduğu gibikalır.d) 2 no’lu yay etkisiyle 2 no’luyay ve 2 no’lu yağ kutusu birlikte geri döner.

22

Gerilim-Gerinim Eğrileri :

Gerinime veya yüzde uzamaya karşı gerilimin grafiğe geçirilmesi ile elde edilen eğriler, polimerikmalzemelerin mekanik özellikleri hakkında birçok bilgi verir. Aşağıda verilen örnek eğriden elde edilecek bilgiler şöyle özetlenebilir :

E

D

C

B

AGerinim

E2C2

Ger

ilim

23

Gerilim-Gerinim Eğrileri :

Yarı kristalin bir polimer için eğrinin ve test örneğininaşamaları

24

Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :

Eğrinin “AB” Bölgesi (Elastik Deformasyon) :Doğrusaldır ve polimerik malzemelerde elastik deformasyonu temsil eder. AB eğrisinin eğimipolimerik malzemenin sertliğini gösteren Youngmodülünü (E), doğrunun altında kalan alan da, polimerik malzemenin kalıcı deformasyona uğramadan (boyut değiştirmeden) sönümleyebileceği enerji miktarını (resilians) verir.

25


Eğrinin “BC” Bölgesi (Viskoelastik Deformasyon) :Bu bölgede viskoelastik deformasyon görülmektedir. Malzemede az da olsa kalıcı deformasyon (sürünme) olmuştur. “C” noktasına “akma verimi” denir. C noktasından gerilim ekseninde okunan değer (C2) polimerik malzemenin önemli bir kalıcı deformasyon olmadan taşıyacağı yük miktarını belirler. C noktasından gerinim ekseninde okunan değer (C1) ise “akma veriminde uzama” miktarını verir. Yani polimerikmalzemede önemli bir kalıcı deformasyon olmadan uzayabileceği değeri verir. Bu değer elastik sınırıbelirler.

26

Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :Eğrinin “CD” Bölgesi (Viskoz Deformasyon) :Bu bölgede uygulanan gerilim değişmeden malzeme önemli oranda uzar. Bu olaya “plastik akma” denir. Bu bölgede, polimer zincirleri grift halden ayrılırlar, birbirleri üzerinden kayarlar ve şiddetli viskoz deformasyonolur. Plastik akma, plastik malzemelerde gözlenen bir deformasyondur. Fiberler ve elastomerlerde akma veriminde, akma olmaksızın kopma gözlenir. Genelde, yarı kristalin polimerlerde Tg’nin üzerinde ve amorf polimerlerde Tg’nin altında yapılan çekme deneylerinde, plastik akma başlamadan önce boyun oluşumu gözlenir. Boyun oluşumu, eğride, akma noktasıcivarında (C noktası) bir tepe noktası ile kendini belli eder.

27


A-FiberB-PlastikC-Elastomer

28


Eğrinin “DE” Bölgesi :Gerilimde önemli bir artış gözlenir. Bu artış polimer zincirlerinin yapıda aşırı yönlenmesi sonucu sertliğin artmasını ifade eder. E noktasında kopma gözlenir. E noktasından gerinim ekseninde okunan değer (E1) “kopmada uzama” olarak adlandırılır. E1 ne kadar büyükse malzeme o kadar dayanıklıdır. E noktasından gerilim noktasında okunan değer (E2) “kopma gerilimi”olarak adlandırılır. E2 değeri malzemenin kopmadan taşıyabileceği yükü gösterir.

29


ABCDE eğrisi altında kalan alan :Malzemenin sağlamlığının (kırılmazlığının) bir ölçüsüdür (tokluk). Bu değer ne kadar küçükse malzeme o kadar kırılgandır.ÖZET :Sert – Yumuşak : AB doğrusunun eğimi ile, Zayıf – Dayanıklı : Kopmada uzama değeri ile,Sağlam- Kırılgan : ABCDE eğrisi altındaki alan ile belirlenir.

