POLİMER ÖZELLİKLERİPOLİMER ÖZELLİKLERİ

*Kauçuksu Elastiklik*Kauçuksu Elastiklik

*Elastikliğin Termodinamiği*Elastikliğin Termodinamiği

*İdeal Kauçuk Elastikliği İçin İstatistik *İdeal Kauçuk Elastikliği İçin İstatistik

HazırlayanHazırlayan

Aziz DİNÇERAziz DİNÇER

İÇİNDEKİLERİÇİNDEKİLER

KAUÇUKSU ELASTİKLİKKAUÇUKSU ELASTİKLİK Giriş Giriş ELASTİKLİĞİN TERMODİNAMİĞİELASTİKLİĞİN TERMODİNAMİĞİ A) Elastiklik çeşitleriA) Elastiklik çeşitleri B) İdeal kauçuklukB) İdeal kauçukluk C) Sabit kuvvet de sıcaklığın etkileriC) Sabit kuvvet de sıcaklığın etkileri D) Sabit uzunluk da sıcaklığın etkileriD) Sabit uzunluk da sıcaklığın etkileri İDEAL KAUÇUK ELASTİKLİĞİ İÇİN İDEAL KAUÇUK ELASTİKLİĞİ İÇİN

İSTATİSTİKİSTATİSTİK

Kauçuksu Elastiklik Kauçuksu Elastiklik Göstermesi İçin Gereken Göstermesi İçin Gereken

Genel Elastomer ÖzelliklerGenel Elastomer Özellikler Gerilim altında hızla çekilebilmeli ve ısı olarak Gerilim altında hızla çekilebilmeli ve ısı olarak

açığa çıkan enerji düşük olmalıaçığa çıkan enerji düşük olmalı Tamamen gerildiğinde yüksek germe kuvveti ve Tamamen gerildiğinde yüksek germe kuvveti ve

yüksek modül(katılık) göstermeliyüksek modül(katılık) göstermeli Süratle geri dönebilmeli yani ‘’ani kapanma’’Süratle geri dönebilmeli yani ‘’ani kapanma’’

veya ‘’geri tepme’’ özelliklerine sahip olmalıdırveya ‘’geri tepme’’ özelliklerine sahip olmalıdır Gerilim kaldırıldığında orijinal boyutlarına tekrar Gerilim kaldırıldığında orijinal boyutlarına tekrar

ulaşabilmeli yani ‘’esnek’’ ve ‘’kararlı’’ulaşabilmeli yani ‘’esnek’’ ve ‘’kararlı’’

özellikleri bir arada içermelidir.özellikleri bir arada içermelidir.

Elastomerlerin Moleküler Elastomerlerin Moleküler GereksinimleriGereksinimleri

Madde bir yüksek polimer olmalıdır.Madde bir yüksek polimer olmalıdır. Zincir parçalarının yerel hareketliliklerin Zincir parçalarının yerel hareketliliklerin

yüksek olması için normal koşullarda yüksek olması için normal koşullarda camsı geçiş sıcaklığının (Tg) düşük camsı geçiş sıcaklığının (Tg) düşük olmalıdır.olmalıdır.

Gerdirilmemiş haldeyken amorf yapıda Gerdirilmemiş haldeyken amorf yapıda olmalıdır.olmalıdır.

Zincirlerin hareketliliği engelleyecek bir Zincirlerin hareketliliği engelleyecek bir çapraz bağlı şebeke (ağı) içermelidir.çapraz bağlı şebeke (ağı) içermelidir.

Doğal kauçuk gerildiği zaman başlangıç modülü Doğal kauçuk gerildiği zaman başlangıç modülü düşüktür.gerilme ile zincirler uygulanan kuvvet doğrultusunda düşüktür.gerilme ile zincirler uygulanan kuvvet doğrultusunda yönlenir ve bir miktar kristallenir.böylece uzamaya karşı yönlenir ve bir miktar kristallenir.böylece uzamaya karşı gittikçe artan bir direnç belirir.gittikçe artan bir direnç belirir.

