YÜKSEK GERİNİM HIZLARINDA POLİPROPİLEN KÖPÜK MALZEMENİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Aybala TANRIKULU YÜKSEK GERİNİM HIZLARINDA POLİPROPİLEN KÖPÜK MALZEMENİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Aybala TANRIKULU T.C. BURSA ULUDAĞ ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ YÜKSEK GERİNİM HIZLARINDA POLİPROPİLEN KÖPÜK MALZEMENİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Aybala TANRIKULU 0000-0002-2413-0788 Dr. Öğr. Üyesi Kenan TÜFEKCĠ (DanıĢman) 0000-0001-5358-1396 YÜKSEK LĠSANS TEZĠ MAKĠNE MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI BURSA– 2022 Her Hakkı Saklıdır TEZ ONAYI Aybala TANRIKULU tarafından hazırlanan “YÜKSEK GERĠNĠM HIZLARINDA POLĠPROPĠLEN KÖPÜK MALZEMENĠN MEKANĠK ÖZELLĠKLERĠNĠN ĠNCELENMESĠ” adlı tez çalıĢması aĢağıdaki jüri tarafından oy birliği/oy çokluğu ile Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı‟nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiĢtir. Danışman : Dr. Öğr. Üyesi Kenan TÜFEKÇĠ Başkan : Dr. Öğr. Üyesi Mümin TUTAR Ġmza 0000-0002-7286-3433 Milli Savunma Üniversitesi, Hava Astsubay Meslek Yüksek Okulu, Teknoloji Bilimleri Bölümü Üye : Dr. Öğr. Üyesi Kenan TÜFEKÇĠ Ġmza 0000-0001-5358-1396 Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Üye : Dr. Öğr. Üyesi Betül GÜLÇĠMEN ÇAKAN Ġmza 0000-0003-1739-1143 Bursa Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Yukarıdaki sonucu onaylarım Prof. Dr. Hüseyin Aksel EREN Enstitü Müdürü …/03/2022 U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında; - tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi, - görsel, iĢitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu, - baĢkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu, - atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi, - kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı, - ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya baĢka bir üniversitede baĢka bir tez çalıĢması olarak sunmadığımı beyan ederim. 09/03/2022 Aybala TANRIKULU TEZ YAYINLANMA FİKRİ MÜLKİYET HAKLARI BEYANI Enstitü tarafından onaylanan lisansüstü tezin/raporun tamamını veya herhangi bir kısmını, basılı (kâğıt) ve elektronik formatta arĢivleme ve aĢağıda verilen koĢullarla kullanıma açma izni Bursa Uludağ Üniversitesi‟ne aittir. Bu izinle Üniversiteye verilen kullanım hakları dıĢındaki tüm fikri mülkiyet hakları ile tezin tamamının ya da bir bölümünün gelecekteki çalıĢmalarda (makale, kitap, lisans ve patent vb.) kullanım hakları tarafımıza ait olacaktır. Tezde yer alan telif hakkı bulunan ve sahiplerinden yazılı izin alınarak kullanılması zorunlu metinlerin yazılı izin alınarak kullandığını ve istenildiğinde suretlerini Üniversiteye teslim etmeyi taahhüt ederiz. Yükseköğretim Kurulu tarafından yayınlanan “Lisansüstü Tezlerin Elektronik Ortamda Toplanması, Düzenlenmesi ve Erişime Açılmasına İlişkin Yönerge” kapsamında, yönerge tarafından belirtilen kısıtlamalar olmadığı takdirde tezin YÖK Ulusal Tez Merkezi / B.U.Ü. Kütüphanesi Açık EriĢim Sistemi ve üye olunan diğer veri tabanlarının (Proquest veri tabanı gibi) eriĢimine açılması uygundur. Kenan TÜFEKÇĠ Aybala TANRIKULU 09/03/2022 09/03/2022 ÖZET Yüksek Lisans Tezi YÜKSEK GERĠNĠM HIZLARINDA POLĠPROPĠLEN KÖPÜK MALZEMENĠN MEKANĠK ÖZELLĠKLERĠNĠN ĠNCELENMESĠ Aybala TANRIKULU Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Dr. Öğr. Üyesi Kenan TÜFEKCĠ Hızlı geliĢen teknoloji ile birlikte hafiflik, ucuzluk ve daha az hammadde tüketimi ön plana çıkmaktadır ve bu durum polimer ve polimer köpüklere olan yönelimi arttırmaktadır. Kullanım alanlarına bağlı olarak polimer köpük malzemeler statik ve dinamik yüklemelere zorlanmaktadır. Bu çalıĢmada, polimer köpük malzemelerden biri olan polipropilenden farklı yoğunluklarda elde edilen numunelerin basmadaki statik ve dinamik mekanik özellikleri incelenmiĢtir. Statik yük altındaki mekanik davranıĢlarını incelemek için statik basma deney sistemi ve dinamik yük altındaki mekanik davranıĢlarını incelemek için Split Hopkinson basma çubuğu deney sistemi kullanılarak gerilme-gerinme eğrileri elde edilmiĢtir. Artan yoğunlukla birlikte hem statik hem dinamik mekanik özelliklerde artıĢlar görülmüĢtür. Ayrıca dinamik deneylerden elde edilen veriler HyperMesh programına girilerek EPP köpük malzemeden oluĢturulan örnek bir telefon ambalaj malzemesi modellenmiĢ ve yüksekten düĢme sonucu maruz kalacağı darbe yükü altındaki performansı sonlu elemanlar analizi ile incelenmiĢtir. Anahtar Kelimeler: Polipropilen köpük, Dinamik analiz, Parçalı hopkinson basınç çubuğu 2022, xi + 72 sayfa. i ABSTRACT MSc Thesis INVESTIGATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF POLYPROPYLENE FOAM UNDER HIGH STRAIN RATE Aybala TANRIKULU Bursa Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Mechanical Engineering Supervisor: Dr. Kenan TÜFEKCĠ Lightness, cheapness, and less raw material consumption come into by prominence by the fast-growing technology and this situation increases the tendency towards polymer and polymer foams. Polymer foam materials are forced to static and dynamic loads depending on their usage areas. In this study, the static and dynamic mechanical properties of the samples obtained from polypropylene, one of the polymer foam materials, at different densities were investigated. Stress-strain curves were obtained by using the static compression test system to examine the mechanical behavior under static load and the Split Hopkinson compression bar test system to examine the mechanical behavior under dynamic load. Static and dynamic mechanical properties increased with increasing density. Also a sample phone packaging material made of EPP foam material was modeled by entering the data obtained from the dynamic experiments into the HyperMesh program, and its performance under the impact load that it would be exposed to as a result of falling from a height was examined by finite element analysis. Key words: Polypropylene foam, dynamic analysis, Split hopkinson pressure bar 2022, xi + 72 pages. ii ÖNSÖZ ve TEŞEKKÜR “Yüksek Gerinim Hızlarında Polipropilen Köpük Malzemenin Mekanik Özelliklerinin Ġncelenmesi” adlı bu çalıĢma Uludağ Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Yüksek Lisans Bitirme Tezi olarak hazırlanmıĢtır. Yüksek lisans eğitimimin ilk gününden bugüne kadar geçen sürede emek, bilgi ve tecrübeleriyle yanımda olan, en büyük Ģansım; saygıdeğer hocam Dr. Öğr. Üyesi Kenan TÜFEKCĠ‟ye teĢekkür eder saygılarımı sunarım. Bir parçası olmaktan mutluluk duyduğum Uludağ Üniversitesi‟ne ve eğitimim sırasında ve sonrasında yanımda olup ikinci ailem olan çok kıymetli arkadaĢlarıma emek ve desteklerinden ötürü teĢekkür ederim. Tez sürecimde, evimde gibi hissettirip ders çalıĢma ortamı sunan Göztepe Kahve Dünyası‟na teĢekkür ederim. Maddi manevi yanımda olan, bana güvenen ve destekleyen, sponsorum canım aileme teĢekkür ederim. Tez süreci boyunca her zaman yanımda olan ve yardımlarını esirgemeyen değerli mühendis dostlarım, Okan Maden, Hasan Köklü, Sertan Bolu ve Oğuz Caner Candoğan‟a sonsuz teĢekkür ederim. Ve son olarak, süreçteki en önemli ve kıymetli destekçim Makine Mühendisi Halis Akgül‟e teĢekkür ederim. iii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET.................................................................................................................................. i ABSTRACT ...................................................................................................................... ii ÖNSÖZ ve TEġEKKÜR .................................................................................................. iii SĠMGELER ve KISALTMALAR ................................................................................... vi ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ........................................................................................................ viii ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ ................................................................................................... xii 1. GĠRĠġ ............................................................................................................................ 1 2. KURAMSAL TEMELLER .......................................................................................... 3 2.1. Polimer Köpükleri ...................................................................................................... 3 2.2. Polimer Köpüklerin Gruplandırılması........................................................................ 4 2.2.1. Termoset ve termoplastik polimer köpükleri .......................................................... 4 2.2.2. Kapalı ve açık gözenekli polimer köpükleri ........................................................... 5 2.2.3. Esnek ve sert polimer köpükleri .............................................................................. 6 2.2.4. Mikro gözenekli veya makro gözenekli polimer köpükler ..................................... 7 2.2.5. Hafif ve ağır (yoğun) polimer köpükler .................................................................. 8 2.2.6. Yapısal polimer köpükleri ....................................................................................... 8 2.3. Polimer Köpük Malzemelerin Mekanik Özellikleri ................................................... 8 2.3.1. Yorulma ömrü ....................................................................................................... 11 2.3.2. SıkıĢtırma özellikleri ............................................................................................. 11 2.3.3. Çekme özellikleri .................................................................................................. 12 2.3.4. Darbe özellikleri .................................................................................................... 14 2.4. Polipropilen Polimeri ve Özellikleri ........................................................................ 16 2.4.1. Polipropilen polimerinin fiziksel özellikleri ......................................................... 18 2.4.2. Polipropilen polimerinin kimyasal özellikleri ....................................................... 19 2.4.3. Polipropilen polimerinin mekanik özellikleri ....................................................... 20 2.5. Polipropilen Polimerinin Kullanım Alanları ............................................................ 23 2.5.1. Homopolimerlerin kullanım alanları ..................................................................... 24 2.5.2. Kopolimerlerin kullanım alanları .......................................................................... 24 2.5.3. Random kopolimerlerin kullanım alanları ............................................................ 25 2.6. Polimer Köpük Üretim Yöntemleri .......................................................................... 