30


32

Gerilim-Gerinim Eğrileri – Testler :

Gerilim-gerinim eğrilerinin saptanması için standart çekme testleri vardır. Bu testlerde standartlara uygun boyut ve biçimde hazırlanan polimerik malzeme örnekleri bir taraftan tutulur, diğer taraftan sabit hızla çekilir.

33

Gerilim-Gerinim Eğrileri – Testler (devamı) :

Çekme hızı ve sıcaklık gerilim-gerinim eğrilerini önemli oranda değiştirir. Aşağıdaki grafikte PMMA örnekleri ile farklı çekme sıcaklıklarında yapılan testlerin sonuçlarıgösterilmiştir.

34

Gerilim-Gerinim Eğrileri – Testler (devamı) :

Şekilde görüldüğü gibi PMMA ;düşük test sıcaklığında ► sert ve kırılganyüksek test sıcaklığında ► yumuşak ve sağlamdavranır.Çekme hızının etkisi de benzer şekildedir, malzeme ;hızlı çekmede ► sert ve kırılganyavaş çekmede ► yumuşak ve sağlamdavranır.

35

Gerilim-Gerinim Eğrileri – Sıcaklığın Etkisi :

Sıcaklığın gerilim-gerinim üzerindeki etkisini ifade etmek için sıcaklığa (T) karşı elastik modül (log E) grafikleri kullanılır. Amorf polistiren için böyle bir eğri örnek olarak verilmiştir. Eğride başlıca 4 bölge vardır ;

1) camsı bölge2) derimsi bölge3) kauçuğumsu ve kauçuğumsu akış bölgesi 4) sıvı hal

37

Gerilim-Gerinim Eğrileri – Sıcaklığın Etkisi :

Amorf polimerlerde Tg’nin altında E değeri daha yüksektir. Tg’nin üzerinde, derimsi bölgede, E’de hızlıdüşüş görülür. Kauçuğumsu bölgede E hemen hemen sabit kalır, sıcaklığın daha da artması ile polimer sıvıhale geçtiğinde E sıfıra düşer.Yüksek kristalinite gösteren polimerlerde, E erime sıcaklığına kadar sabit kalır ve bu sıcaklıkta hızla azalarak sıfır olur.Yarı kristalin polimerlerde, Tg gözlendiği durumlarda, kristalinite oranına bağlı olarak Tg civarında düşme olur, sonra plato değeri gözlenir ve Tm’de E sıfıra düşer.

38

Örnek : PolistirenA) Yarı kristalin, izotaktik ; B) Hafif çapraz bağlı, ataktik ; C) Amorf

39


Gerilim-gerinim testlerinin en önemli dezavantajı, farklıçekme hızı ve farklı çevre koşullarında (sıcaklık, nem) çok değişik sonuçların elde edilmesidir.Bu nedenle, eğriler sunulurken test koşulları kesin olarak verilmelidir.Ayrıca malzemenin son kullanımında bulunacağı ortam koşullarına göre mekanik özellikler tespit edilmelidir.

40

Mekanik özelliklere polimerik yapının etkisi :

Bir çekme testinden elde edilen gerilim-gerinim eğrilerinin tipi ve buradan hesaplanacak mekanik özellikler polimerik yapı ile yakından ilgilidir. Aşağıda bazı yapısal özellikler ve bunların mekanik özellikler üzerindeki etkisi verilmiştir.

1) Molekül ağırlığınının etkisi :Molekül ağırlığının artması ile polimer zincirleri arasındaki çekim kuvvetleri artar. Sonuç olarak elastik modül artar, malzeme sertleşir. Ancak belli bir molekül ağırlığı üzerinde bir plato değere ulaşılır, E daha fazla artmaz.