Oluşan kristalin bölgelerinin T erime noktası gerilme Oluşan kristalin bölgelerinin T erime noktası gerilme kaldırıldığında elastomerin tersinir bir esneklikle başlangıçtaki kaldırıldığında elastomerin tersinir bir esneklikle başlangıçtaki durumuna dönebilmesi için örneğin kullanılan sıcaklığın altında durumuna dönebilmesi için örneğin kullanılan sıcaklığın altında olmalıdır. olmalıdır.

Az miktardaki çapraz bağlar esnekliğin tersinir olmasını sağlar.Az miktardaki çapraz bağlar esnekliğin tersinir olmasını sağlar. Böylece çapraz bağlı bir kauçuğa bir gerilimBöylece çapraz bağlı bir kauçuğa bir gerilim uygulandığında zaman denge oldukça hızlı kurulur.Denge uygulandığında zaman denge oldukça hızlı kurulur.Denge

olduğu andan itibaren kauçuğun özellikleri termodinamik olduğu andan itibaren kauçuğun özellikleri termodinamik tarafından tanımlanabilir.tarafından tanımlanabilir.

Elastiklerin TermodinamiğiElastiklerin Termodinamiği Bir polimerin mekanik özelliklerinin irdelenmesinde Bir polimerin mekanik özelliklerinin irdelenmesinde

basınç sıcaklık gibi sistemin halini tanımlayan basınç sıcaklık gibi sistemin halini tanımlayan değişkenlerin olduğu kadar onun biçimini bozan değişkenlerin olduğu kadar onun biçimini bozan parametrelerin de dikkate alınması gerekir.parametrelerin de dikkate alınması gerekir.

Boyutları aBoyutları a b b c olan bir materyal dikkate alındığında c olan bir materyal dikkate alındığında Termodinamiğin birinci yasasına göreTermodinamiğin birinci yasasına göre

İç enerji değiştiği yerde dQ ve dW (ısı ve işi) sistem ve İç enerji değiştiği yerde dQ ve dW (ısı ve işi) sistem ve çevre arasında değiştirme sistemi diferansiyel çevre arasında değiştirme sistemi diferansiyel değişikliğe uğratır.değişikliğe uğratır.

Bir kauçuk örneği gerdirildiğinde örnek üzerinde iş Bir kauçuk örneği gerdirildiğinde örnek üzerinde iş yapıldığından serbest enerjisi değişir.yapıldığından serbest enerjisi değişir.

Biz 3 çeşit mekanik iş düşünmeliyiz,Biz 3 çeşit mekanik iş düşünmeliyiz,1.1. Geri dönebilme sınırları içinde bir yönde(tek eksenli) Geri dönebilme sınırları içinde bir yönde(tek eksenli)

gerilmeye ait f tarafından yapılan işgerilmeye ait f tarafından yapılan iş dW =-f.dldW =-f.dl f= uygulanan kuvveti(gerilim)f= uygulanan kuvveti(gerilim) dl= başlangıçtaki uzunluktan değişme miktarıdl= başlangıçtaki uzunluktan değişme miktarı

22.Bastırılarak kaydırılan tarafından yapılan iş.Bastırılarak kaydırılan tarafından yapılan iş

33.İzootropik sıkıştırma hacimdeki değişme .İzootropik sıkıştırma hacimdeki değişme ile yapılan işile yapılan iş

Eğer deformasyon oluşumu geri dönüşümlü Eğer deformasyon oluşumu geri dönüşümlü farz edilirse(termodinamik düşünceye göre)farz edilirse(termodinamik düşünceye göre)

Önceki denklemler birleşmesiyle şu genel Önceki denklemler birleşmesiyle şu genel bağıntı elde edilir.bağıntı elde edilir.