26 2.6.1. Batch prosesi ile köpük üretimi ............................................................................ 27 2.6.2. Ekstrüzyon kalıplama prosesi ile köpük üretimi ................................................... 28 2.6.3. Enjeksiyon kalıplama prosesi ile köpük üretimi ................................................... 29 2.7. Hopkinson Bar Basma Deneyi ................................................................................. 30 2.7.1. Hopkinson basınç bar deney sistemi prensibi ve hesaplama teorisi ..................... 34 2.7.2. Çubuklarda dalga yayılımı ve yansıması .............................................................. 35 2.7.3. Gerilim, Ģekil değiĢtirme ve deformasyon hızı, veri analizi ................................. 36 2.8. Literatür Taraması .................................................................................................... 38 3. MATERYAL ve YÖNTEM ........................................................................................ 46 3.1. Deney Numuneleri ................................................................................................... 46 3.2. Statik Basma Deney Cihazı ...................................................................................... 47 3.3. Split Hopkinson Basınç Çubuğu Deney Düzeneği .................................................. 48 3.4. Polipropilen Köpük Numunelerin Sonlu Elemanlar Yöntemi Ġle Analizi ............... 50 3.4.1. Parçaların modellenmesi ....................................................................................... 50 3.4.2. Mesh Generasyonu ................................................................................................ 51 3.4.3. Parçalara malzeme atanması ................................................................................. 51 iv 3.4.4. Analiz için yükleme Ģartları .................................................................................. 52 4. BULGULAR ............................................................................................................... 54 4.1. Statik Basma Deneyi Sonuçları ................................................................................ 54 4.2. Dinamik Deney Ġle Elde Edilen Grafikler ve Sonuçlar ............................................ 58 4.3. Statik ve Dinamik Deney Sonuçlarının KarĢılaĢtırılması ........................................ 61 5. TARTIġMA ve SONUÇ ............................................................................................. 65 KAYNAKLAR ............................................................................................................... 68 ÖZGEÇMĠġ .................................................................................................................... 72 v SİMGELER ve KISALTMALAR Simgeler Açıklama DB Çubuk çapı CO Dalga hızı Y Dalganın uzaydaki formu 𝜺 Deformasyon hızı E Elastisite modülü Z Empedans Ԑt Geçen dalganın meydana getirdiği Ģekil değiĢtirme Ԑi Gelen dalganın meydana getirdiği Ģekil değiĢtirme σ Gerilme Ao Kesit alan σf Köpüğün çekme dayanımı Ef Köpüğün elastiklik modülü c1, c1 ', c5, c5 ' Köpüğün mikro yapısına bağlı sabitler ρf Köpüğün yoğunluğu hf Köpük numune kalınlığı σp Köpüksüz polimerin çekme dayanımı Ep Köpüksüz polimerin elastiklik modülü ρp Köpüksüz polimerin yoğunluğu F Kuvvet m1, m2 Malzeme fonksiyonuna bağlı sabitler hm Matrisin numune kalınlığı DS Numune çapı L Numune uzunluğu u Numune yüzeyindeki yer değiĢtirme 𝒗 Parçacık hızı Ԑr Yansıyan dalganın meydana getirdiği Ģekil değiĢtirme Yoğunluk t Zaman vi Kısaltmalar Açıklama ABS Akrilonitril-Bütadilen-Stiren AYPE Alçak Yoğunluklu Polietilen POM Asetal SHPB BölünmüĢ Hopkinson Basınç Çubuğu EPP GenleĢtirilmiĢ Polipropilen HBB Hopkinson Basınç Bar PA Poliamid PBT Polibütilen Tereftalat PE Polietilen PC Polikarbonat PP Polipropilen PS Polistiren PU Poliüretan PVC Polivinil Klorür TPO Termoplastik Poliolefin YYPE Yüksek Yoğunluklu Polietilen HIPS Yüksek Darbe Polisitiren vii ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa ġekil 2.1. Polimer köpük yapısı (Yetgin 2012)………………………………… 3 ġekil 2.2. Polimer köpük oluĢum aĢamaları, (a) Çekirdeklenme noktaları oluĢumu, (b) Gözenek geniĢlemesi, (c) Kararlı gözenekli yapı (Saçak 2017)………………………………………………………… 4 ġekil 2.3. Polimer köpüklerinde oluĢabilecek açık ve kapalı hücre yapıları (Yetgin 2012)………………………………………………………... 5 ġekil 2.4. Yoğunluğa bağlı olarak elastiklik modülündeki değiĢim (Ashby 1992)………………………………………………………………… 9 ġekil 2.5. Polimer köpüklerde sıkıĢtırma altında elde edilen gerilim-gerinim eğrisi (Yetgin 2012)…………………………………………………. 11 ġekil 2.6. Kabuk tabakası kalınlığına göre çekme modülündeki değiĢim (Yetgin 2012)………………………………………………………... 12 ġekil 2.7. Kabuk tabakası kalınlığına göre çekme dayanımındaki değiĢim (Yetgin 2012)………………………………………………………... 13 ġekil 2.8. Kabuk tabakası kalınlığına göre kopma uzamasındaki değiĢim (Yetgin 2012)………………………………………………………... 13 ġekil 2.9. Relatif yoğunluğa bağlı olarak PC köpüklerde izod darbe dayanımındaki değiĢim (Yetgin 2012)……………………………… 14 ġekil 2.10. Hücrelerin çatlak durdurucu etkisi (Yetgin 2012)…………………... 15 ġekil 2.11. Propilen monomeri ve elde edilen polipropilen polimeri (Öksüz 2019)………………………………………………………………… 16 ġekil 2.12. Polipropilen türlerine ve sıcaklığa bağlı olarak sertlik değiĢimi (Yetgin 2012)………………………………………………………... 19 ġekil 2.13. Molekül ağırlığının fiziksel ve mekaniksel özelliklere etkisi (Ġnci 2006)………………………………………………………………… 20 ġekil 2.14. Polipropilen çeĢitlerinin çekme dayanım-uzama grafiği (Yetgin 2012)………………………………………………………………… 21 ġekil 2.15. Polipropilenin farklı çeĢitleri için sıcaklığa bağlı eğme modülündeki değiĢim grafiği (Yetgin 2012)………………………………………. 21 ġekil 2.16. Sıcaklık etkisiyle PP polimerlerinin çentikli darbe dayanımı değiĢim grafiği (Yetgin 2012)………………………………………………... 22 ġekil 2.17. Hammadde halinde polipropilen (AkkuĢ 2019)…………………….. 24 ġekil 2.18. Homopolimerlerin kullanım alanları (AkkuĢ 2019)………………… 24 ġekil 2.19. Random kopolimerlerin kullanım alanları (AkkuĢ 2019)…………… 25 ġekil 2.20. Kaplama tesislerinde sıvı asit vb. kimyevi maddelerin taĢınmasını sağlayan polipropilen malzemeden üretilmiĢ pompa kesit resmi ve görseli………………………………………………………………... 25 ġekil 2.21. Kaplama tesislerinde sıvı asit vb. kimyevi maddelerin depo ve kaplama banyo ünitesi………………………………………………. 25 ġekil 2.22. Polipropilen malzeme ile su deposu yalıtım uygulaması……………. 26 ġekil 2.23. Polipropilen malzemeden imal edilmiĢ havalandırma sistemleri uygulaması…………………………………………………………... 26 ġekil 2.24. Batch prosesi Ģematik görseli (Yetgin 2008)………………………... 28 ġekil 2.25. Tek vidalı ekstrüder prosesi Ģematik görseli (Yetgin 2008)………… 29 ġekil 2.26. Enjeksiyon köpük kalıplama prosesi Ģematik görseli (Yetgin 2008)………………………………………………………………… 30 viii Sayfa ġekil 2.27. Bertram Hopkinson deney düzeneği (GümüĢ 2019)………………… 31 ġekil 2.28. Farklı Ģekil değiĢtirme hızları için gerilme-Ģekil değiĢtirme grafiği (GümüĢ 2019)……………………………………………………….. 33 ġekil 2.29. PHBÇ yüklemesi altında silindirik polimer malzemede oluĢan hasar çeĢitlerinin gösterimi (GümüĢ 2019)………………………………... 33 ġekil 2.30. Deney düzeneği üzerindeki çubuk ve diferansiyel eleman (ġimĢek 2011)………………………………………………………………… 34 ġekil 2.31. Darbe etkisi uygulanan diferansiyel eleman (ġimĢek 2011)………... 34 ġekil 2.32. Diferansiyel eleman üzerindeki kuvvetler (ġimĢek 2011)…………... 35 ġekil 2.33. Numune üzerine etki eden kuvvetler (KandırmıĢ 2016)…………….. 36 ġekil 2.34. Parçalı hopkinson deneyinde ölçülen gerinim ölçer kayıtları (ġimĢek 2011)………………………………………………………………… 38 ġekil 3.1. EPP köpük levhanın su jetine yerleĢtirilmesi, kesimi ve levha üzerinden numune alımı……………………………………………... 46 ġekil 3.2. Masaüstü mekanik test cihazı ve kullanıcı arayüzü…………………. 47 ġekil 3.3. Numunenin deney düzeneğine yerleĢtirilmesi………………………. 48 ġekil 3.4. Deney düzeneği görseli……………………………………………… 48 ġekil 3.5. Deney düzeneği Ģeması……………………………………………… 49 ġekil 3.6. GiriĢ ve çıkıĢ çubuklarından elde edilen örnek sinyal………………. 50 ġekil 3.7. a) Telefon modelinin katı modellenmesi, b) EPP köpük hacmi içerisine yerleĢtirilmesi……………………………………………… 50 ġekil 3.8. a) Telefona mesh atılması b) EPP köpük hacime uygulanan mesh generasyonu…………………………………………………………. 51 ġekil 3.9. Üç farklı yoğunluktaki malzemelere ait mekanik özellikler………… 52 ġekil 3.10. Numunelere uygulanan çarpıĢma testi………………………………. 53 ġekil 4.1. Statik basma deneyinde gerilme gerinme eğrisi karakteristik bölgeleri……………………………………………………………... 54 ġekil 4.2. Statik deney sonucu bir köpüğe ait üç farklı numunenin gerilme- gerinme değerlerinin karĢılaĢtırılması………………………………. 55 ġekil 4.3. Statik deney sonucu üç farklı köpük numunesine ait gerilme- gerinme değerlerinin karĢılaĢtırılması………………………………. 55 ġekil 4.4. Elastisite modülü ve akma gerilmesinin tespiti için oluĢturulan doğrular……………………………………………………………… 56 ġekil 4.5. Statik basma deneyinden elde edilen elastisite modülü değerleri……………………………………………………………... 56 ġekil 4.6. Statik deney sonucu üç farklı köpüğe ait akma gerilmelerinin karĢılaĢtırılması……………………………………………………… 57 ġekil 4.7. Statik deney sonucu üç farklı köpüğe ait rezilyans değerlerinin karĢılaĢtırılması……………………………………………………… 57 ġekil 4.8. Statik deney sonucu üç farklı köpüğe ait absorbe edilen enerji değerleri……………………………………………………………... 58 ġekil 4.9. Üç farklı köpük numunesine ait örnek dinamik gerilme-gerinme grafikleri……………………………………………………………... 59 ġekil 4.10. Dinamik elastisite modülü değerleri………………………………… 60 ġekil 4.11. Dinamik deney sonucu üç farklı köpüğe ait itibari akma gerilmeleri…………………………………………………………… 60 ġekil 4.12. Dinamik deney sonucu üç farklı köpüğe ait rezilyans değerleri…….. 60 ix Sayfa ġekil 4.13. Dinamik deney sonucu üç farklı köpüğe ait absorbe edilen enerji değerleri……………………………………………………………... 61 ġekil 4.14. Üç farklı köpüğe ait elastisite modülü değerlerinin karĢılaĢtırılması……………………………………………………… 61 ġekil 4.15. Üç farklı köpüğe ait itibari akma değerlerinin karĢılaĢtırılması……………………………………………………… 62 ġekil 4.16. Üç farklı köpüğe ait rezilyans değerlerinin karĢılaĢtırılması………........................................................................ 62 ġekil 4.17. Üç farklı köpüğe ait uzama değerlerine göre absorbe edilen enerjilerin karĢılaĢtırılması………………………………………….. 63 ġekil 4.18. KI, KII ve KIII numuneleri için gerilme-gerinme analiz sonuçları……………………………………………………………... 64 x ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 2.1. Otomotiv plastik parça üretiminde kullanılan plastik hammadde oranı(%) (Kaya 2019)……………………………………………….. 17 Çizelge 2.2. Polipropilen polimerinin özellikleri ve diğer termoplastikler ile karĢılaĢtırılması (Yetgin 2012)……………………………………… 17 Çizelge 2.3. PP malzemelerin mekanik özellikleri ve HDPE malzeme ile kıyaslanması…………………………………………………………. 22 Çizelge 3.1. Numune kodları ve yoğunlukları……………………………………. 