41

Mekanik özelliklere polimerik yapının etkisi (devamı) :

1) Molekül ağırlığınının etkisi (devamı) :Molekül ağırlığının artması ile, aynı şekilde kopma gerilimi ve kopmada uzama önce artar daha sonra fazla değişmez. Belli bir değerden sonra platoya ulaşılır.Sonuç olarak molekül ağırlığının artması ile malzeme daha sert (E yüksek) ve dayanıklı (kopmada uzama yüksek) olur, ancak belli bir değerin üzerinde mekanik özelliklerde önemli bir değişiklik olmaz.ÖZET :Mol.Ağ. ↑ E ↑ Kopma Gerilimi ↑ Kopmada uzama ↑

42


2) Esnekliğin etkisi :Moleküler esnekliği azaltan tüm etkiler malzemenin sertleşmesine yol açar. ÖZET :Esneklik ↓ Sertlik (E) ↑

3) Polaritenin etkisi :Polarite ve diğer moleküller arası çekim kuvvetlerinin artması moleküler hareketliliği düşürür, malzeme daha sert olur, kopmada uzama azalır.ÖZET :Polarite ↑ Sertlik (E) ↑ Kopmada uzama ↓

43


4) Kristalinitenin etkisi :Kristallik oranının artması ile moleküler hareketlilik azalır. Malzeme sertleşir ancak kopmada uzama düşer.ÖZET :Kristalinite ↑ Sertlik (E) ↑ Kopmada uzama ↓

5) Yönlenmenin etkisi :Yönlenme yönünde elastik modül (dolaysıyla sertlik) artar ve kopmada uzama artar. Yönlenmeye dik yönde malzeme mekanik olarak zayıflar.ÖZET :Yönlenme yönünde ► Sertlik (E) ↑ Kopmada uzama ↑

44


6) Katkı maddelerinin etkisi :Polimerik malzemelerde kullanılan çeşitli katkımaddelerinin mekanik özellikler üzerine çok farklı etkileri vardır ;Örneğin, Tg değerini düşürmek için kullanılan plastikleştiriciler, sıcaklığın etkisinde olduğu gibi, elastik modülü düşürür, yapıyı yumuşatır, kopma gerilimini düşürür buna karşılık kopmada uzamayı artırır.ÖZET :Plastikleştirici ► E ↓ Kopma Gerilimi ↓ Kop. uzama ↑

45


6) Katkı maddelerinin etkisi (devamı) :Stabilizatör, boya gibi diğer katkı maddeleri malzemeyi sertleştirir. Takviye malzemeleri (cam, fiber, mika, silika vb.) sertliği artırır, polimere üstün mekanik özellikler kazandırır.

46

Gevşeme ve Sürünme :

Polimerik malzemelerin mekanik özellikleri zamana bağımlı olarak değişir.Gerilim-gerinim eğrilerinden mekanik özelliklerin zamanla değişimi belirlenemez. Zamana bağlıdavranışın incelenebilmesi için, gevşeme ve sürünmetestleri uygulanır.GEVŞEME TESTİ :Sabit uzamada tutulan polimerik malzemede gerilimin zamanla azalmasını ölçen bir testtir. Ancak deneysel zorluklar ve hata olasılığının fazla olması nedeniyle, pratik yönden çok önemli değildir.

47

Gevşeme ve Sürünme (devamı) :

SÜRÜNME TESTİ :Sabit statik yük altında, polimerik malzemelerde uzun dönemde kalıcı deformasyonları ölçen bir testtir. Sıcaklık ve gerilimin sürünme davranışına etkisi aşağıdaki grafikte gösterilmiştir.

Zaman

Sürü

nme

uzam

ası

48


SÜRÜNME TESTİ (devamı) :Grafikte görüldüğü gibi düşük sıcaklıklarda (veya düşük gerilim değerlerinde) yavaş sürünen ve kopan polimer, yüksek sıcaklıklarda (veya yüksek gerilimdeğerlerinde) hızlı uzar ve kısa sürede kopar.

Sıcaklık ve uygulanan gerilimin yanı sıra polimerik yapı, nem vb. sürünme davranışını etkiler ;

1) Yüksek molekül ağırlıklı, kuvvetli birincil ve ikincil bağların olduğu, çapraz bağlı, yüksek kristallik oranıgösteren yapılarda sürünme az ve yavaştır.