**

3 çeşit deformasyon 3 çeşit deformasyon düşünmeliyizdüşünmeliyiz

Sabit hacim ve sıcaklıktaki tek eksenli Sabit hacim ve sıcaklıktaki tek eksenli gerilimde dV=gerilimde dV==0 * Denklemi =0 * Denklemi ƒƒ verecek verecek şekilde çözüldüğündeşekilde çözüldüğünde

1 1 Sabit sıcaklık ve hacimde pure shearda Sabit sıcaklık ve hacimde pure shearda

dV=dV=ƒƒ=0 * Denklemi d=0 * Denklemi d ayrılıp ayrılıp çözüldüğündeçözüldüğünde

22

Sadece sabit sıcaklıkta izootropik Sadece sabit sıcaklıkta izootropik sıkıştırmadasıkıştırmada

33

Elastiklik ÇeşitleriElastiklik Çeşitleri

1 ve 3 nolu denklemler iç enerji ve entropi 1 ve 3 nolu denklemler iç enerji ve entropi değişimlerinin gerilim kuvvetlerine etkisini değişimlerinin gerilim kuvvetlerine etkisini göstermekte.göstermekte.

Polimerler elastiklik enerjisi bakımından Polimerler elastiklik enerjisi bakımından güçlüdürler.güçlüdürler.

Etki edilmemiş durumda molekül şekildeki Etki edilmemiş durumda molekül şekildeki gibi yumak halinde olduğu kabul edilir.gibi yumak halinde olduğu kabul edilir.

Şimdi bir gerilim uyguladığımızda molekül Şimdi bir gerilim uyguladığımızda molekül yan olarak uzama haline geçeryan olarak uzama haline geçer

S= k.lnS= k.lnK=boltzman sabitiK=boltzman sabiti

=Biçimsel olanaklar=Biçimsel olanaklar

Gerilme entropiyi düşürür.Gerilme entropiyi düşürür. Sıcaklığı yükseltmemiz entropiye zıt etki Sıcaklığı yükseltmemiz entropiye zıt etki

yapar yapar Kısacası T arttıkça S artar.Kısacası T arttıkça S artar. Gerilim arttıkça S düşer.Gerilim arttıkça S düşer.

İdeal kauçuklukİdeal kauçukluk İdeal gazlarda intermoleküler İdeal gazlarda intermoleküler

kuvvetler yoktur.(kuvvetler yoktur.(u/u/v)v)T T = 0 ideal = 0 ideal kauçuklar benzerlik göstererek kauçuklar benzerlik göstererek

((u/u/l)l)T.VT.V = ( = (u/u/))T,V T,V = 0= 0

elastiklik sadece entropi elastiklik sadece entropi değişikliğinde etkilenir.değişikliğinde etkilenir.

Bir çok gaz oda sıcaklığı ve Bir çok gaz oda sıcaklığı ve yukarısında veya atmosfer basıncı yukarısında veya atmosfer basıncı ve aşağısında (ve aşağısında (u/u/v)v)TT<T(<T(S/S/l)l)TT

ideal gazlar yasasına güzel yaklaşır.ideal gazlar yasasına güzel yaklaşır. Şekildeki örnekle açıklandığı gibiŞekildeki örnekle açıklandığı gibi ((u/u/v)v)T,VT,V<T(<T(S/S/l)l)T,V T,V koşullardaki koşullardaki

kauçuklar ideal kauçuk gibi kauçuklar ideal kauçuk gibi davranırlar.davranırlar.

Sabit kuvvet de sıcaklığın Sabit kuvvet de sıcaklığın etkisietkisi

Bir kauçuk parçasına bir ağırlık asılıyken sıcaklık değiştiği zaman ne olduğunu Bir kauçuk parçasına bir ağırlık asılıyken sıcaklık değiştiği zaman ne olduğunu düşündüğümüzde sabit bir gerilim kuvveti uygulaması sürdürüldüğünde zaman sabit düşündüğümüzde sabit bir gerilim kuvveti uygulaması sürdürüldüğünde zaman sabit hacim ve basınç varsayıldığında hacim ve basınç varsayıldığında

dU= TdS+fdl olurdU= TdS+fdl olur

Genelde iç enerji sıcaklıkla arttığından kismi türev içinde enerji terimleri Genelde iç enerji sıcaklıkla arttığından kismi türev içinde enerji terimleri pozitifpozitiftir.Bu tir.Bu yüzden boyda sıcaklıkla beraber bir artışa sebep olur.yüzden boyda sıcaklıkla beraber bir artışa sebep olur.