46 xi 1. GİRİŞ Günlük yaĢamda yaygın kullanılan yapı elemanları metaller, polimerler, kompozitler ve seramikler olmak üzere dört gruba ayrılır. Son yıllarda polimerik malzemelerin birçok uygulama alanlarında diğer malzemelerin yerine alternatif olarak kullanıldığı görülmektedir. Tüm üretim sektörlerinde hafiflik, ucuzluk ve daha az hammadde tüketimi ön plana çıkmakta olup bu özelliklere ilaveten iĢlenmelerinin kolay, yoğunluklarının düĢük, yüksek kimyasal ve korozyon direnci gibi özelliklere sahip olmaları, polimerik köpük malzemelerin kullanımını arttırmaktadır. Türk Standartları Enstitüsüne göre, polimerik köpükler “Bir gazın gerçek malzeme içerisine mekanik yöntemlerle dağıtılmasıyla ya da gerçek malzemeye katılan bir kimyasal maddenin ısıtılması esnasında gazlaĢmasıyla açık, yarı kapalı ya da kapalı hücrelerden meydana gelen gözenekli bir yapıdır” Ģeklinde tanımlanmaktadır (Yetgin ve ark. 2008). Polimer köpükler, içerisi herhangi bir gaz ya da hava doldurulmuĢ kapalı gözenekler olarak tanımlanır. Bu gözenekler, polimer malzeme katılaĢırken içerisinde kalan gaz kabarcıkları ya da gaz kabarcıklarının polimer malzemeden uzaklaĢırken arkasında bıraktığı boĢluklar sebebiyle oluĢur (Saçak 2017). Polimer içindeki gözenekler malzeme yoğunluğunu azaltır ve dolayısıyla daha az hammadde kullanımı sağlarlar. Bu durum ise ürünün fiyatını önemli oranda düĢürür. Bunun yanında polimer içindeki boĢluk oranı kontrol edilerek malzeme yoğunluğu ayarlanabilir ve farklı özelliklerde polimer köpükler üretilebilir. Bu üstün özellikleri sebebiyle, polimerik köpüklerin kullanım alanları ve tüketim miktarları ilk ticari üretimlerinden bu yana hızlı bir Ģekilde artıĢ göstermiĢtir (Saçak 2017). Geleneksel malzemelere oranla hafif olmaları, ısı ve sesi yalıtmaları, daha düĢük yoğunluk, birim kütle baĢına yüksek yüklemeye dayanmaları, düĢük kalıplama maliyeti, farklı tekniklerle hazırlanabilmeleri ve vurma dayanımlarının iyi olması gibi özelliklere sahip olan polimerik köpükler, mobilya, paketleme, tekstil, oyuncaklar, spor ürünleri, yalıtım uygulamaları gibi birçok sektörde kullanılmaktadır. Özellikle otomotiv 1 sektöründe parçalarda ağırlık tasarrufu ve bunun sonucunda azalan yakıt tüketimi sağlaması polimer ve polimer köpüklere olan ilgiyi artırmaktadır. Köpük çalıĢmalarında en fazla tercih edilen polimer çeĢitleri polietilen (PE), polivinil klorür (PVC), poliüretan (PU), polistiren (PS), polipropilen (PP) ve polikarbonat (PC)' dır. Son dönemlerde polietilen ve polistiren polimerlere kıyasla polipropilen malzeme kullanımı artıĢ göstermektedir. Çünkü bu malzemeler daha yüksek ergime sıcaklığı ve daha iyi darbe direnci sağlamaktadır (Yetgin ve ark. 2008). Kullanılan malzeme kadar önemli olan bir diğer konu ise bu malzemelerin mekanik özellikleridir. Her malzemenin mekanik özelliklerinin saptanabilmesi için çeĢitli test yöntemleri mevcut olup uygulanan deney metotlarının büyük çoğunluğunu statik ve yarı statik deney metotları oluĢturmaktadır. Çeki-Bası deneyleri, sürünme deneyleri, eğme deneyleri gibi çeĢitli testler, malzemelerin statik yükler altındaki davranıĢları hakkında bilgi verirken; çentik darbe veya yorulma deneyleri gibi bazı deneyler ise düĢük hızlı dinamik yükler altındaki malzeme davranıĢları hakkında bilgi vermektedir. Ancak bilinen veriler doğrultusunda düĢme, çarpıĢma ya da darbe gibi yüksek hızlı dinamik yüke maruz kalan malzemelerin mekanik davranıĢları, statik testler sonucunda elde edilenden oldukça farklı olup malzemeler, normal durumlardan farklı davranmaktadır. Bu farklılık malzeme seçimini doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle birçok mühendislik uygulaması için malzemelerin, yüksek hızlı dinamik yük altındaki mekanik davranıĢlarının tespiti gerekmektedir. Bu davranıĢları belirlemek üzere bazı mekanik deney cihazları mevcut olup bunlardan biri basma durumu için tasarlanan „Split Hopkinson Deney Sistemleri‟ olarak adlandırılmaktadır. Statik yükler altında yapılan -1 mekanik deneylerde deformasyon hızı 1 s değerinden küçük iken, yüksek hızlı 2 -1 dinamik yüke maruz kalan Parçalı Hopkinson Basma Çubuğu deney düzeneği, 10 s 4 -1 ile 10 s deformasyon hızları arasındaki testler için en ideal yöntemdir. Bu çalıĢmada, ticari olarak piyasada bulunan üç farklı yoğunluğa sahip polipropilen köpüğün (EPP), SHPB deney sistemi kullanılarak yüksek gerinim hızındaki gerilme- gerinme eğrileri elde edilmiĢ ve bu eğriler HyperMesh programına veri olarak girilmiĢ olup düĢürme testleri yine aynı programda yapılmıĢtır. Farklı yoğunluktaki köpük malzemelerin zamana bağlı gerilme ve gerinme grafikleri çizilmiĢ, yükleme altındaki mekanik davranıĢları incelenmiĢtir. 2 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1. Polimer Köpükleri Polimer köpükler, içerisi hava ya da farklı bir gaz tarafından doldurulmuĢ kapalı gözenekler Ģeklinde tanımlanır. Bu gözenekler, gaz kabarcıklarının polimerden uzaklaĢırken geride bıraktığı boĢluklar ya da polimer katılaĢırken içerisinde kalan gaz kabarcıkları nedeniyle oluĢur. Ayrıca, sıvı ya da gaz haldeki köpük ajanlarının genleĢmesiyle üretilen ve çevresi polimer matris ile sarılmıĢ, kapalı gözenekler içeren malzemeler olarak da tanımlanabilmektedir. Polimer köpükler genellikle, biri katı polimerik matris, diğeri ise köpük ajanı ile elde edilen gaz fazı olmak üzere minimum iki fazdan oluĢmaktadır. ġekil 2.1‟de örnek bir polimer köpük yapısı verilmiĢtir. Şekil 2.1. Polimer köpük yapısı (Yetgin 2012) Polimer köpük içerisindeki boĢluklar (gözenekler) malzeme yoğunluğunu azaltır ve ürün fiyatının önemli oranda düĢmesine sebep olurken, maliyet açısından avantaj sağlar. Ayrıca farklı yerlerde ve değiĢik özelliklerde kullanılabilecek köpük üretimi için boĢluk oranı kontrol altına alınarak polimer yoğunluğu ayarlanabilir. Polimer köpüklerinin diğer malzemelere kıyasla üstünlükleri,  Hafif olmaları  DüĢük yoğunluk  Isı ve sesi yalıtmaları  Malzeme tasarrufu  Birim kütle baĢına yüksek yüklemeye dayanmaları  Kalıplama maliyetinin düĢüklüğü  Farklı metotlarla üretilebilmeleri  Üstün darbe dayanımı 3 Ģeklinde sıralanabilir. Polimer köpükler üstün özellikler sağlamakla birlikte aĢağıda verilen noktalarda yetersizdirler.  Kullanım sırasında bazı mekanik özelliklerini kaybetmeleri  Ürünlerde bölgesel yoğunluk farklarının oluĢabilmesi 2.2. Polimer Köpüklerin Gruplandırılması Polimerik köpükler; köpüğün esnekliği, boĢluk (gözenek) boyutu, polimer yapısı, içlerindeki gözeneklerin yapısı vb. özellikler dikkate alınarak çeĢitli Ģekillerde gruplandırılırlar. ġekil 2.2‟de polimer köpük oluĢum aĢamaları gösterilmiĢtir. Şekil 2.2. Polimer köpük oluĢum aĢamaları, (a) Çekirdeklenme noktaları oluĢumu, (b) Gözenek geniĢlemesi, (c) Kararlı gözenekli yapı (Saçak 2017) 2.2.1. Termoset ve termoplastik polimer köpükleri Polimer köpük gözenekleri, üretilecek köpüğün ısıl dayanımı, kimyasal direnci, sertliği, camsı geçiĢ sıcaklığı, alevlenme sıcaklığı gibi özelliklerinden sorumlu olan polimer matris ile çevrilmiĢ haldedir. Polimer köpük üretiminde, termoset ya da termoplastik esaslı polimer matris malzeme kullanılabilir. Poliüretan, üre-formaldehit, fenol-formaldehit ve epoksi gibi termoset karakterli polimer köpükler belirli bir erime sıcaklıklarına sahip olmadığı için yüksek sıcaklıklarda bozulmaya uğrayabilir. Biçimlendirme iĢlemi süresince kalıcı olarak sertleĢir ve ısıtıldıklarında yumuĢamazlar. Termoplastik karakterli köpükler ise belirli bir erime sıcaklıklarına sahiptirler ve genelde bu sıcaklık, köpük polimer malzemesinin erime sıcaklığıdır. Termoplastik polimerler Ģekillendirme sırasında ısının etkisiyle 4 yumuĢarlar, ısıtılmaya devam edilirse sıvılaĢır ve soğutulduğunda sertleĢirler. Bu proses tekrar edilebilir ve geri dönüĢümlüdür. Ancak ergiyik polimerin çok yüksek sıcaklıklara maruz bırakılması sonucu geri dönüĢsüz bozulma meydana gelebilir. Polietilen (PE), Polistiren (PS), polipropilen (PP), poli(vinil klorür) (PVC), akrilonitril-bütadien-stiren (ABS) kopolimeri, polikarbonat (PC), poliamid (PA) ve asetal (POM) termoplastik köpük yapımında kullanılabilecek termoplastik esaslı polimerlere örnektir. Termosetler, termoplastiklere oranla genellikle daha iyi boyutsal kararlılığa sahip, sert ve dayanıklı malzemelerdir. Son yıllarda, birçok endüstri, daha ucuz, daha hafif ve daha iyi mekanik özellikler sağlayan malzeme arayıĢı içerisine girmiĢtir. Polipropilen (PP) köpük, bu hedef için uygun malzemelerden birisi olup, köpük üretimi için plastik üretim sektöründe kullanımı yaygınlaĢmıĢtır. PP, PE gibi pahalı olmayan ve yük taĢıma kapasitesi daha 0 0 yüksek olan bir malzemedir. PP camsı geçiĢ sıcaklığı -10 C ve ergime sıcaklığı 160 C dolayında olup yüksek ergime sıcaklığına sahip olması nedeniyle PE ve PS‟den daha iyi termal kararlılık gösterir. PP, oda sıcaklığında PS‟den daha iyi darbe direnci 3 sağlamaktadır ve 0.9g/cm yoğunluk değeri ile en hafif termoplastiktir. Ancak, polipropilen köpük yapısı açık hücreye sahiptir ve hücre dağılımı homojen değildir. 2.2.2. Kapalı ve açık gözenekli polimer köpükleri Polimer köpükler, içerisindeki boĢluk yapılarına bağlı olarak, açık veya kapalı gözenekli olmak üzere ikiye ayrılır. ġekil 2.3‟de polimer köpüklerinde bulunabilecek gözenek yapıları gösterilmiĢtir. Şekil 2.3. Polimer köpüklerinde oluĢabilecek açık ve kapalı hücre yapıları (Yetgin 2012) 5 Kapalı gözenekli polimer köpüklerde, her bir gözenek tamamıyla hücre duvarları ile çevrilmiĢtir ve tüm gözenekler birbirinden bağımsız olup kullanılan köpük ajanının ürettiği gaza bağlı olarak karbondioksit, hidrojen ya da uçucu gaza dönüĢebilen sıvılardan oluĢmaktadır. Kapalı gözenek duvarları gaz geçiĢine izin verdiğinde, gözenek içerisinde bulunan gaz molekülleri difüzyonla gözenekten ayrılarak köpük içerisinde hareket edebilir. Duvarları gaz geçirmeyen gözenekler ise içlerindeki boĢluğu dolduran havayı veya gazı tutar, yer değiĢtirmesine izin vermez. Bu tür köpüklerin ısı yalıtımları iyidir. Açık gözenekli polimer köpüklerde ise, hemen hemen tüm gözenekler uygun kanallarla birbirine bağlı olup temas halindedir. Yani gözenekleri birbirinden ayıran hücre duvarları bulunmamaktadır. Bu kanallar vasıtasıyla sıvı ya da gazlar gözenekleri doldururlar veya bir gözenekten diğerine geçerek köpük içerisinde yol alabilirler. Açık gözenekli köpükler, esnek ve yumuĢak olabildikleri için genelde sünger adını alır. Örneğin, temizlik amacıyla kullanılan süngerler açık gözenekli polimerlerden yapılmıĢ olup suyla temasları halinde açık gözenekleri su ile dolar ve sünger ağırlığı yüksek oranda artar. Kapalı gözenekli köpükler ise rijittir. Açık gözenekli polimerler sesi iyi absorbe etme kapasitesine sahiptirler fakat açık kanal yapısı yalıtım özelliklerinin azalmasına sebep olmaktadır. 