49


SÜRÜNME TESTİ (devamı) :2) Yapıda bulunan plastikleştiriciler sürünmeye yatkınlığı artırır.3) Nem, birçok polimerik malzemeye plastikleştirici gibi etki ettiği için sürünmeye yatkınlığı artırır. Bu yüzden sürünme testlerinde %50 nem civarında çalışılır ve nem yüzdesi sonuçlarla birlikte raporlanır.

50

Yorulma :

Polimerik malzemeler, tekrarlanan işlemlerde, değişen miktar ve sürelerde yük altında kullanılırlar.

Gerilim veya gerinimin tekrarlanan salınımlar halinde değiştiği bu durumlarda, gerilim veya gerinim değerleri kopma değerlerinden çok küçük olsa da, etkinin birikmesi sonucu malzeme deforme olur ve kopar. Bu özellik “yorulma” olarak adlandırılır.

Metallerin yorulma mekanizmaları oldukça iyi anlaşılmıştır ancak polimerlerde çok karışıktır.

51

Yorulma nedenleri :a) σ Simetrik b) σ Asimetrik c) σ Rastgele (random)

52

Yorulma (devamı):

Tüm malzemelerde olduğu gibi, polimer malzemeler de, fabrikasyon işlemler sonucu yapı içinde hatalar içerirler.

Bu malzemeler salınımlar halinde değişen gerilim veya gerinim altında kalınca, mikroskopik hatalar zamanla büyür ve sonunda malzeme yorulur ve kopar.

Bu tür yorulma “çatlak yürümesi” olarak adlandırılır. Metallerde yorulma genellikle bu türdür.

Polimerik malzemelerde, çatlak yürümesi yanı sıra “ısıl yorulma” da önemli bir yorulma şeklidir.

53

Yorulma (devamı):

Polimerik malzemelerdeki bu fark viskoelastikolmalarından kaynaklanır.Bu malzemelere uygulanan gerilim sonucu, viskoz bileşen nedeniyle, mekanik iş ısıya dönüşür.“Histeresiz” olarak bilinen bu olay metallerde düşüktür.Histeresiz sonucunda ortaya çıkan ısı, polimerler ısıyı iyi iletemedikleri için, çevreye iletilmez ve malzemede birikir.Kontrol edilemeyen bu sıcaklık artışı, “ısıl yumuşama” ve dolayısıyla “ısıl yorulmaya” neden olur.Termosetler, termoplastiklere göre yorulma açısından daha dayanıklıdır.

54

Çarpma Direnci :

Polimerik maddelerin, ani bir darbe şeklinde gelen çarpmaya karşı dirençleri önemli bir mekanik özelliktir. Polimerik malzemelerde çarpma ile kırılma iki şekilde görülür :

1) Kırılgan (gevrek) kırılma2) Kırılgan olmayan (sünek) kırılma

Gerinim

Ger

ilim

Gevrek

Sünek

55

Çarpma Direnci (devamı) :

KIRILGAN KIRILMA :Çarpma enerjisini yapı içinde dağıtamayan, yani enerji absorplama kabiliyeti düşük olan polimerlerde görülür. Bu tür kırılmada kırılmış yüzeyler düzgündür, önemli bir deformasyon gözlenmez.Örnek : Tg’nin altındaki sıcaklıklarda amorf polimerler.

KIRILGAN OLMAYAN KIRILMA :Çarpma enerjisini yapı içinde kolayca dağıtan polimerlerde görülür. Kırılmış yüzeylerde önemli oranda deformasyon gözlenir.Örnek : Tg’si oda sıcaklığının çok altında olan polimerler

56

Polimerlerin Elektriksel, Isıl, Optik ve Kimyasal Özellikleri

57

Polimerlerin Elektriksel Özellikleri :

ELEKTRİKSEL İLETKENLİK :

Hemen hemen tüm yüksek molekül ağırlıklı polimerler elektriksel yalıtım özelliğine sahiptirler. Bu özellikleri nedeniyle elektrik ve elektronik endüstrisinde yaygın olarak kullanılırlar.

