Plastik Malzeme Plastiklerin Mekanik Davranışları PLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 27 POLYMERLERİN MEKANİK DAVRANIŞLARI PLASTİKLERİN MEKANİK DAVRANIŞLARI * “Mekanik davranış” terimi , plastik malzemeye yük uygulandığında bünyede meydana gelen GERİLME ve ŞEKİL DEĞİŞTİRME” lerin incelenmesini ifade eder. * Plastiklerin mekanik davranışları incelenirken şu hususların göz önüne alınması gereklidir : 1)- Yapı bakımından plastikler AMORF ve KISMİKRİSTALİN halde bulunurlar.Amorf yapıda olanlar Tg : camsı-geçiş sıcaklığına bağlı olarak ; T < Tg ise camsı – katı T> Tg ise Lastik veya sıvı halde olurlar. 2)- Plastiklerde şekil değiştirmeler (?) gerilmelerin(?) yanı sıra sıcaklık(T) ve şekil değiştirme hızı (? * )’na da bağlıdırlar. 3)- Plastikler yük altında “visko-elastik” davranış sergilerler.Sürünme ve gerilim gevşemesi görülür.Bu olaylar ise ;molekül ağırlığı,zincir uzunluğu, zincirlerin lineer,dallı,çapraz bağlantılı,network ağlı oluşuna veya zincirlerin streo düzeni olan (izotaktik,synidiotaktik ve ataktik) oluşuna bağlıdır. Bu yapılara bağlı olarak ; a)- Büyük “yan grup ®” varsa (Tg) yüksektir. b)- Düzenli zincir yapısında olan Lineer, izotaktik, syndiotaktik plastikler kolay kristalin olurlar. c)- Molekül ağırlığı düşük plastikler daha kolay kristalin olurlar. d)- Molekül zincirlerin “dönme hareketi” onların rijit veya esnek olmalarını sağlar.Amorf’ larda Tg nin altında bu hareket durur.Rijit yapıdadır.Üstünde dönme hareketi olduğundan esnektir.Kristalin yapılarda dönme hareketi yoktur,rijittirler.Ergime noktasına yakın zincir dönmesi görülür. PLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 28 AMORF YAPIDAKİ PLASTİKLERİN MEKANİK DAVRANIŞLARI PLASTİKLERDE AMORF YAPI NE DEMEKTİR? AMORF yapı , eriyik halden katı hale geçerken molekül zincirlerden DALLANMIŞ,ÇAPRAZ BAĞLI ve ATAKTİK yapıya sahip olan zincirler birbirine çok yaklaşamazlar ve AMORF bir yapı oluştururlar. (Aşağıdaki şekle bakınız.) * Amorf yapıdaki plastikler zorlandıklarında çekme yönüne doğru yönlenme gösterirler. * Molekül zincirleri arasındaki bağlar yönünden incelendiğinde, zincirlerin uzunluğu boyunca kovalent bağ’lar güçlü, fakat zincirler arası Van der Waals kuvvetleri zayıfsa “amorf yapı” oluşur.Zincirler arası hidrojen bağları ile bağlılık varsa “kısmi kristalin yapı” oluşur. * Amorf yapı daha yumuşak ve tok bir yapıdır.Ergime sıcaklığı çekme mukavemeti ve yoğunluğu daha düşüktür.Kalıp içinde kristalin yapılar kadar kolay akmazlar. Teknolojik olarak işlenmeleri daha kolaydır.PLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 29 GERİLME - UZAMA Amorf Polymer’lerin gerilme-uzama davranışları, metallerinkine benzerdir.Aşağıda üç farklı polymer’in davranışı görülmektedir. A : Gevrek plastik B : Normal plastik C : Elastomer-lastik Normal bir plastiğin GERİLME – UZAMA eğrisinde ; “ E “ : Elastisite modülü - Tıpkı metallerdeki gibi hesaplanır. (? = E * ? ) Süneklilik (% ?) = (?L / L 0 ). 100 – Tıpkı metallerdeki gibidir. Akma mukavemeti ?ak = (F ak /A 0 ) Metallerden farklıdır.Elastik bölgeden hemen sonraki max.nokta akma mukavemetini belirtir. Çekme mukavemeti , ? çek = F kop / A 0 Metallerden farklıdır.Etkiyen yük,akma yükünden düşükte olabilir,yüksekte olabilir.PLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 30 MEKANİK DAVRANIŞLARIN KIYASI POLYMER E ? 