2.2.3. Esnek ve sert polimer köpükleri Polimer köpükler gözenek çeperlerine, polimerin kimyasal yapısına, kullanılan katkı maddelerine ve çapraz bağ derecesine bağlı olan camsı geçiĢ sıcaklığının, oda sıcaklığının altında veya üstünde olmasına bağlı olarak esnek veya rijit olabilmektedir. Esnek köpüklerde polimerin camsı geçiĢ sıcaklığı oda sıcaklığının altında olup gözenek çeperleri küçük basınçlarda yıkılır. Rijit köpüklerde ise camsı geçiĢ sıcaklığı oda sıcaklığının üzerinde olup gözenek çeperleri belirli düzeydeki basınçlara dayanıklıdır. Gözenek duvarlarının dayanımı hem yoğunluk hem de fonksiyonellik açısından bu iki sınıf arasında yer alan köpükler için yarı-sert ya da yarı-esnek köpük tanımlaması yapılmaktadır. Polimer köpükler, bütünüyle açık ya da kapalı gözenekli olarak üretilemezler. Köpük içerisinde her iki çeĢit gözenek yapısı yer alsa da, genelde bir gözenek çeĢidi baskındır. 6 Genel olarak esnek köpük gözenekleri açık, sert köpük gözenekleri kapalıdır. Örnek verecek olursak, çok sert poliüretan köpüklerde, kapalı gözenek oranı %85-95 seviyelerine çıkar. Köpüklerin hazırlanmasında kullanılan yönteme bağlı olarak, gözeneklerin açık ya da kapalı olması Ģekillendirilebilir. Rijit yapılı köpükler, mekaniksel dayanımın yüksek olması gereken durumlarda, paketleme, yiyecek/içecek kapları ve kalıplama gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. Esnek yapılı köpükler ise mekaniksel dayanımın ön plana çıkmadığı uygulamalarda tercih sebebidir. Özellikle termal ve ses yalıtımında, araç koltuklarında, kasket ve spor ekipmanlarında, paketlemede, mobilya sektöründe kullanılmaktadır. 2.2.4. Mikro gözenekli veya makro gözenekli polimer köpükler Gözeneklerin boyutları ve köpük içerisindeki dağılım homojenliği dikkate alınarak sınıflandırma yapılabilir. Gözle görülebilen gözeneklerin bulunduğu ve gözenek boyutu > 100μm olan köpüklere makro gözenekli köpük, gözle görülemeyecek kadar küçük gözeneklere ve ortalama 10μm‟den düĢük gözenek boyutuna sahip köpüklere ise mikro gözenekli köpük adı verilir. Bu tanımlamalara göre bulaĢık süngerini makro gözenekli köpüklere örnek verebiliriz. Gözenek boyutunun geniĢ ve homojen olmayan dağılım yapısı nedeniyle makro gözenekli polimer köpükler oldukça zayıf mekaniksel özelliklere sahiptirler. Ancak, bu köpüklerin bir faydası, 50 kata kadar genleĢme oranı elde edilebilmesidir. Bilindiği gibi gözenek boyutları daha homojen dağılıma sahip ve küçük olan polimer köpükler daha iyi mekaniksel davranıĢlar göstermektedirler. Makro hücresel köpükler ve köpüklendirilmemiĢ polimerler ile karĢılaĢtırıldığında, mikro hücresel köpükler, daha iyi yorulma ömrü, daha iyi tokluk, daha iyi darbe dayanımı, daha iyi dayanım-ağırlık oranı, düĢük termal iletkenlik gösterirler. Üstün mekaniksel özellikler ile azalan ürün maliyeti, mikro hücresel köpükleri birçok üretim sektörü için uygun malzemeler haline getirmiĢtir. Yüksek dayanım-ağırlık oranı ile uçak ve otomotiv parçalarında, yiyecek paketlemede, akustik yalıtımda, azalan ağırlık ile spor ekipmanlarında, levha ve ĢiĢe gibi ince duvarlı malzeme üretimlerinde kullanılmaktadır. 7 2.2.5. Hafif ve ağır (yoğun) polimer köpükler Polimer köpükler, yoğunluklar esas alınarak hafif ve yoğun köpük olmak üzere iki gruba ayrılır. Polimer matris içerisinde bulunan gaz kabarcığı miktarı, köpük 3 yoğunluğunu belirleyici etkendir. Hafif köpük yoğunluğu 0,01-0,10 g/cm , ağır köpük 3 yoğunluğu 0,4-0,6 g/cm arasında değiĢkenlik gösterir. Köpük yoğunluğu, mekanik özellikleri belirlemede önemli bir etken olması sebebiyle köpüklerin uygulama alanlarını da belirlemektedir. Genel olarak yüksek yoğunluklu polimer köpükler otomotiv, mobilya, inĢaat ve taĢımacılık sektörlerinde kullanılırken, düĢük yoğunluklu polimer köpükler ses ve ısı yalıtımı, paketleme amaçlı kullanılmaktadır. 2.2.6. Yapısal polimer köpükleri Homojen olmayan bu köpüklerin, iç kısmı gözenekli ve yüzeyleri kabuk gibi serttir. 2.3. Polimer Köpük Malzemelerin Mekanik Özellikleri Polimerlerden elde edilmiĢ malzemeler kullanımları sırasında, farklı yüklemelerin (kuvvet) etkisi altında kalırlar. Örneğin, araç lastikleri sıkıĢtırma ve eğilme, plastik alıĢveriĢ poĢetleri, içlerindeki ürünlerin ağırlığından kaynaklı aĢağı doğru çekme yüküne maruz kalır. Mekanik özellik, cisimlerin sıkıĢtırma, çekme gibi dıĢ kuvvetlere karĢı verdikleri tepkilerin tamamıdır. Her madde dıĢarıdan uygulanan kuvvetlere farklı tepkiler verir ve kuvvetin Ģiddetine bağlı olarak uzarlar, bükülürler, koparlar, parçalanırlar veya kırılırlar. Malzeme, kısa süreli yüke maruz kalabileceği gibi zamanla değiĢebilen yük etkisi ile de karĢılaĢabilir. Polimer köpüklerin çekme ve sıkıĢtırma dayanımı, vurma dayanımı, sertlik gibi mekanik özellikleri genellikle farklı test metotları ile karakterize edilmektedir. Test sonuçları yardımıyla faklı malzemelerin benzer mekanik özellikleri de kıyaslanabilir. Köpüklerin yoğunluk, çekirdek oranı ve kabuk tabakası kalınlığı gibi değiĢken etkilerinin iyi bilinmesi, mekanik özelliklerini belirlemede gerekçedir. 8 Ashby‟nin “Tasarımda malzeme seçimi için optimizasyon teorisi”, çeĢitli malzeme özelliklerini karĢılaĢtırmalı olarak gösterir ve kübik hücre modeli ile anlatır. ġekil 2.4‟de Asbhy tarafından geliĢtirilen, rijit malzeme seçimine yardımcı malzeme haritası 1/2 verilmiĢtir. Kılavuz çizgisi ile kesiĢen malzemeler aynı E/ρ değerine sahiptir. E/ρ, E /ρ 1/3 ve E /ρ, benzer rijit davranıĢ gösteren farklı malzeme kümelerini göstermektedir. 1/3 Örneğin, E /ρ=C1 çizgisinde yer alan mühendislik seramikleri, gözenekli seramikler, mühendislik polimerleri, polimer köpükler ve mühendislik alaĢımları gibi malzemeler benzer rijit davranıĢa sahiptir. Şekil 2.4. Yoğunluğa bağlı olarak elastiklik modülündeki değiĢim (Ashby 1992) Ashby, köpük özelliklerini yoğunluğa bağlı olarak açıklamak için bu yaklaĢımı geliĢtirmiĢtir. Mukavemet-yoğunluk değiĢimini gösteren grafikler mukavemetli malzeme seçiminde, elastiklik modülü-yoğunluk değiĢimini gösteren grafikler rijit malzeme seçiminde kullanılmaktadır. Açık hücreli polimer köpükler için elastiklik modülü ve çekme dayanımı eĢitlik 2.1 ve 2.2 kullanılarak ifade edilmiĢtir. ( ) ( ) (2.1) ( ) ( ) (2.2) Ef: köpüğün elastiklik modülü, Ep: köpüksüz polimerin elastiklik modülü, σf: köpüğün çekme dayanımı, 9 σp: köpüksüz polimerin çekme dayanımı, ρf: köpüğün yoğunluğu, ρp: köpüksüz polimerin yoğunluğudur. Köpük hücreleri çevresindeki uygulanan yük, gerilim yığılmaları ve mekaniksel özelliklere bağlı olarak n=1-4 arasında değiĢmektedir. Bu yaklaĢım, kapalı hücreli köpükler için hücre duvarının bükülmesine ve uzamasına bağlı olarak eĢitlik 2.3 ve 2.4 kullanılarak uygulanabilmektedir. ( ) ( ) ( ) ( ) (2.3) ( ) ( ) ( ) ( ) (2.4) c1, c1 ', c5 ve c5 ' köpüğün mikro yapısına bağlı sabitlerdir. KöpüklendirilmiĢ ve köpüklendirilmemiĢ polimerlerin davranıĢı, polimer köpüklerin darbe özelliklerini etkiler. Köpüğün kırılma enerjisi (If) ve köpüklendirilmemiĢ polimer matrisin kırılma enerjisi (Im) arasındaki iliĢki, EĢitlik 2.5'de gösterilmiĢtir. ( ) ( ) (2.5) Burada, hf ve hm: köpük ve matrisin numune kalınlıkları, m1 ve m2: malzeme fonksiyonuna bağlı sabitlerdir. Çoğu polimer için m1=2 ve m2=3 iken bazı çalıĢmalarda, polipropilen için m1= 3 ve m2=1‟dir. Yapısal köpükler, köpüklendirilmemiĢ hallerine kıyasla düĢük mekaniksel davranıĢ sergilerken, mikro hücresel köpüklerde bu durum tam tersinedir. Daha iyi tokluk, darbe direnci ve yorulma ömrü gösterirler. 10 2.3.1. Yorulma ömrü Yorulma ömrü, malzemelerin akma mukavemetinin altındaki çalıĢma koĢullarında tekrar eden dıĢ kuvvetler etkisiyle malzemenin davranıĢını karakterize etmektedir. 2.3.2. Sıkıştırma özellikleri Polimer köpükler, gelen mekaniksel enerjiyi hücre duvarlarının kırılmasına ya da plastik olarak bükülmesine bağlı olarak absorbe ederler. Polimerik köpükler, sıcaklığa, yükleme türüne, uzama oranına ve köpük yoğunluğuna bağlı olarak farklı sıkıĢtırma davranıĢları sergilerler. Hücre içerisindeki sıvı veya gaz haldeki akıĢkan, deformasyon süresince sıkıĢtırılır ve dıĢarı atılır ya da katı polimer içerisinde kalır. ġekil 2.5'de, polimer köpüklerin sıkıĢtırma altındaki gerilim-gerinim(uzama) eğrisi verilmiĢ olup gösterildiği gibi düĢük gerilimlerde lineer elastik, çökme bölgesi ve onu takip eden gerilimin adım adım arttığı 3 bölgeden oluĢmaktadır. Şekil 2.5. Polimer köpüklerde sıkıĢtırma altında elde edilen gerilim-gerinim eğrisi (Yetgin 2012) Lineer elastik bölge, hücre yüzeyinin uzaması, hücre duvarının bükülmesi ya da eğilmesi ile iliĢkili olup uzun çökme bölgesi, plastik akmaya bağlı olarak gerilim neredeyse sabit kalacak Ģekilde, elastik bükülmeye dayalı hücrelerin çökmesi ile karakterize edilir. Bu bölgede ( çökme bölgesi) yüksek Ģekil değiĢimine maruz kalan polimer köpük, enerjiyi büyük oranda absorbe eder. Hücre kenarları, elastik ya da plastik bükülme ile çökme davranıĢı sergilerken, kapalı hücrelerin yüzeyleri bükülür veya eğilir. Hücre duvarları ise eğilme ya da yamulma ile çökerler ve hücreler tamamen çöktüğünde, hücre duvarlarının temas etmesi daha fazla sıkıĢtırmaya neden olarak, 11 üçüncü bölgede gerilimi arttırmaktadır. Bu durum sırasında eğer hücreler kapalı ise akıĢkanın sıkıĢması, köpüğün rijitliğine katkı sağlamakta olup yine bu sıkıĢtırma çoğu zaman dikkate alınmamaktadır. Plastik çökme bölgesi, sabit gerilim altında mekaniksel enerjinin yayılmasına müsaade etmektedir. 2.3.3. Çekme özellikleri Polimer köpük malzemelerin mekanik özellikleri, proses Ģartlarına (vida adımı, enjeksiyon basıncı, enjeksiyon hızı, kalıp ve ergiyik sıcaklığı, köpük ajanı) bağlı olarak değiĢen hücre yoğunluğu ve hücre boyutundan önemli miktarda etkilenmektedir. Polimer köpüklerde, küçük boyutlu hücreler oluĢturmak ve hücre yoğunluğunu arttırmak, ağırlık azalımını ve çevrim zamanını düĢürmeden çekme direncini artırmanın bir yoludur. Yapılan enjeksiyon kalıplı köpük numune çalıĢmalarında, kalıp sıcaklığının artması çekme dayanımını ve rijitliği azaltmıĢ olup geri besleme basıncının artması ise çekme dayanımı ve rijitliği arttırmıĢtır. Köpük ajanı oranının arttırılması ile mekaniksel özellikler azalmıĢtır. Diğer bir çalıĢmada, relatif yoğunluğa bağlı olarak çekme direnci ve elastiklik modülünün azaldığı belirlenmiĢtir. Elastiklik modülü, rijitliğin bir göstergesidir ve yoğunluk düĢüĢü ile birlikte orantılı olarak rijitlik de azalmaktadır. Kabuk tabakası kalınlığı da polimer köpüklerin çekme dayanımını etkileyen önemli değiĢkenlerden biridir. AĢağıdaki Ģekillerde, TPO (Termoplastik poliolefin) köpük örneğinde kabuk tabakası kalınlığına bağlı olarak çekme modülü, çekme dayanımı ve kopma uzamasındaki varyasyonlar belirtilmiĢ olup kabuk tabakası kalınlığının artıĢı ile birim alandaki ürün miktarı artmıĢtır ve buna bağlı olarak çekme özelliklerinin arttığı gözlemlenmiĢtir. Keskin olmayan çatlak tipi ile küçük kabarcıkların çatlak yayılımı için gerekli olan enerji miktarını artırması ise kopma uzama değerindeki artıĢın kaynağıdır. Şekil 2.6. Kabuk tabakası kalınlığına göre çekme modülündeki değiĢim (Yetgin 2012) 12 Şekil 2.7. Kabuk tabakası kalınlığına göre çekme dayanımındaki değiĢim (Yetgin 2012) Şekil 2.8. Kabuk tabakası kalınlığına göre kopma uzamasındaki değiĢim (Yetgin 2012) Birkaç araĢtırmacı mikro hücresel ve nano hücresel köpüklerin çekme dayanımları için çalıĢmalar yapmıĢ ve hücre boyutunun, köpüklerin çekme dayanımı üzerinde önemli bir etkisi olduğunu söylemiĢlerdir. Homojenlik artıĢı ve hücre boyutunun azalması sonucu köpüğün mekaniksel özellikleri artıĢ göstermiĢtir. Köpüğün rijitliğinin hücre Ģeklinden ve kalınlığından bağımsız olarak, relatif yoğunluğa bağlı olduğu gözlemlenmiĢtir (Lee ve ark. 2005). BaĢka bir çalıĢmada hücre boyutunun, AYPE (Alçak yoğunluklu polietilen) köpüklerin mekaniksel özelliklerine etkisi incelenmiĢ ve hücre boyutlarından bağımsız sadece verilen yoğunluk değerlerinde basma dayanımı ve elastiklik modülü sonuçları benzer elde edilmiĢtir. Yoğunluk sabitlenip hücre boyutunun değiĢimiyle ise köpüklerin mekaniksel özelliklerinde bir değiĢim olmadığı görülmüĢtür (Rıchard ve ark. 2005). 