Polimerik malzemeden elektriğin geçebilmesi için birinci koşul ; yapıda serbest iyonik veya metalik safsızlıkların bulunmasıdır.

58

Polimerlerin Elektriksel Özellikleri (devamı) :

ELEKTRİKSEL İLETKENLİK (devamı) :

Polimer zincirleri veya bu zincirlere bağlı sabit yükler elektrik iletimine katılamazlar.

Bir polimerik malzemeye elektrik alan uygulandığızaman, yapıdaki serbest yüklerin hareket edebilmesi (yani elektriğin iletilebilmesi) için, ikinci koşul ; polimerik yapıda iletim yollarının var olması gerekir.

59


ELEKTRİKSEL İLETKENLİK (devamı)

Serbest yüklerin hareketi için uygun kanallar ;Amorf polimerlerde polimer zincirleri arasındaki boşluklar.Kristalin polimerlerde kristal hataları (düzensizlikler).

Amorf yapı Kristal yapı ve hatalar

60



Düşük elektrik iletkenliğinin nedenleri ;Polimerik zincirlerin sert ve bükülmez olmasıZincirler arası etkileşimlerin kuvvetli olmasıYüksek kristaliniteYüksek çapraz bağ yoğunluğuYönlenme

Sonuç olarak ► Boşluk ↓ Elektrik iletimi ↓

61



Sıcaklığın etkisi ;Sıcaklığın artması ile elektriksel iletkenlik üstel bir şekilde artar. Tg (camsı geçiş sıcaklığı) üzerinde polimerik zincirler önemli bir hareketlilik kazanır.Böylece serbest iyonlar bu yapı içinde çok daha kolaylıkla iletilebilirler (yani kauçuğumsu bölgede elektrik direnci azdır).

Sonuç olarak ► Sıcaklık ↑ Elektrik iletimi ↑

62



Nem etkisi ;Özellikle polar ve gözenekli yapılar önemli oranda su (nem) absorplar. Su, serbest iyonların yapıda çok kolay difüze olmalarını(yayınımını) sağlar.Böylece nem miktarı ile elektrik direnci önemli oranda düşer.

Sonuç olarak ► Nem ↑ Elektrik iletimi ↑

63



Dolgu maddelerinin etkisi ;Polimerik malzemelerin elektrik dirençleri, elektrik iletimine yardımcı olan dolgu maddelerinin ilavesi ile de düşürülebilir. Polimerik malzemelerde statik yüklenme bazı uygulamalarda yangın çıkmasına yol açacak kadar tehlikeli boyutlara ulaşabilir.Bu tür uygulamalarda, elektrik direncinin düşürülmesi için yapıya iletken dolgu maddeleri ilave edilir.

Örnek :Otomobil motorlarında kaplama maddesi olarak kullanılan silikon kauçuğunun elektrik direncini düşürmek ve yangın tehlikesini önlemek için yapıya karbon karası ilave edilir.

64


YÜZEY İLETKENLİĞİ :

Elektrik iletimi sadece polimer malzemenin hacmı içinden olmaz.Özellikle yüksek nemlilikte, polimerik malzemenin hacım iletkenliği düşük olsa da, yüzey iletkenliği önem kazanır.Malzemenin yüzeyi temiz, düzgün ve kuru ise yüzey iletkenliği çok düşüktür.Malzemenin yüzeyi kullanım sırasında kolaylıkla kirlenir ve özellikle yapı polar ise yüzeyde su absorpsiyonu olur, bu su havadaki iletkenleri çözerek yüzey direncinin hızla düşmesine yol açar.Yüzey iletkenliğinin düşürülmesi için yüzey hidrofobikmalzemelerle (çeşitli vakslar, silikonlar vb.) kaplanır.