10 MPa - 4GPa ? çek = 10 - 100 MPa % ? = % 1000 T g ? ken Gevrek T g ? ken Lastik gibi ? . ? iken lastik gibi METAL E ? 50 - 400 GPa ? çek = 100 MPa - 4 GPa % ? = % 100 < küçük SICAKLIK ETKİSİ SICAKLIK ARTARSA ; 1)- (E) ? azalır 2)- ? Çek ? azalır 3)- % ? ? artarPLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 31 KISMİKRİSTALİN YAPIDAKİ PLASTİKLERİN MEKANİK DAVRANIŞLARI YARI-KRİSTALİN POLYMER’ NE DEMEKTİR? (I) KISMİ KRİSTALİN yapı ; Plastik eriyik halden katı hale geçerken molekül zincirlerden LİNEER,İZOTAKTİK ve SYNDİOTAKTİK yapıya sahip olan zincirler birbirine daha çok yaklaşırlar. Ve “kısmi kristalin” düzen oluştururlar. (Aşağıdaki şekle bakınız. ) Molekül zincirleri arasındaki bağlar yönünden incelendiğinde, zincirlerin uzunluğu boyunca kovalent bağ’lar güçlü, fakat zincirler arası Van der Waals kuvvetleri zayıfsa “amorf yapı” oluşur.Zincirler arası hidrojen bağları ile bağlılık varsa “kısmi kristalin yapı” oluşur. Kristalin yapı daha rijit’tir.Daha yüksek ve keskin ergime sıcaklığına sahiptir.Çekme, sürünme ve ısı mukavemeti yüksektir.Yüksek ergime viskozitesinden dolayı üretim teknolojisi daha zordur. Aşağıdaki resimde kristalin bölgeler , amorf bölgelerden ayrılmış durumdadır. Elastik deformasyonun esası,uygulanan gerilme yönünde zincir moleküllerin uzaması şeklindedir.Bu yapıda (E) ; elastik ve kristalin bölgelerin elastik özellikleri ve bu bölgelerin mikroyapısı ile tanımlanır.PLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 32 KISMİ-KRİSTALİN POLİMERLERİN DEFORMASYONU (II) Böyle kısmi kristalli bir yapı zorlanırsa ; 1. ci şekilde görüldüğü gibi amorf bağ zincirleri uzar 2. ci şekilde görüldüğü gibi çekme eksenine doğru, yani “lamelli kristalin”lerine doğru bir yöneliş olur. 3. cü şekilde görüldüğü gibi kristalin blok segmentleri ayrılır. 4. cü şekilde görüldüğü gibi çekme ekseni boyunca hem kristalin ve hem de amorf bölgeleri zorlanır.PLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 33 YARI-KRİSTALİN POLYMERLERİN PLASTİK DEFORMASYONU (III) Kısmi kristalli plastiklerin çekme eğrisinin sadece elastik bölgesi sünek metalinkine benzer.Uygulanan gerilme artınca plastik malzemenin yapısında yapı değişikliği “Yeniden kristalleşme” olur. ? = ? krt olduğunda “boğum” başlar.Zincirler sıraya dizilirken mukavemet kazanırlar.Boğum bölgesinde lokal mukavemet artar.Boğum , aynı zamanda numune boyunca yayılır ve uzar. Sünek metallerden farklı olarak, bu olayda “deformasyon” ilk boğum bölgesinde sınırlı olarak kalıyor. Yük altında şekil değiştirme % 1000 ‘e varabilir. PLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 34 MEKANİK ÖZELLİKLERİ ETKİLİYEN FAKTÖRLER (I) 1)- Sıcaklık ve strain( deformasyon) hızı etkili olur : ** Şayet sıcaklık ( T 0 ) artarsa ; (E) ? azalır 2)- ? Çek ? azalır 3)- % ? ? artar ** Şayet def. Hızı ( ?’ ) artarsa ; ? Çek ? artar , % ? ? azalır 2)- Zincir karışıklığı, güçlü moleküllerarası bağlanma ; Van der waals, ve çapraz bağlanmalar “mukavemet”i artırır. 3)- Çekme ; Metallerde pekleşmenin benzeri,polymer’lerde”Boğum uzaması” na karşılık gelmektedir.Fiber ve film’lerin üretiminde kullanılır.Molekül zincirleri hayli yüksek oranda yönelmiş durumdadır.