13 Ġlave katkı maddeleri de polimer köpük yapısını ve mekaniksel özellikleri değiĢtirmektedir. %20 talk katkılı PP, %30 cam fiber katkılı PBT (Polibütilen Tereftalat), PP ve PC gibi farklı ürünlerin mekaniksel özellikleri üzerine çalıĢılmıĢ olup katkılı polimer malzemelerin, katkısız polimer köpüklere kıyasla daha iyi hücre yapısına sahip olmaları sebebiyle daha az dayanım kaybı yaĢadığı gözlenmiĢtir. 2.3.4. Darbe özellikleri Hücre morfolojisi, yoğunluk ve kabuk tabakası kalınlığı polimer köpüklerin darbe dayanımı ile doğrudan iliĢkili olup küçük ve homojen dağılmıĢ hücreler, yüksek darbe dayanımı için önemli bir etmendir. Yüksek yoğunluklu, mikro hücresel polikarbonat (PC) köpüklerin darbe dayanımı için çalıĢma yapılmıĢ ve izod darbe dayanımının, hücre boyutunun artıĢı ile geliĢtiği gözlemlenmiĢtir (Barlow ve ark. 2001). ġekil 2.9‟da, PC köpük numuneye uygulanan, farklı relatif yoğunluklara bağlı olarak izod darbe dayanımındaki değiĢim gösterilmiĢtir. 0,63 ve üzerindeki relatif yoğunluk değerlerine sahip köpükler, köpüksüz numunelere kıyasla daha iyi darbe dayanımı göstermiĢ olup yoğunluğun azalması ile lineer olarak azalmıĢtır. Şekil 2.9. Relatif yoğunluğa bağlı olarak PC köpüklerde izod darbe dayanımındaki değiĢim (Yetgin 2012) Hücre boyutu denetimi ile polimer köpüklerin darbe mukavemeti geliĢtirilebilmektedir. Hücre boyutu küçültülüp, yüzey alanı arttırıldığında hücre yoğunluğu artmaktadır. Farklı hücre boyutlarında ve aynı köpük yoğunluklarındaki PP ve PC gibi yarı kristalin ve amorf polimerler için dayanım özellikleri incelenmiĢtir. Hücre boyutundaki azalma, köpük kristalin reçinelerin dayanımını arttırmıĢ olup amorf polimerlerin dayanımında 14 ise herhangi bir değiĢim meydana getirmemiĢtir. Polimer köpüklerin darbe direncini etkileyen en güçlü parametrelerinden biri kabuk tabakası kalınlığıdır. TPO köpüklerin kabuk tabakası kalınlığı 90μm'den 450μm'ye çıktığında köpüğün darbe dayanımı yaklaĢık üç kat artmıĢ, köpük relatif yoğunluğunun azalması ile ise darbe enerjisi azalmıĢtır. Köpüksüz TPO için, kauçuk parçacıklarının takviye edilmesi köpüksüz PP polimerini toklaĢtırmıĢ ve PP matriste ikinci faz gibi iĢlem görmüĢ, darbe enerjisinin soğurulmasına katkı sağlamıĢtır. Buna karĢı TPO köpükler için, kauçuk ve PP fazı arasındaki ara yüzey (interface) bağının zayıf olmasından kaynaklı hücreler, ikinci fazın iki bölgesi arasındaki çatlak boyutunu azaltmaktadır. Bu da darbe yükü ile oluĢan hücre çatlağı oluĢumunun yayılması için daha az enerji gerektirir. Bu sebeple, TPO köpüklerin darbe dayanımı, köpüksüz TPO malzemelere kıyasla büyük oranda azalmıĢtır. Köpük malzemelerin kırılma enerjisi, köpüksüz malzemelerden daha azdır. Köpüklenen malzemeleri kırmak için daha az enerji ihtiyacını iki etken açıklayabilir. Ġlk etken, malzeme kalınlığına göre ortalama hücre boyutunun önemsiz olması, ikinci etken ise açık hücrelerin bulunması ve büyük hücre boyutu dağılımı sebebiyle köpükte düzensiz bir yapının oluĢması ile buna bağlı gerilme yığılmalarının meydana gelmesidir. Fakat homojen olarak dağılmıĢ ve daha küçük hücrelerin çatlak tipi keskin değildir ve çatlak durdurucu gibi davranıĢ gösterir. Bu durum malzemenin darbe direncini artırmaktadır. Hücrelerin çatlak durdurucu etkisi Ģekil 2.10‟da gösterilmiĢtir. Küçük hücre boyutuna sahip mikro hücresel köpüklerde, polimer içerisinde oluĢan kritik çatlak boyutu, hücre boyutundan büyük olabilmektedir. Boyutu azalan kabarcıkların etrafında oluĢan gerilim yoğunluğu da azalmaktadır. Bu sebeple köpük içerisinde mevcut olan hücre boyutunun çok küçük olması, polimer matrisin darbe tokluğunu arttırmakta ve mekanik özelliklerini korumaktadır. Şekil 2.10. Hücrelerin çatlak durdurucu etkisi (Yetgin 2012) 15 2.4. Polipropilen Polimeri ve Özellikleri Polipropilen (PP) polimeri, propilen monomerinin polimerizasyonuyla elde edilen yarı- kristal bir termoplastiktir. Şekil 2.11. Propilen monomeri ve elde edilen polipropilen polimeri (Öksüz 2019) Polipropilen, yaygın bulunabilirliği, düĢük maliyeti, düĢük yoğunluğu ve iyi polimer özellikleri sebebiyle dünyada yaygın kullanılan polimerlerden biridir. Yarı Ģeffaf, beyaz renkli, oda sıcaklığında katı bir görünüme ve düĢük özgül ağırlığa sahip olan polipropilenler, yüksek nem koĢullarında ve sıcaklıklarda kararlı yapısıyla tercih edilen bir polimerdir. Sıcak çözücüler içerisinde yumuĢarlar ve organik soğuk çözeltilerde çözünmezler. Erime sıcaklığı yaklaĢık 130 ile 175°C arasında olup camsı geçiĢ sıcaklığı 3 ise -10°C‟dir. Tüm termoplastiklerin içinde en düĢük yoğunluğa (0.9 g / cm ) sahip olmakla birlikte bu oran matrisin takviye maddesi içerip içermemesine bağlı olarak değiĢiklik gösterebilir. Yüksek sertlik, kimyasal direnç ve yorulma direnci sunar. Çok iyi elektrik yalıtımı olmakla birlikte, UV ıĢın dayanımı az, dıĢ ortamda oksitlenmeye açık ve sürtünme katsayısı düĢüktür. Kaplama ve boya açısından zorluk gösterir. Yanıcı olduğundan nitrik asit, klor içeren solventler ve diğer kuvvetli oksitleyiciler ile etkileĢime girerek yanabilir. Zehirsizdirler, doğru Ģekilde değiĢime uğratıldıklarında yüksek ısı dayanımı gösterirler. Polipropilen, düĢük yoğunluk, maliyet düĢüklüğü, diğer plastik malzemelere göre hafifliği, iĢleme kolaylığı, yüksek sıcaklıklarda kimyasal malzemelerden etkilenmemesi ve yüksek yumuĢuma sıcaklığı gibi avantajlı özelliklerinden dolayı özellikle araĢtırma, ürün geliĢtirme ve genel amaçlı ticari termoplastiklerin en popüler olanı olup bazı durumlarda düĢük maliyetli mühendislik polimeri olarak da adlandırılır. Yiyecek kapları, çocuk oyuncakları, ambalaj sektöründe ilaç kutularından sigara ve müzik plak ambalajlarına kadar birçok alanda tercih sebebidir. Ambalaj sektörünün haricinde, 16 köpük malzeme yapımında, beyaz eĢya parçalarında, boru, kablo, halat, masa gibi hacimli eĢyalarda, halı ipliği, dokuma ve örme kumaĢlar gibi ürünlerde, uçak, elektronik ve otomotiv endüstrilerinde umut vaat eden bazı özel uygulamalara kadar günlük yaĢamımızda çeĢitli uygulamalara sahiptir. Kalıplanabilirliğe sahip olduğundan, otomobillerde kullanılan (fanlar, pano panelleri vb.) tüm plastik malzemelerin yarısından fazlasını oluĢturur. 2010-2016 yılları arasında otomotiv sektöründe kullanılan plastik malzemelerin toplam tüketim yüzdeleri Çizelge 2.1‟de belirtilmiĢtir. Görüldüğü gibi otomobillerde kullanılan plastik malzemelerin içerisinde en çok tercih edilen polipropilen malzemelerdir. Çizelge 2.1. Otomotiv plastik parça üretiminde kullanılan plastik hammadde oranı (%) (Kaya 2019) Plastik Hammadde % Tüketim Polipropilen 23,3 Poliüretan 17,0 Polyamid 12,3 Polivinil klorür 7,0 Polikarbonat 4,7 Polietilen 4,4 Diğer mühendislik plastikleri 12,0  Termoplastik polyester 5,7  PPE 3,8  Poliasetal 1,9 Diğer reçineler 9,5  DoymamıĢ polyester 3,8  Fenolik 3,1  Akrilik 1,5 Polipropilen ile diğer termoplastik malzeme özelliklerinin karĢılaĢtırılması Çizelge 2.2‟de verilmiĢtir. Çizelge 2.2. Polipropilen polimerinin özellikleri ve diğer termoplastikler ile karĢılaĢtırılması (Yetgin 2012) Özellikler PP PVC ABS HIPS AYPE YYPE Eğme modülü (GPa) 1.5 3.0 2.7 2.1 1.3 0.3 Elastik modül (GPa) 1.66 2.14 2.57 1.94 1.35 0.33 Çekme dayanımı (MPa) 33 51 47 42 32 10 Yoğunluk 0.905 1.4 1.05 1.08 0.96 0.92 o Maksimum kullanım sıcaklığı ( C) 100 50 70 50 55 50 17 Polipropilen polimerinin baĢlıca temel özellikleri aĢağıda belirtilmiĢtir.  DüĢük yoğunluk  Yüksek erime noktası  Birçok kimyasal çözücüye karĢı direnç  Ġyi elektriksel yalıtım  Yüksek mekanik mukavemet  ĠĢleme kolaylığı ve düĢük maliyet Polipropilen polimerinin bazı dezavantajları ise aĢağıda verilmiĢtir.  Kötü optik özellikler  DüĢük ultraviole dayanımı  Orta seviye rijitlik  Yanmaya eğilim  Oksitlenmeye açık olma  Renklendirme ve kaplama açısından zorluk 2.4.1. Polipropilen polimerinin fiziksel özellikleri PP (polipropilen) yorulmaya karĢı direnç, hafiflik, tokluk, ısı direnci, sertlik, yüksek çekme dayanımı, darbe dayanımı, basınç dayanımı, kolay imalat ve esneklik gibi türlü fiziksel özelliklere sahip olup propilen monomerinin bir petrol yan ürünü olması kullanım kolaylığı ve düĢük maliyet sağlar. Ayrıca, fiziksel özelliklerinden kaynaklı farklı tekniklerle iĢlem yapılabilme kapasitesine sahiptir. 3 Polipropilen yoğunluğu 0.90-0.91 g/cm 'tür ve termoplastikler arasında en düĢük yoğunluğa sahip polimerdir. Elastomer-modifiyeli ya da katkılı olması PP‟nin yoğunluğunu yüksek oranda değiĢtirir. Örneğin, %40 talk katkılı polipropilen 3 yoğunluğu 1.2 g/cm ‟tür ya da ağırlığının %30‟u cam elyaf polipropilen yoğunluğu 3 1.125 g/cm ‟tür. Özgül ağırlığın düĢük olması, ürünün kalıba döküldüğünde daha hafif olmasına ve böylece kullanım kolaylığı açısından fayda sağlamasına sebep olacaktır. 3 3 3 Bizim çalıĢmamızda üç farklı yoğunluğa (0,043g/cm , 0,068g/cm , 0,02g/cm ) sahip EPP (GenleĢtirilmiĢ polipropilen) numuneler kullanılmıĢtır. 18 Polipropilen sertliği kristallenmeye bağlı değiĢiklik göstermekte olup azalan moleküler ağırlık ile kristallenme oranı azalacağından, buna bağlı olarak sertlik de azalır. Ayrıca sertlik değerleri, takviye malzemesinin miktarına ve tipine bağlı olarak değiĢkenlik göstermektedir. Örneğin takviyesiz polipropilen sertliği, cam fiber takviyeli PP‟nin yüzey sertliğine göre daha düĢüktür. ġekil 2.12‟de sıcaklığa bağlı polipropilen çeĢitlerindeki sertlik değerlerinin değiĢimi gösterilmiĢtir. Sıcaklık etkisi ile polipropilen sertliğinin azaldığını söyleyebiliriz. Şekil 2.12. Polipropilen türlerine ve sıcaklığa bağlı olarak sertlik değiĢimi (Yetgin 2012) PP polimeri yarı-saydam olup optik özellikleri, saydamlık, kırıcı indeksi ve parlaklık açısından araĢtırılabilir. 