Entropi terimini pozitif yapan bütün faktörlerEntropi terimini pozitif yapan bütün faktörlerbaşındaki (-) den dolayı başındaki (-) den dolayı Sıcaklık artışıyla boylarında kısalma gösterirler.Sıcaklık artışıyla boylarında kısalma gösterirler.

Sabit uzunluk da sıcaklığın Sabit uzunluk da sıcaklığın etkisietkisi

Isıtıldığında sabit boyda bir kuvvet uygulayarak gerildiğinde Isıtıldığında sabit boyda bir kuvvet uygulayarak gerildiğinde Maxwell bağıntısı kullanarakMaxwell bağıntısı kullanarak

((S/S/l)l)T,VT,V = ( = (ƒƒ//l)l)l,Vl,V

Sabit basıç genel deney davranış yaklaşım olarak Sabit basıç genel deney davranış yaklaşım olarak tanımlandığındatanımlandığında

((S/S/l)l)T,V T,V ( (ƒƒ//T)T)P,P,

=Uzama miktarı sbt (l/l=Uzama miktarı sbt (l/l00))

((ƒƒ//l)l)l,V = l,V = ƒƒ/T – 1/T (/T – 1/T (U/U/l)l)T,T,VV ** **Şimdi f ve T her ikisi de pozitif olduğunda Şimdi f ve T her ikisi de pozitif olduğunda ƒƒ sıcaklıkla sıcaklıkla

değişimi artar.değişimi artar. Sıcaklık arttığından yüksek entropi yönüne dağılım olur.Sıcaklık arttığından yüksek entropi yönüne dağılım olur. * denklemin ikinci kısmı * denklemin ikinci kısmı genelde pozitiftir.genelde pozitiftir.

Gerilimler sıcaklıkla artar Gerilimler sıcaklıkla artar ( (ideal kauçuklarideal kauçuklar içiniçin))

İdeal kauçuklar için İdeal kauçuklar için ((U/U/l)l)T,T,V V = 0 ve ** denklem = 0 ve ** denklem

sabit hacimde integrali sabit hacimde integrali alındığındaalındığında

ƒƒ= (sbt).T= (sbt).T Benzer ilişki P ve T için Benzer ilişki P ve T için

sabit hacimde ideal sabit hacimde ideal gazlarda vardır.gazlarda vardır.

Polimerlerin mekanik Polimerlerin mekanik davranışlarıdavranışları

Gerilme gevşeme özellikleri ileGerilme gevşeme özellikleri ile incelenir.incelenir. Bir polimerin gerilme-gevşeme Bir polimerin gerilme-gevşeme

davranışları başlıca 4 nitelikte davranışları başlıca 4 nitelikte incelenir.incelenir.

1.1. Modül örneğin biçimini Modül örneğin biçimini değiştirmeye karşı dirençdeğiştirmeye karşı direnç

2.2. Kopma kuvveti örneğin kopması Kopma kuvveti örneğin kopması için gerekli gerginlikiçin gerekli gerginlik

3.3. Kopma uzamasıKopma uzaması4.4. Esnek uzama tersinir uzama olarak Esnek uzama tersinir uzama olarak

ölçülen esneklik.ölçülen esneklik.

FİBERLERFİBERLER Kristallik derecesinin çok yüksek olmalıKristallik derecesinin çok yüksek olmalı Bir polimerin fiber olarak kullanılabilmesi için;Bir polimerin fiber olarak kullanılabilmesi için; Zincirleri arasında büyük çekim kuvvetleri bulunan polar gruplu Zincirleri arasında büyük çekim kuvvetleri bulunan polar gruplu

moleküllerden oluşmalımoleküllerden oluşmalı Naylon 66 olarak bilinen poli(hekzametilen adipat) tipik bir sentetik Naylon 66 olarak bilinen poli(hekzametilen adipat) tipik bir sentetik

fiber (lif) dir.fiber (lif) dir. Bu polimer gerildiğinde zaman kristallik derecesi çok yüksektir.Bu polimer gerildiğinde zaman kristallik derecesi çok yüksektir. Zincirde bulunan amid grupları hidrojen bağları yaparak çok kuvvetli Zincirde bulunan amid grupları hidrojen bağları yaparak çok kuvvetli