65

Polimerlerin Isıl Özellikleri :

ISIL İLETKENLİK :

Polimerlerin ısıl iletkenliği çok düşüktür.Özellikle köpük formunda hazırlanmış polimerlerde ısıl iletkenlik çok daha düşük değerlerdedir.Polimerlerin ısıl iletkenliklerinin düşük olması ısıl yorulmaya yol açar.Isıl yorulmanın azaltılması için polimerik malzemelere katkı maddeleri, örneğin aluminyum, bakır vb. metal tozları veya çeşitli fiberler (fiberglas) ilave edilir.

66

Polimerlerin Isıl Özellikleri (devamı) :

ISIL İLETKENLİK (devamı) :

Katkı maddelerinin ilavesi ile polimerik malzemelerin ısıl iletkenlikleri 10 kat veya daha fazla artırılabilir.Örnek :

Malzeme Isıl İletkenlik Katsayısı(cal/cm.s.oC)x10-4

Epoksi 4 - 30

Epoksi (dolgulu) 800 - 2500

67


ISIL İLETKENLİK (devamı) :

Polimerlerin ısıl iletkenliği molekül ağırlığı ve yapısal özellikleri ile yakından ilgilidir ;

(Mol. Ağırlık)½ α Isıl İletkenlik (Mw = 100,000 bölgesinde)Kristalinite ↑ Isıl İletkenlik ↑Yönlenme ↑ Isıl İletkenlik ↑ (yönlenme yönünde)

68


ISIL GENLEŞME :

Polimerik malzemelerin doğrusal genleşme katsayıları, metallere göre, çok daha büyüktür.Polimerlerin ısıl genleşmeleri yapıya inorganik dolgumaddeleri ilave edilerek önemli oranda düşürülebilir.Örnek :

Polistirene %60 fiberglas ilavesiyle ısıl genleşme katsayısıyarıya düşürülebilir.

Polimerlerin yüksek genleşme katsayıları genellikle plastik malzemelerin işlenmesinde önemli bir problemdir.

69


ISIL GENLEŞME (devamı) :

Isıl genleşme polimerlerin Tg ve Tm sıcaklıklarının altında ve üzerinde farklılık gösterir.Yapının ve molekül ağırlığının ısıl genleşmeye etkisi ;

% Kristalinite ↑ Isıl Genleşme Katsayısı ↓Çapraz Bağ Yoğunluğu ↑ Isıl Genleşme Katsayısı ↓Yönlenme ↑ Isıl Genleşme Katsayısı ↓ (yönlenme yönünde)

Molekül Ağırlığı (Mw) ↑ Isıl Genleşme Katsayısı ↓

70


Malzeme Isıl İletkenlik Katsayısı(cal/cm.s.oC)x10-4

Isıl Genleşme Katsayısı(cm/cm.oC)x10-5

METALLER 200 – 10,000 1 – 3 Çelik 1,500 1.2Aluminyum 4,850 2.4POLİMERLER 2 - 8 2 - 20Polietilen 8 17Polistiren 1.6 - 3.7 7Polistiren köpük 0.6 -Polivinilklorür 3 - 4 19Fenolformaldehit 4 - 7 3

71


ISIL DİRENÇ :

Polimerik malzemelerin ısıl dirençleri, emniyetle uzun süre kullanılabilecekleri sıcaklık ile ifade edilir.Birçok polimerik malzeme, özellikle yüksek sıcaklıklarda ısıl olarak yaşlanır, yani fiziksel görünüşünü kaybeder, mekanik dayanıklılığı düşer.Örnek :

Selülozik esterler, eterler, doğrusal vinil polimerler 100oC’nin üzerinde pek kullanılmazlar.

Bunun yanı sıra, silikonlar, naylonlar, son yıllarda geliştirilen birçok polimer yüksek ısıl direnç gösterir.Dolgu maddeleri (cam vb.) ile polimerlerin ısıl dirençleri artırılır.