2.4.2. Polipropilen polimerinin kimyasal özellikleri Polar olmayan yapısından dolayı polipropilenin çoğu kimyasala ve çözücüye kıyasla direnci iyi olup, bu özellik kristalin derecesi yükseldikçe daha da iyileĢecektir. Organik kimyasallara ve inorganik çevre Ģartlarına karĢı en güçlü termoplastiktir. Polipropilen yüksek konsantrasyonlu sülfürik asit, nitrik asit, kerosen karbon tetraklorür, potasyum dikromat ve çok kuvvetli oksitleyici maddeler hariç diğer tüm kimyasallara karĢı oldukça dayanıklıdır. Detarjanlar, asitler, bazlar, alkoller, tuz solüsyonları, yağlar ve petrol de polipropileni etkilemez. Ayrıca oda sıcaklığında polipropileni hiçbir çözücü çözemez. 19 2.4.3. Polipropilen polimerinin mekanik özellikleri Polipropilen polimerinin mekaniksel özellikleri, molekül ağırlığı ve dağılımından oldukça fazla etkilenmektedir. Genellikle moleküler ağırlığın artmasıyla çekme dayanımında ve sertlikte azalma meydana gelirken rijitlik, darbe dayanımı ve moleküler arası çekim kuvvetinde artıĢ gözlenir. Molekül ağırlığı, polimerik yapıda malzemelerin ısıl ve mekanik özellikleri baĢta olmak üzere optik, kimyasal, elektriksel ve iĢlenebilirlik gibi özelliklerini büyük ölçüde etkiler. ġekil 2.13‟de polimer malzemelerin molekül ağırlığı ile fiziksel özelliklerinin değiĢimi gösterilmiĢtir. Şekil 2.13. Molekül ağırlığının fiziksel ve mekaniksel özelliklere etkisi (Ġnci 2006) ġekil 2.13‟de görüldüğü gibi molekül ağırlık artıĢı, polimerik yapı erime viskozitesinin önce yavaĢ, sonrasında ise hızlı bir Ģekilde artıĢına sebep olmuĢtur. Buna karĢılık polimerik yapının erime, çekme, yumuĢama, çarpma ve ısıl sıcaklık gibi özellikleri önce hızla artmıĢ ve daha sonrasında değiĢmemiĢtir. AnlaĢılacağı gibi yüksek molekül ağırlıklı polimerler, yapının mekanik özelliklerini iyileĢtirirken iĢlenebilirliklerini zorlaĢtırır. ġekilde de görüldüğü üzere polimer molekül ağırlıklarının akıĢ, iĢlenebilirlik 6 8 ve mekanik özellikler açısından 10 -10 olması istenir ve polimerik yapılı malzemenin yeterli mekanik davranıĢları gösterebilmesi için molekül ağırlığının 10000‟in üzerinde olması gerekir. Molekül ağırlığı düĢük olan polimer yumuĢak, yüksek olan polimer ise sert ve kırılgandır. DüĢük molekül ağırlıklı polimerlerin akıĢ özellikleri iyidir ve bu sebeple bu tür polimerler ince cidarlı kalıp kullanımında iyi sonuçlar verir. Tüm 20 polimerler gibi polipropilenin de mekanik özellikleri molekül ağırlığına göre değiĢmektedir. ġekil 2.14‟de polipropilen çeĢitlerinin çekme dayanım-uzama grafiği verilmiĢ olup aynı moleküler ağırlığa ya da ergiyik akıĢa sahip türler arasında, homopolimerlerin mekaniksel özelliklerinin random ve blok kopolimerlerin mekaniksel özelliklerine göre daha yüksek olduğu görülür. Şekil 2.14. Polipropilen çeĢitlerinin çekme dayanım-uzama grafiği (Yetgin 2012) Polipropilenin çekme dayanımı ve eğme modülü, AYPE ve YYPE dıĢındaki polimer malzemelerden daha düĢük olup yüksek eğme modülü/maliyet oranı avantajı ile düĢük maliyet açısından birçok mühendislik polimerine göre ideal seçimdir. Şekil 2.15. Polipropilenin farklı çeĢitleri için sıcaklığa bağlı eğme modülündeki değiĢim grafiği (Yetgin 2012) 21 ġekil 2.15‟de polipropilen polimerinin farklı çeĢitleri için sıcaklığa bağlı eğme modülündeki değiĢimi gösterilmiĢtir. PP viskoelastik bir malzeme olması yanında, mekaniksel özellikleri, sıcaklık, zaman, test hızı, uygulanan gerilim seviyesi ve tipi gibi birçok parametreden etkilenmektedir. Kullanım sıcaklığının artıĢ göstermesi, PP‟nin daha sünek hale gelmesine neden olurken artan sıcaklık ile eğme modülü azalmaktadır. Elastiklik modülü ve dayanım ise zamanla, uygulanan yük altında azalır. Polipropilen polimerinin darbe dayanımı, moleküler yapıya ve proses Ģartları neticesinde oluĢan yapıya bağlı olarak değiĢim göstermektedir. Moleküler ağırlık, kopolimer içeriği ve kauçuk fazının sisteme eklenmesi ile darbe dayanımı geliĢtirilebilir. Kauçuk içerik artıĢı, tokluğun artmasına neden olarak, azalan sıcaklıkta sünek kırılma yerine gevrek kırılmanın yaĢanmasına sebebiyet verecektir. Şekil 2.16. Sıcaklık etkisiyle PP polimerlerinin çentikli darbe dayanımı değiĢim grafiği (Yetgin 2012) ġekil 2.16‟da sıcaklık etkisiyle çentikli izod darbe dayanımları değiĢen, PP polimer çeĢitlerinin grafikleri verilmiĢtir. DüĢük sıcaklıklarda dahi PP kopolimer, homopolimere kıyasla daha yüksek darbe dayanımı göstermektedir. 22 Çizelge 2.3. PP malzemelerin mekanik özellikleri ve HDPE malzeme ile kıyaslanması Özellik Test Birim PP PP PPs YYPE YYPE Metodu Natur Gri- Gri Natur Siyah-UV Beyaz 3 Yoğunluk ISO 1183 Gr/cm 0,91 0,91- 0,95 ≥0,94 ≥0,95 0,92 MRF-Erime AkıĢ Miktarı ISO 1183 Gr/10dk 0,2-1 0,2-1 0,4- 0,1-2 0,1-2 o 230 C/2,16 kg 0,6 o 190 C/5 kg 2 Esneklik ISO 527 N/mm ≥1200 ≥1200 ≥1600 ≥800 ≥800 Modülü Isıl GenleĢme Katsayısı DIN 53752 K-1x10-1 1,5 1,5 1,5 1,8 1,8 14 14 14 12 12 Yüzey Direnci DIN VDE - >10 >10 >10 >10 >10 0303, T3 Isısal DIN W/mK 0,24 0,24 0,22 0,4 0,4 Ġletkenlik 52612 Erime o Sıcaklığı - C 165 165 170 - - Sertlik ISO 868 Shore 65 65 70 60 60 D Yanıcılık DIN 4102 - B2** B2** B1 B2** B2** 2.5. Polipropilen Polimerinin Kullanım Alanları Polipropilen türleri genel olarak homopolimer, kopolimer ve random kopolimer olmak üzere üç gruba ayrılır ve kullanım alanları türlere göre değiĢiklik gösterir. Homopolimer, tek tür monomerden çıkılarak sentezlenen bir polimer türüdür. Kopolimerler ise zincirlerinde kimyasal yapısı farklı birden fazla monomer türü bulundurur. Makromolekülü, bileĢimi veya yapısında farklılık gösteren düzenli veya istatistiksel olarak değiĢen homopolimer bloklardan oluĢan doğrusal kopolimerler, blok kopolimer olarak adlandırılır. Random kopolimer, ana zincir yapısı farklı bir monomer molekülü ile modifiye edilmiĢ bir polipropilen türüdür. 23 Şekil 2.17. Hammadde halinde polipropilen (AkkuĢ 2019) 2.5.1. Homopolimerlerin kullanım alanları Genel olarak enjeksiyon ve ĢiĢirme kalıplama yöntemlerine uygun olan bu polipropilenler düĢük sıcaklık uygulamalarında tercih edilmezler. Yüksek sertlik davranıĢı gösterirler. Uygulama alanlarına bakıldığında; gıda, oyuncak, elektrik prizleri, mutfak eĢyaları, endüstriyel parçaların imalatı, kırtasiye ürünleri, tüfek ve tabanca kabzası, teyp ve video kasetleri, tekstil, elektrikli ev aletleri ve otomotiv sektöründeki aksamlar (ön konsol, tampon, direksiyon, benzin deposu vs.) PP‟den ya da PP karıĢımlardan yapılmaktadır. Şekil 2.18. Homopolimerlerin kullanım alanları (AkkuĢ 2019) 2.5.2. Kopolimerlerin kullanım alanları Enjeksiyon ve ĢiĢirme kalıplamaya uygun olan bu polipropilenler ısıya dayanıklı olup darbe mukavemetleri yüksektir. Uygulama alanlarına bakıldığında; banyo eĢyalarında (banyo küveti, leğen, kova vs.), otomobil akü, pil kutuları, far ve tamponlarında, elektronik ürünlerde, saklama kaplarında, çeĢitli amaçlarla kullanılan taĢıma kasalarında, beyaz eĢya aksamlarında (çamaĢır makinesi merdanesi, çamaĢır makinesi kazanı, plastik diĢli, buzdolabı iç aksamı ve buharlaĢma paneli vs.) yerlerde aktif olarak kullanılmaktadır. 24 2.5.3. Random kopolimerlerin kullanım alanları Saydamlıkları iyi olan bu polipropilenler sıhhi tesisat ürünleri baĢta olmak üzere vakumlu veya oluklu levha, profil plakalar, boru üretimi gibi endüstriyel ürünlerin hammaddesi olup ĢiĢirilerek kalıplama yöntemi kullanılarak Ģekillendirilirler. Şekil 2.19. Random kopolimerlerin kullanım alanları (AkkuĢ 2019) AĢağıda poliproplen malzemelerin sektörde uygulama alanlarına örnekler verilmiĢtir. Şekil 2.20. Kaplama tesislerinde sıvı asit vb. kimyevi maddelerin taĢınmasını sağlayan polipropilen malzemeden üretilmiĢ pompa kesit resmi ve görseli Şekil 2.21. Kaplama tesislerinde sıvı asit vb. kimyevi maddelerin depo ve kaplama banyo ünitesi 25 Şekil 2.22. Polipropilen malzeme ile su deposu yalıtım uygulaması Şekil 2.23. Polipropilen malzemeden imal edilmiĢ havalandırma sistemleri uygulaması Ana hatlarıyla uygulama alanları belirtilen polipropilenler günümüz Ģartlarında hemen hemen her sektörde ağırlığı azaltmak ve moleküler özelliğinden kaynaklı, üretimi esnasında yapısal özelliklerini geliĢtirmek üzere katkı maddeleri kullanımına elveriĢli olması sebebiyle metal gibi ağır malzemeler yerine çok sayıda uygulamada yer almaktadır. 2.6. Polimer Köpük Üretim Yöntemleri Polimer köpüklerin üretiminde en yaygın teknoloji ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama ve batch prosesi yöntemi olmakla birlikte, polimer matris ve kullanılan köpük ajanı türüne bağlı olarak da farklı yöntemler kullanılabilir. Basıncın azaltılması veya sıcaklığın arttırılması bir termodinamik kararsızlık oluĢturur. OluĢan bu kararsızlık köpük ajanı 26 çözünürlüğünü azaltarak çekirdeklenme ve hücre büyümesine sebep olur. Bu durum üretim yöntemlerinin temel prensibini oluĢturur. 2.6.1. Batch prosesi ile köpük üretimi Polimer malzeme ilk baĢta doymuĢ hale getirilmelidir, bunun için belirlenen bir basınç ve sıcaklık altında CO2 veya N gibi köpük yapıcılar kullanılır. Yapılan bu iĢlemlere doyma basıncı ve doyma sıcaklığı denir. Sonrasında çekirdeklenmenin baĢlaması için termodinamik kararsızlık meydana gelmesi gerekir. Bunun için basınç serbest bırakılarak ya da numune ısıtılarak, doymuĢ olan gaz çözünürlüğünün hızlıca azalması sağlanır. Numunenin köpük yapıcı ile doyurulmasından sonra hücre çekirdeklenmesi için iki yöntem mevcuttur. Bunlardan birincisi, süper kritik durum ile ifade edilir. Doyma sıcaklığı, polimerin camsı geçiĢ sıcaklığına yakın veya bu sıcaklıktan fazla ise doyma sıcaklığı, köpükleme sıcaklığı gibi davranıĢ gösterir. Burada polimer, basıncın hızlı bir Ģekilde serbest bırakılması ile bu sıcaklıkta köpüklenir. Bu yöntemde, çekirdeklenmeye basınç azalımı ve basınç azalımının zamana bağlı oranı sebep olur. Ġkinci yöntem ise diğerinin tam tersi Ģekilde doyma sıcaklığı, polimerin camsı geçiĢ sıcaklığından daha düĢük olduğu durumdur. Camsı yapının rijitliği ile polimerin genleĢmesi engellenir. DoymuĢ polimer, camsı geçiĢ sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklığa getirilir ve bu iĢlemi yapmak için sıcaklık kontrolünün sağlandığı bir yağ banyosunun içerisinde doymuĢ polimer malzeme bekletilir. Bu Ģekilde köpüklenme sıcaklığı sağlanmıĢ olur. Burada çekirdeklenmeye sıcaklığın artması ve sıcaklık artıĢının zamana bağlı oranı sebep olur. Çekirdeklenme yöntemi fark etmeksizin polimerin camsı geçiĢ sıcaklığından daha az bir sıcaklıkta soğutulması ile çekirdeklerin büyümesi durdurulur. 27 Şekil 2.24. Batch prosesi Ģematik görseli (Yetgin 2008) Polimer malzemenin ölçüleri ile doyma zamanı birbiri ile bağlantılıdır. Doyma süresi, polimer içindeki köpük yapıcının dağılma ve yayılma zamanı olarak ifade edilir ve polimerin ölçülerine göre birkaç saatten birkaç güne değiĢiklik gösterebilir. Bu durum üretim sayısında düĢüklüğe sebep olarak maliyeti arttırır. Bu prosesin bir dezavantajıdır, diğer bir dezavantajı ise bu proses ile üretilen köpüklerin genleĢme oranı düĢüktür. Doyma zamanı, sıcaklığı, basıncı ve basıncın zamana bağlı azalımı hücre yoğunluğunu belirleyen en önemli etkenlerdir. 