- Yani çekilen malzemenin özellikleri anisotropik’tir.Yöne bağlıdır.-Aynı hizadaki zincirlerin yönüne dik olan taraftaki mukavemet azalır. 4)- Isıl işlem ;Isıl işlem sonucu “kristalinlik boyutunda” ve “dizilme’lerde değişmeler olur. Bu da; Çekilmemiş malzemede : Tavlama sıcaklığı artarsa , “E” de artma olur. ? ak ve ? çek de artma olur. % ? da azalma olur. Halbuki bu değişmeler metallerde tam zıttı’dır. Çekilmiş malzemede : Tavlama sıcaklığı artarsa , rekristalizasyon ve zincir yönlenmesi kaybı sebebiyle tam zıt değişmeler söz konusudur. 5)- Molekül ağırlığı’nın etkisi : Molekül ağırlığı fazla ise polymer’in çekme mukavemeti ? çek artar. 6)- “Kristalin’lik derecesi” artarsa, daha güçlü ikincil bağlanma,daha güçlü polymer fakat gevrek bir polymer malzeme yorumları yapılır. Kristalinlik ve molekül ağırlığı ilişkisiPLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 35 “KRİSTALİNLİK” “CAMSI-DÖNÜŞÜM” “ERİME” “KRİSTALİNLİK”, - (I) Kristalleşme : Plastiklerin molekül zincirlerinin birbirlerine göre tertiplenmeleri ya “amorf” yada “kristalin” şeklindedir.Polymerlerde kristalinlik önce çekirdekleşme olarak doğar,büyür sonra sıra sıra paralel zincir haline gelir.Kristalleşme hızı,tıpkı metallerdeki –S- eğrilerinde olduğu gibi, polymerlerdeki -S-eğrilerinden de bulunabilir (bak aşağıdaki şekil). Çekirdekleşme yüksek sıcaklıklarda daha yavaş oluşur. “CAMSI-DÖNÜŞÜM SICAKLIĞI NE DEMEKTİR ?”, (II) “CAMSI DÖNÜŞÜM SICAKLIĞI” : Plastikler ısıtıldıkları zaman, sıcaklığın artması ile molekül zincirlerinin dönme hareketi hızlanır,bağ kuvvetleri zayıflar.Tersine soğumaya başladığında dönme hareketi yavaşlar, belli sıcaklıkta durur. Sadece atomların kendi etrafındaki “TİTREŞİM HAREKETİ” kalır Bu sıcaklığa “CAMSI DÖNÜŞÜM SICAKLIĞI” (Tg) denir. “Camsı dönüşüm sıcaklığı - Tg”, ergime sıcaklığının 0,5 ila 0,8 katı arasında değişir.PLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 36 Ve (Tg ) ile ifade edilir.Polymer bu camsı dönüşüm noktasının hemen altında rijit- katı hale dönüşür.Bu noktanın üzerinde ise, henüz bozuk sıvı molekül yapısını muhafaza etmektedir. Bilindiği gibi plastiğin ergimesi halinde ÖZGÜL HACİM,ÖZGÜL ISI ve ISIL GENLEŞME gibi özellikleri aniden değişir. Yandaki eğride ; (A) : Tam amorf bir yapı, Tg’nin altında rijit, Tg ile Tm arası yumuşak Tm üzeri sıvı. (B) : Kısmi kristalli yapı, (C): Tam kristalin yapı. “ERİME” - (I) Plastiğin Erime sıcaklığı ( Tm) , ısıtma hızı ile, malzemenin geçmişindeki durumu ile özellikle de kristalleşme sıcaklığına bağlı olarak artar. Erime ; Zincirin kendi içindeki kovalent bağ’ın kırılması anlamına gelir.Bu yüzden camsı (Tg ) ve erime sıcaklıkları (Tm) : * Katı (tek veya çift bağlı) – rijit zincirler , daha yüksek ergime sıcaklığına sahiptirler.PLASTİK MALZEMELER Prof.Dr.İrfan AY 37 * Moleküldeki (BOYUT/AĞIRLIK) oranı ve molekül ağırlığının artışı, erime sıcaklığını artırır. * Molekül boyutu,yan grupların şekli,yan dallar,çapraz bağlanma, kusurlar, camsı(Tg) ve ergime (Tm) sıcaklıklarını değiştirirler. Esas olarak aynı molekül özellikleri hem “erime” hem de “camsı dönüşüm sıcaklık”larını artırır ve de düşürür. “ERİME” - (II) Molekül ağırlığına bağlı polymer özelliklerinin “camsı dönüşüm” ve “ergime sıcaklık”ları ile ilişkisi.