72

Polimerlerin Optik Özellikleri :

ŞEFFAFLIK ve RENKLENME :

Elektriksel ve ısıl özellikler gibi polimerlerin optik özellikleri de moleküler, atomik, iyonik, elektronik yapılarıile yakından ilgilidir.Polimerik malzemelerin görünür ışık bölgesindeki özelliklerini belirleyen, yapı içindeki elektronların konsantrasyonu ve hareketliliğidir.Işık bir malzemenin üzerine geldiği zaman ;

1) Bir bölümü yüzeyden yansır,2) Bir bölümü yapı içine girer ve genellikle ısı enerjisine dönerek absorplanır,3) Kalan bölümü malzemeden geçer.

73

ŞEFFAFLIK ve RENKLENME (devamı) :

Metal kristalin malzemelerde ;Yüksek elektron yoğunluğu gelen ışığın büyük bir bölümünün yansımasına yol açar. Elektron yoğunluğu ve hareketliliği nedeniyle, yapıya giren ışık elektronlar tarafından absorplanır ve bu da elektron akışına yol açar. Bunun sonucu olarak metalik kristalin malzemelerde yüksek opasite görülür.

Polimerlerde durum metallerden tamamen farklıdır ;Bu yapılarda elektron hareketliliği çok düşüktür.Bu nedenle görünür ışık absorpsiyonu elektronların ancak titreşimine neden olacak kadardır. Elektron akımı oluşmaz ve bu nedenle polimerlerin çoğu şeffaftır.

Polimerlerin Optik Özellikleri (devamı) :

74



Polimerlerin şeffaf olmaları, görünür bölgede ışık absorpsiyonunun düşük olduğunu ifade eder ve görünür optik özellik olarak şeffaftırlar.Ancak ultraviyole ve infrared bölgesinde absorpsiyongösterebilirler.Polimerler ışığı az da olsa absorpluyorsa ve bu absorpsiyon seçimli ise yapıda renklenme gözlenir.Doymuş alifatik yapılarda ;

Elektronlar kuvvetlice bağlıdır ve bu yapılarda molekülleri uyarmak için yüksek miktarda enerji gerekir.Bu nedenle, bu maddeler ancak UV bölgede absorpsiyonyaparlar, şeffaf ve renksizdirler.

75



Eğer yapıda fazla miktarda, “C=C” , “C=O” , “N=N” , “N=O” gibi doymamış gruplar varsa ;

Elektronlar daha az enerji ile hareketlendirilebilir.Bu nedenle, bu maddeler görünür ışık bölgesinde seçimli absorpsiyon yaparlar ve dolayısıyla renklenme gösterirler.

76


MATLIK ve PARLAKLIK :

Matlık ve parlaklık malzemenin yüzey koşulları ile ilgilidir.Yüzeyi çok düzgün ve homojen olan yapılar matgözükür. Bu malzemelerde yansıyan ışık yüzeyden değil de adeta malzemenin içinden geliyor gibidir. Bu nedenle yüzey görünmez ve mat görüntü elde edilir.Bunun tersine, malzeme yüzeyi pürüzlü ve heterojenise yansıma ışık saçılma şeklinde kendini gösterir. Böylece yüzey görünür ve parlaktır.

77


OPTİK KARARLILIK :

Optik kararlılık polimerik malzemelerin kullanım süresince optik özelliklerindeki değişmeleri ifade eder.Mekanik ve kimyasal özelliklerindeki değişmeler optik özelliklerinde de değişmelere yol açar.Örneğin, çeşitli etkilerle polimerlerin kimyasal yapılarındaki bozunmalar ve değişimler ;

Şeffaflığa veya renk değişikliklerineMatlık veya geçirgenliğin değişmesine

neden olur.Polimer malzemelerin optik yaşlanmaları, pratik uygulamalarda (pencere camı vb.) önemli bir problemdir.