çekim kuvvetlerin belirmesine yol açar.çekim kuvvetlerin belirmesine yol açar. Polimerin gerilme ile uzaması küçük (<%20) kopma kuvveti (7,000 Polimerin gerilme ile uzaması küçük (<%20) kopma kuvveti (7,000

kg/cmkg/cm22) ve modülü (50.000 kg/cm) ve modülü (50.000 kg/cm22) çok büyüktür.) çok büyüktür. Erime noktası TErime noktası Tee=265 C olup liflerden dokunan kumaşların =265 C olup liflerden dokunan kumaşların

temizleme ve ütüleme sırasında bozulmamasını sağlar.(300 c temizleme ve ütüleme sırasında bozulmamasını sağlar.(300 c üstünde organik polimer bozunabilir.)üstünde organik polimer bozunabilir.)

Camsı geçiş sıcaklığı çok yüksek olursa liflerin gerilmesi Camsı geçiş sıcaklığı çok yüksek olursa liflerin gerilmesi güçleşeceği için ütüleme işlemi zorlaşır.camsı geçiş sıcaklığı çok güçleşeceği için ütüleme işlemi zorlaşır.camsı geçiş sıcaklığı çok düşük liflerden dokunan kumaşlar ise buruşuk olur. düşük liflerden dokunan kumaşlar ise buruşuk olur.

PLASTİKLERPLASTİKLER Sentetik plastikler mekanik davranışları elastomerler ile Sentetik plastikler mekanik davranışları elastomerler ile

fiberler arasında yer alır.Büyük bir polimer grubunu kapsar.fiberler arasında yer alır.Büyük bir polimer grubunu kapsar. Sert (rigid) ve yumuşak (flexible) plastiklerin mekaniksel Sert (rigid) ve yumuşak (flexible) plastiklerin mekaniksel

davranışları oldukça farklıdır.davranışları oldukça farklıdır. Yumuşak plastikler;Yumuşak plastikler; kristallik oranı orta ile yüksek değerler arasında değişir.Tkristallik oranı orta ile yüksek değerler arasında değişir.Te e

ve Tve Tgg değerleri ise geniş bir bölgeyi kapsar. değerleri ise geniş bir bölgeyi kapsar. Gerilme ile sağlam fibere dönüşür.Gerilme ile sağlam fibere dönüşür. Kopma uzaması elastomerler kadar büyük olduğu halde Kopma uzaması elastomerler kadar büyük olduğu halde

uzama tersinir değildir.uzama tersinir değildir. Gerginlik kaldırıldığında esnek olmayan polimer örneği Gerginlik kaldırıldığında esnek olmayan polimer örneği

başlangıç durumuna dönmez.başlangıç durumuna dönmez.

Sert plastikler;Sert plastikler; Biçim değiştirmeye karşı büyük direnç gösterirler.Biçim değiştirmeye karşı büyük direnç gösterirler. Sert zincirlerin oluşturduğu amorf polimerler sert Sert zincirlerin oluşturduğu amorf polimerler sert

plastikleri verir.plastikleri verir. Örnek polistiren uzama modülü 32,000 kg/cmÖrnek polistiren uzama modülü 32,000 kg/cm22 kopma kopma

kuvveti 500 kg/cmkuvveti 500 kg/cm22 dolaylarındadır.Kopma uzaması %3 dolaylarındadır.Kopma uzaması %3 den küçüktür.den küçüktür.

Ana zincire bağlı büyük yan gruplar camsı geçiş Ana zincire bağlı büyük yan gruplar camsı geçiş sıcaklığının yüksek (Tsıcaklığının yüksek (Tgg=100 c) ve polimerin sert olmasını =100 c) ve polimerin sert olmasını sağlar.çapraz bağ oranı yüksek olan polimerler de sert sağlar.çapraz bağ oranı yüksek olan polimerler de sert plastiklerin davranışını gösterir. plastiklerin davranışını gösterir.

TEŞEKKÜRLERTEŞEKKÜRLER