2.6.2. Ekstrüzyon kalıplama prosesi ile köpük üretimi Batch prosesinin dezavantajı olan uzun doyma süresini kısaltmak için bu yöntem ortaya çıkmıĢtır. PlastikleĢtirme, polimer gaz solisyonunun oluĢumu, hücre çekirdeklenmesi, hücre büyümesi ve hücre kararlılığı olmak üzere köpük üretimi beĢ aĢama ile sağlanır. Bu proseste CO2 gazının kullandığı tek vidalı ekstrüder, çift vidalı ekstrüder, bunlara bağlı olan karıĢtırma ve soğumasının birbirinden bağımsız olduğu tandem ekstrüderler kullanılır. Köpüklenmede öncelikle polimer reçine plastikleĢtirilir. Homojen karıĢım oluĢana kadar ekstrüzyon kovanın içine köpükleyici gaz eklenir ve karıĢtırılır. Eklenen bu gazın miktarı çözünebilirlik seviyesinde bulunmalıdır. Köpükleyici gaz, ekstrüzyon kovanında yükselen sıcaklık sebebiyle konveksiyon difüzyonuna sebep olur ve polimer matris içerisinde çok yüksek oranda difüzyon gerçekleĢir. Elde edilen karıĢım, ekstrüder baĢlangıcından kalıp çıkıĢına doğru basıncı azalarak zorlanır. Çekirdeklenme nozülünde hızlı basınç azalımı meydana gelir ve çekirdeklenen kabarcıklar büyümeye devam eder. 28 Çekirdeklenmenin sonlanmasından sonra ürünün Ģekil ve köpük genleĢmesini kontrol edebilmek için kalıplar kullanılır. Köpüklenen akıĢkan, nozülden dıĢarı çıkarak ortam havasında sertleĢir. Bu proses verimliliği yüksek, kontrol edilebilirliği kolay ve ürün Ģekillendirebilme kolaylığı sayesinde Batch prosesine göre oldukça ekonomiktir. Ayrıca elde edilen köpüklerin kabukları katılaĢarak prosesten gaz kaçıĢını kontrol edilebilir hale getirir. Şekil 2.25. Tek vidalı ekstrüder prosesi Ģematik görseli (Yetgin 2008) 2.6.3. Enjeksiyon kalıplama prosesi ile köpük üretimi Bu proses gaz bozulması, hücre çekirdeklenmesi, hücre büyümesi ve ürün Ģekillendirilmesi aĢamalarından oluĢmaktadır. Enjeksiyon makinesi besleme hunusi, enjeksiyon vidası, ısıtıcıları ve kalıptan meydana gelmektedir. Bu proseste besleme hunusinden polimer eklenirken, köpük yapıcı ise giriĢ kısmından ergimiĢ polimer içerisine eklenir. Proseste kullanılan kalıp hacmi tamamen doldurulmaz, eklenen gaz yüklü polimerin miktarı azaltılır, enjeksiyon ile kalıplama sırasında polimer malzeme, camsı geçiĢ sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Kalıpta, köpük yapıcının ürettiği gaz aniden serbest kalır ve bu durum kalıpta, basıncın aniden azalması demektir. Hücrelerin çekirdeklenmesi ve sonrasında oluĢan hücre büyümesi, kalıptaki boĢlukları doldurur. GenleĢmenin tamamlanması ile kalıplanan polimer köpük, sertleĢme sıcaklığına kadar soğutulur. Enjeksiyonun basıncı, kalıbın doluluğu, köpük 29 yapıcının konsantrasyonu, kalıp soğuma süresi, geri besleme basıncı, kalıbın sıcaklığı ve ergiyik sıcaklığı bu proseste hücre morfolojisini etkilemektedir. Bu prosesin en önemli özelliği, çözünen gazın varlığının oluĢturduğu düĢük viskozitenin, enjeksiyon basıncını azaltma özelliğidir. Üretimi yapılan ürünün hafifliği, daha iyi boyutsal özellikler, soğuma süresindeki azalma ve çevrim süresindeki hızlılık bu prosesin bizlere sağladığı avantajlardır. Ayrıca Ģekil verilmesi zor parçaların üretiminde kolaylık sağlar. Şekil 2.26. Enjeksiyon köpük kalıplama prosesi Ģematik görseli (Yetgin 2008) 2.7. Hopkinson Bar Basma Deneyi Malzeme mukavemet analizlerini ve mekanik davranıĢlarını öğrenebilmek için birçok tahribatlı analiz yöntemi bulunmaktadır. Malzemeyi deformasyona maruz bıraktıktan sonra yapısı ve mevcut formundaki değiĢimi, almıĢ olduğu tahribatı, yük altında göstermiĢ olduğu Ģekil değiĢtirmesini incelemek için darbe testi, iki eksenli çekme testi ve hidrolik ĢiĢirme testi en genel kullanılan yöntemlerin baĢını çekmektedir. Ancak bu testler statik ya da yarı statik yük altında uygulanan testlerdir. Bu testlerde malzemeye -1 -4 -1 -1 -1 uygulanan tahribat hızı 1 s ‟den küçük ve yaklaĢık 10 s -10 s değerleri arasındadır. Bu testlerde yüksek tahribat hızlarına çıkmak mümkün değildir. HBB deneyinde ise 2 -1 4 -1 tahribat hızı 10 s -10 s değer aralığına çıkmaktadır. HBB deneyi sonucu göstermiĢtir ki tahribat hızının yükselmesi malzemenin Ģekil değiĢtirmeye karĢı gösterdiği direnci, sünekliği, pekleĢmesi (deformasyon sertleĢmesi) gibi mekanik özellikleri ĢaĢırtıcı bir biçimde değiĢtirmiĢtir. Bu sayede bilim adamları tarafından önemi artmıĢtır. Yüksek tahribat hızı ve dinamik yük altında test imkanı sağlayan HBB deneyi askeri alanda zırh ve mermi üretimi, polimer, çelik ve metal malzemelerin mekanik analizi, çarpıĢmaların 30 ve malzeme tarafından alınan hasarın önem arz ettiği yerlerde, yaygın bir Ģekilde kullanılmaya baĢlamıĢtır. Malzeme üzerine uygulanan tahribatlı testler sonucunda ayrıntılı bilgi almak ve test edilen malzemede oluĢan deformasyonun analizinin iyi yapılması gerekmektedir. HBB deneyinde malzeme üzerine direkt tahribat vermek yerine iki esnek çubuk arasına malzemeyi yerleĢtirerek sadece bir esnek çubuğa güç uygulanmıĢtır. Bu sayede malzeme üzerinde daha detaylı analiz yapmak mümkün hale gelmiĢtir. John Hopkinson 1872‟de DüĢen ağırlık darbe yöntemi ile çelik tel üstünde deneyler yapmıĢ ve malzemede bir gerilme dalgası oluĢtuğunu fark etmiĢtir. Bu gerilme dalgasının darbe Ģiddetinin de etkisi altında malzemede kopmalar oluĢturduğunu saptamıĢ olmasına rağmen tespit ettiği gerilme dalgasının ölçümünü yapamamıĢtır. Bertram Hopkinson (John Hopkinsonun oğlu) 42 yıl sonra babasının uyguladığı deneyleri irdelemiĢ, irdelediği deneylerden öğrendikleri ve kendi tecrübelerini harmanlayarak patlama ile meydana gelen basıncın ölçümünü gerçekleĢtirebilmek amacıyla basma çubuğu tasarımını yapmıĢtır. Bertram tasarımında rahatça sallanabilecek bir sarkaç sistemi, bir patlayıcı ve çelik çubuklar kullanmıĢtır. Şekil 2.27. Bertram Hopkinson deney düzeneği (GümüĢ 2019) ġekil 2.27‟de görünen A noktasındaki patlayıcının ateĢlenmesi sonucu patlaması ile B çubuğu üstünde oluĢan gerilme dalgası sarkaç üzerinde asılı C noktasındaki çubuğu ileriye doğru fırlatmıĢtır. Deney düzeneğindeki balistik sarkaç C noktasında meydana 31 gelen açısal momentumun hesaplanmasını sağlamaktadır. Deney sayesinde çubuktaki momentum değiĢimi, uygulanan basınç ve basınç süresi ölçülebilmiĢtir. Deney sonucunda basınç ve zamana bağlı bir eğri ortaya çıkmasına rağmen beklenilen hassasiyette sonuç elde edilememiĢtir. Patlama gerçekleĢtiği zaman basma çubuğunda dinamik yüklerin oluĢturduğu radyal ve eksenel Ģekil değiĢimini ölçmek için 1948 senesinde Davies silindirik yapıya sahip kondansatör ve paralel plaka kullanmıĢtır. Patlayıcının ateĢlenmesinin ardından basma çubuğu kesitinde meydana gelen Ģekil değiĢiminin, silindirik yapıya sahip kondansatör ve çubuk yüzeyindeki doğrusal Ģekil değiĢiminin ölçümünü, paralel plaka ile sağlamıĢtır. Herbelt Kolsky 1949 senesinde Hopkinson deney düzeneği üstünde yaptığı geliĢtirmeler sayesinde metal, polimer ve kauçuk yapılarda bir takım malzemenin yüksek tahribat hızında Ģekil değiĢtirmelerini gözlemlemiĢ, deney sonucunda gerilim ve Ģekil değiĢtirmeye bağlı bir grafik elde etmiĢtir. Herbelt Kolsky geliĢtirdiği düzenekte iki adet basma çubuğu kullanmıĢ, test edeceği malzemeyi bu iki basma çubuğunun arasına koymuĢtur ve kondansatör ile tespit ettiği sonuçları osiloskop cihazında gözlemlemiĢtir. Yaptığı hesaplarda ise, gerilme dalgası herhangi bir saçılma ve dağılma olmadan yayılır ve doğrusal gerilme yayılımına sahiptir gibi bir takım kabuller yapmıĢtır. Hopkinson, basma çubuğunda yaptığı bu geliĢmeler ve deney sonucu aldığı sonuçlar sayesinde kurduğu deney düzeneği oldukça önem kazanmıĢ ve adı Parçalı Hopkinson basma çubuğu olarak bilim dünyasında yerini almıĢtır. Krafft, deney sonucu ölçülen değerlerin doğruluğunu arttırmak ve daha hassas ölçüm yapabilmek için 1954 senesinde deney düzeneğine gerinim ölçerler (strain gauge) yerleĢtirmiĢ, istediği darbe etkisine ulaĢabilmek ve deney sürekliliğini sağlayabilmek için deneyde patlayıcı kullanmak yerine darbe etkisi oluĢturmak için gaz tabancası geliĢtirmiĢ ve kullanmıĢtır. Ġlerleyen zamanlarda deney düzeneğine yapılan iyileĢtirmeler sayesinde parçalı hopkinson deney düzeneği darbe yükü haricinde çekme, burulma, kırılma analizleri yapabilecek bir hal almıĢ ve sonlu elemanlar analizi yazılımları, dijital cihazlar ve geliĢen teknoloji ile parçalı hopkinson deney düzeneği ile yapılan testlerde daha kesin ve hassas ölçümler gözlemlemek mümkün olmuĢtur. 32 Şekil 2.28. Farklı Ģekil değiĢtirme hızları için gerilme-Ģekil değiĢtirme grafiği (GümüĢ 2019) 2018 senesinde Fan, Weerheijm ve Sluys polimer yapıya sahip bir malzeme üzerinde farklı Ģekil değiĢtirme hızlarında ve dinamik yükler altında malzemenin verdiği tepkinin analizini yapmıĢ ve deney sonucu polimer malzeme üzerinde oluĢan deformasyonu incelemiĢtir. Ġlk deformasyondan itibaren son parçalanmaya kadar art arda gerilme sonucu meydana gelen dinamik hasar sürecinin radyal yüzey çatlaması, çevresel mikro çatlama ve radyal makro parçalamaya sebep olduğu gözlemlenmiĢtir (Fan, J.T., Weerheijm, J., Sluys L.J., 2018). Şekil 2.29. PHBÇ yüklemesi altında silindirik polimer malzemede oluĢan hasar çeĢitlerinin gösterimi (GümüĢ 2019) 33 2.7.1. Hopkinson basınç bar deney sistemi prensibi ve hesaplama teorisi Deneyin çalıĢma prensibi, darbe kuvvetini oluĢturan gaz tabancası, mermi ve çubuk bileĢenleri ile tek boyutlu bir dalga yayılımı oluĢturmak ve bu dalga yayılımının analiz edilmesidir. Şekil 2.30. Deney düzeneği üzerindeki çubuk ve diferansiyel eleman (ġimĢek 2011) ġekil 2.30‟da merminin oluĢturacağı darbeden önce statik dengede olan çubuk, Ao kesit alanına ve dy uzunluğuna sahip diferansiyel eleman bulunmaktadır. Darbenin etkisi ile diferansiyel eleman üzerinde ġekil 2.31‟de görüldüğü gibi F1 ve F2 kuvvetleri meydana gelmektedir. Şekil 2.31. Darbe etkisi uygulanan diferansiyel eleman (ġimĢek 2011) Darbe etkisi ile diferansiyel elemanda meydana gelen kuvvetler, diferansiyel elemanın kesit alanına uygulanan gerilmeler ile iliĢkilidir. Hook kanununa uygun çubuklarda Elastisite modülü (E), Ģekil değiĢtirme(du/dy) ve gerilme (σy) arasında bir iliĢki vardır. Diferansiyel elemanda meydana gelen gerilimin tek eksenli olduğunu kabul edersek, meydana gelen kuvvetleri temel değiĢkenler (u) kullanarak ifade edebiliriz. (2.6) (2.7) 34 Şekil 2.32. Diferansiyel eleman üzerindeki kuvvetler (ġimĢek 2011) ġekil 2.32‟de gösterilen diferansiyel eleman üzerinde etki eden kuvvetleri Newton‟un ikinci yasası olan kuvvetlerin hareket üzerine etkisine göre uyarlarsak hareket denklemini Ģu Ģekilde yazabiliriz. (2.8) (2.9) Denklem 2.7‟yi denklem 2.9‟da yerine koyup düzenledikten sonra parçacık ivmelerinin sabit olduğunu kabul edersek y ekseni üzerinde hareket denklemini yazabiliriz. (2.10) C0 dalga hızını ifade eder ve denklemi aĢağıdaki gibi yazılır. Denklemde, E çubuğun elastisite modülünü, yoğunluğunu ifade etmektedir. √ (2.11) Hareket denklemi, veri analizinde doğrudan kullanılmasa bile sonsuz bir dalga boyundaki dalganın teorik hızını bulmak için kullanılır ve bu sayede analizi yapılan parçanın Ģekil değiĢimi, gerilimi ve deformasyon hızı değerleri bulunur. 