78

Polimerlerin Kimyasal Özellikleri :

Polimerlerik malzemelerin diğer malzemelere, örneğin metallere göre en önemli avantajları arasında kimyasal ataklara çok az duyarlı olmaları gelir.Nem Etkisi :Metaller atmosferik korozyona uğrar. Buna karşılık nemin birçok polimer üzerinde etkisi yoktur (hidrofilikpolimerler hariç).Asitlerin Etkisi :Plastikler, asitler gibi metalleri çok kolay korozyona uğratan kimyasallara dayanıklıdır. Flor içeren polimerler (PTFE vb.) kimyasal olarak son derece inert malzemelerdir.

79

Polimerlerin Kimyasal Özellikleri (devamı) :

Çevre ile Etkileşim :Polimerler kimyasal çevre ile çok farklı mekanizmalarla, değişik hız ve derecelerde etkileşirler. Bu etkileşim ;

Kimyasal reaksiyonSolvatizasyonAbsorpsiyonPlastikleştirmeÇevre ile birlikte gerilim etkisi

şeklinde olabilir.

80


Çevre ile Etkileşim (devamı) :Kimyasal reaksiyonPolimer zinciri üzerindeki aktif grupların çevre ile etkileşmesidir.Kimyasal reaksiyon sonucu zincir kesilmesi ve dolayısıyla molekül ağırlığında düşme gözlenir.Örnek :Zincir üzerindeki esterler ve amidler kolayca hidroliz olur ve kimyasal bozunma ortaya çıkar.

CH3COOC2H5 + H2O ↔ CH3COOH + C2H5OH

etil asetat (ester) asetik asit etanol

81


Çevre ile Etkileşim (devamı) :Kimyasal reaksiyon (devamı)Reaksiyon hızına göre bu etki kısa veya uzun sürede kendini gösterir.Kimyasal reaksiyonla bozunma polimerin mekanik özelliklerindeki değişmeler ölçülerek izlenir.Çekme testleri ► kısa dönemli etkileşimleri belirler.Sürünme testleri ► uzun dönemli etkileşimleri belirler.

82


Çevre ile Etkileşim (devamı) :SolvatizasyonPolimerik malzemeler (eğer çapraz bağlı değillerse) iyi çözücülerle etkileştikleri zaman solvatize olurlar. Daha sonra şişerek boyutları değişir ve sonunda yeteri kadar etkileşirlerse çözünürler.Ancak polimerler çok uzun zincirli moleküller oldukları için, bu çözünme prosesi çok uzun zaman alır.

83


Çevre ile Etkileşim (devamı) :Absorpsiyon, PlastikleştirmeEğer çözücü polimer için iyi bir çözücü değilse, çözücü az da olsa polimerik yapıda absorbe olur ve bir plastikleştiricigibi hareket eder.Örnek :Suyun naylonda absorpsiyonu polimeri çözmez fakat plastikleştirir.Plastikleşen polimerin yapısı yumuşar, Tg’si düşer, setliği, dayanıklılığı, sürünme direnci azalır.

84


Çevre ile Etkileşim (devamı) :Çevre ile birlikte gerilim etkisiBurada kimyasal atak tek başına etkin değildir. Gerilim ve kimyasal çevre birlikte etkilerse bozunma oluşur.Genellikle malzemenin yüzeyinde uygulanan gerilim(bükülme vb.) malzeme yüzeyinde çatlaklar oluşturabilir.Bu çatlaklardan sızan kimyasal ajan etkisini gösterip burada bozunmayı başlatır.

85


Kimyasal Direnç :Kimyasal direncin belirlenebilmesi için genellikle tüm bu etkiler birlikte incelenir.Kimyasal direnç üzerinde sıcaklığın etkisi önemlidir. Artan sıcaklıkla kimyasal direnç düşer. Ayrıca kimyasal ajanın konsantrasyonu da önemlidir.

Polimerlerin mekanik elektriksel ısıl optik ve kimyasal özellikleri

Documents

Transcript of Polimerlerin mekanik elektriksel ısıl optik ve kimyasal özellikleri