2.7.2. Çubuklarda dalga yayılımı ve yansıması Kabullerde çubuk uzunluğu sonsuz olarak kabul edilse bile deney düzeneğinde belirli bir uzunluğa ve kesit alanındaki çap ve malzeme değiĢimi gibi süreksizlikleri vardır. Çubukların malzeme değiĢimi çubuk empedansı Ģeklinde de isimlendirilir. Kullanılan çubukların dalga yayılımına etkileri oldukça fazladır. Çubuk ve numunenin birbirine temas eden yüzeyleri, çubuk birleĢim noktaları ve çubuk uçları sınır noktalardır. Bu 35 kısımlarda dalga geri yansımalara neden olur. Dolayısıyla buralarda Ģekil değiĢtirme daha yüksek çıkar ve bu yüzden ölçümler bu noktalardan daha uzak noktalarda yapılmalıdır. Empedans, çubuğa uygulanan kuvvetin parçacığın hızına oranı ile bulunur ve Z ile ifade edilir. (2.12) 2.7.3. Gerilim, şekil değiştirme ve deformasyon hızı, veri analizi Deney numunesi üzerine etki eden kuvvetler ġekil 2.33‟de gösterilmiĢtir ve ortalama kuvvet, denklem 2.13‟de, gerilim ise denklem 2.14‟de gösterildiği gibi hesaplanır. Şekil 2.33. Numune üzerine etki eden kuvvetler (KandırmıĢ 2016) ( ) ( ) ( ) (2.13) ( ) ( ) (2.14) ( ) Dinamik halde denge durumunda olan numunede, çubuk uçlarındaki kuvvetler gelen ve yansıyan dalgaların Ģekil değiĢimi cinsinden yazılabilir. ( ) [ ( ) ( )] (2.15) ( ) ( ) (2.16) DB kullanılan çubuk çapını ifade etmektedir ve denklemlerde gerekli düzenlemeler yapıldığında Ģekil değiĢtirme cinsinden ortalama gerilme denklemi yazılmıĢ olur. 36 ( ) [ ( ) ( ) ( )] (2.17) Test numunesi üzerinde oluĢan deformasyonun her yere aynı Ģekilde etki ettiğini kabul edersek giriĢ ve çıkıĢ çubuklarında meydana gelen Ģekil değiĢimi aynı olur. Bu eĢitlikten faydalanarak ortalama gerilme denklemi yeniden düzenlenebilir. ( ) ( ) ( ) (2.18) ( ) ( ) (2.19) Malzeme üzerinde birim zamandaki Ģekil değiĢim miktarı, deformasyon hızıdır. Darbe sonrası test numunesi ve çubuk ara yüzeyinde meydana gelen yer değiĢimi yardımı ile deformasyon hızı bulunabilir. GiriĢ (vi ) ve yansıyan (vr) dalgaya bağlı parçacık hızlarının toplamı, giriĢ çubuğu ve test numunesi ara yüzeyinde oluĢan hızı (v1) verir. Y ekseni üzerinde giriĢ dalgası +y, yansıyan dalga ise –y doğrultusunda hareket eder. (2.20) (2.21) (2.22) ( ) (2.23) Dalga +y doğrultusunda ilerlediği için v2 aĢağıdaki gibi yazılabilir. (2.24) ġekil değiĢtirme hızı genel formülü Denklem 2.25‟deki gibi yazılmaktadır. Denklemde gerekli düzenlemeler yapıldığında Denklem 2.26‟daki gibi yazılır. ( ) ̇ (2.25) ( ) ̇ (2.26) 37 ̇ sembolü Ģekil değiĢtirme hızını ifade etmektedir ve Ģekil değiĢtirme ifadesinin hesaplanması için belirlenen bir t zamanı için ̇‟in 0‟dan t zamanına integralinin hesaplanması gerekir. Bu sayede Ģekil değiĢtirme ifadesi (gerinme) hesaplanabilir. ∫ (2.27) Deney düzeneğinde belirli yerlere yerleĢtirilen gerinim ölçerler (strain gauge) sayesinde veri elde etmek mümkündür. Sistem üzerinde Ģekil değiĢikliği meydana gelirken, gerinim ölçer gerilir ya da sıkıĢır ve içerisinde bir direnç değiĢimi oluĢur. Gerinim ölçer bu değiĢimini wheatstone köprüsü sayesinde görüntülenebilen ve analiz edilebilen bir elektrik sinyaline dönüĢtürerek veri elde etmemizi sağlar. Elde edilen sinyaller kullanılarak Ģekil değiĢimi verilerine çevrilir. ġekil 2.34‟de HBB deneyinde elde edilen gerinim ölçer kayıtları ile ilgili bir örnek grafik verilmiĢtir. Şekil 2.34. Parçalı hopkinson deneyinde ölçülen gerinim ölçer kayıtları (ġimĢek 2011) 2.8. Literatür Taraması Plastik iĢleme sanayi sektöründe rekabetçi olabilmek için, üretim süreçlerinde yenilikçi geliĢmeler ile ürün maliyetlerini minimuma çekmek ve bu yeni ya da geliĢtirilmiĢ ürünleri piyasaya sunmak gerekir. Polimer köpükler, yoğunluklarının ve üretim maliyetlerinin düĢük olması sebebiyle iyi bir alternatif olup bu talebe karĢılık verebilecek ürünler arasındadır. GeçmiĢten günümüze kadar araĢtırmacılar bu malzemelerin Ģekillendirilebilirliği, deformasyonu ve malzeme karakterizasyonu gibi bilgilere sahip olabilmek adına birçok 38 yöntem kullanmıĢlardır. Bu bilgilere ulaĢma sırasında hammadde ve zaman tasarrufu sağlayabilmek için de birçok metot geliĢtirilmiĢtir. Üründe meydana gelen deformasyonun ya da üründe oluĢan gerilme durumunun sonlu elemanlar veya benzeri metotlar ile öngörülememesi ya da hatalı Ģekilde tahmin edilmesi, hem zaman hem maliyet kaybına sebep olmaktadır. Bu nedenle zaman ve malzeme tasaruffu amacı güdülerek birçok yöntem geliĢtirilmiĢtir. Ancak bu yöntemler statik veya yarı statik yüklemeye maruz kalan malzemeler için elveriĢli olup yüksek Ģekil değiĢtirme hızlarına çıkamamaktadır. Bu çalıĢmada, farklı yoğunluktaki EPP köpük malzemelere yüksek Ģekil değiĢtirme hızları uygulanacağı için dinamik dayanımları Split Hopkinson (BölünmüĢ Hopkinson Basma Çubuğu) deney düzeneği kullanılarak belirlenmiĢtir. Deney düzeneğinden elde edilen malzeme verileri kullanılarak, sonlu elemanlar yazılımı (HyperMesh) ile bu farklı yoğunluktaki köpüklerin performansları incelenmiĢtir. Her araĢtırmacı çalıĢmasında farklı bir polimer malzeme kullanmıĢ olup bazıları ise çalıĢmalarında köpük yapıcıların tesirini incelemiĢtir. Birkaç araĢtırmacı ise iĢlem özelliklerinin materyalde oluĢturulan köpük hücre yapısına etkisini incelemiĢlerdir. Alteepping ve arkadaĢı, farklı viskozitelere sahip polipropilen termoplastik malzemeleri 3 ekstrüzyon yöntemi kullanarak 0.2 g/cm ‟den daha az yoğunluğa sahip köpükler üretmiĢlerdir. Uygun köpük yapıcı ve çekirdekleyici ajanın kullanımı ile 300 µm hücre boyutuna sahip ince hücreli yapılar elde etmiĢlerdir (Alteepping ve ark. 1990). Xin ve arkadaĢları, enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi ile PP/atık kauçuk tozu karıĢımını kullanarak kimyasal köpük ajanı yardımıyla polimer esaslı köpük malzeme üretmiĢlerdir. Enjeksiyon hızı, vida adımı, ergiyik sıcaklığı ve köpük ajanı miktarının üretilen köpüklerin mekanik özelliklerine etkilerini incelemiĢlerdir. ÇalıĢma sonucu, köpük ajanı miktarının hücre yoğunluğu ve boyutu üzerine en önemli parametre olduğunu, köpük kabuk tabaka kalınlığının artmasıyla çekme dayanımının arttığını göstermiĢtir (Xin ve ark. 2004). Chien ve arkadaĢları, polipropilen köpüklerin mekanik özelliklerini enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi ile araĢtırmıĢlardır. Ergiyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı ve enjeksiyon hızı gibi parametrelerin, mekanik özelliklere (rijitlik, çekme ve eğme dayanımı) ve parça ağırlığına etkilerini incelemiĢlerdir. Köpük ajanı miktarının ve parça kalınlığının, 39 köpüklenme derecesi üzerine etkilerini de incelemiĢlerdir. 0.5 mm kalınlığındaki çekme numunelerinde yaklaĢık olarak %4 ile %9 oranında ağırlık azalımı gözlemlenirken 15 mm kalınlığındaki eğme numunelerinde ağırlık azalımı yaklaĢık olarak %43-50 arasında meydana gelmiĢtir. Parça kalınlığının köpüklenme derecesini belirlemede önemli bir etken olduğu belirtilmiĢtir. Artan ergiyik sıcaklığı, enjeksiyon hızı ve kalıp sıcaklığı ile parça ağırlığı ve mekanik özellikler azalırken, geri besleme basıncının artması ile artıĢ göstermiĢtir. Köpük ajanı miktarının %0.8‟den %1.6‟ya çıkmasıyla mekanik özellikler (çekme dayanımı, eğme dayanımı ve rijitlik) azalma göstermiĢtir (Chien ve ark. 2004). Nam ve arkadaĢları, ekstrüzyon metodu ile lineer ve dallanmıĢ polipropilen kullanarak polimer köpük malzeme üretmiĢler ve proses koĢullarının köpük performansı üzerine etkilerini gözlemlemiĢlerdir. Kimyasal köpük ajanı türü, ince kesitli kalıbın uzunluk/çap oranı gibi parametrelerin köpük yoğunluğuna etkilerini araĢtırmıĢlardır. Köpük yoğunluğunu etkileyen en önemli parametrenin, dallanma oranı olduğunu belirlemiĢlerdir (Nam ve ark. 2005). Lee ve Cha, enjeksiyon köpük kalıplama metodu yardımı ile fiziksel köpük ajanı kullanarak, %20 talk (sulu magnezyum silikat) katkılı polipropilen köpük malzeme üretmiĢlerdir. Kalıp sıcaklığının, polimer ergiyik sıcaklığının ve enjeksiyon akıĢ oranının, kabuk tabakası oluĢumuna etkilerini incelemiĢlerdir. ÇalıĢmaları neticesinde, kabuk tabakası kalınlığını etkileyen kritik etmenin kalıp sıcaklığı olduğu sonucuna varmıĢlardır. KalıplanmıĢ numunelerin darbe dayanımları ise yüksek kalıp sıcaklığından etkilenmiĢtir (Lee ve ark. 2005). Yetgin ve Ünal, polimer köpük üretiminde, polimer içindeki gözeneklerin malzemenin yoğunluğunu önemli oranda azalttığını ve daha az hammadde kullanımı sağladığını, dolayısıyla ürünün fiyatını da büyük oranda düĢürdüğünü belirlemiĢlerdir. Mikro- hücreli köpüklerin, köpüksüz polimerlere göre üstün özelliklere sahip olduğunu gözlemlemiĢlerdir. En fazla tercih edilen ekzotermik kimyasal köpük yapıcının Azodikarbonamit olduğunu, karbondioksitin ise ozona zarar vermemesi sebebiyle fiziksel köpük yapıcılar arasında en fazla tercih edilen köpük yapıcı olduğunu söylemiĢlerdir. Polimer köpük malzemelerin hem ekstrüzyon köpükleme gibi metodlarla hem de Batch köpükleme gibi süreksiz metodlarla üretilebileceğini dile getirmiĢlerdir. Sürekli ekstrüzyon köpükleme yönteminin, Batch yöntemine kıyasla 40 kontrolünün kolay olması, veriminin yüksek oluĢu ve esnek ürün Ģekillendirme özelliklerinden dolayı daha ekonomik olduğunu ve sürekli ekstrüzyon köpük üretim yönteminde kalıp ve ergime sıcaklığının düĢük olmasının ergime direncini geliĢtirdiği gibi hücre birleĢmelerini de azalttığını gözlemlemiĢlerdir. Enjeksiyon köpük kalıplama iĢlemi ile azalan soğuma zamanı, hızlı çevrim zamanı, daha iyi ölçü kararlılığı ve model parçalarda ağırlık tasarrufu elde edilebileceğini söylemiĢlerdir. Ayrıca enjeksiyonla köpük malzeme metodu ile ekstrüzyonla köpük üretim metodu kıyaslandığında, karmaĢık Ģekilli parçaların üretiminde avantaj sağladığı ve uygun köpük yapıcı seçilmesi ile istenilen özelliklerde, düĢük yoğunluklu, homojen olarak dağılmıĢ küçük hücre boyutlu köpük malzemeler üretilebileceği gözlenmiĢtir (Yetgin ve ark. 2008). Cisneros ve arkadaĢları, enjeksiyon kalıplama yöntemi ile kimyasal köpük ajanı kullanarak üretilen YYPE yapısal köpüklerin hücre yoğunluğuna, hücre boyutuna ve kabuk tabakası kalınlığına farklı kalıp sıcaklıklarının tesirini araĢtırmıĢlardır. ÇalıĢma sonuçları eğme ve darbe dayanımları açısından da incelenmiĢtir. ĠĢlemler sonucu, toplam kabuk tabakası kalınlığının artıĢı darbe direncini arttırırken, kalıp sıcaklığının artıĢı, eğme ve darbe dirençlerini azaltmıĢtır (Cisneros ve ark. 2008). Bouix ve arkadaĢları, EPP (GenleĢtirilmiĢ polipropilen) köpük performansını, yoğunluk, mikro yapı ve ayrıca dinamik yükleme sırasında uygulanan Ģekil değiĢtirme hızı gibi farklı parametrelerin fonksiyonu olarak incelemiĢlerdir. Yüksek gerinme hızı basınç -1 -3 testleri yaklaĢık 1500 s hızında, 34 ve 150 kgm arasındaki çeĢitli yoğunluklarda, mikro yapısal görünümlü iki özel EPP köpük, naylon çubuklar ile viskoelastik BölünmüĢ Hopkinson Basınç Çubuğu aparatı (SHPB) kullanılarak incelenmiĢtir. Köpüklerin kapalı hücrelerinde sıkıĢan gazın katkısını değerlendirmek için, dinamik yükleme hızlarında bir akıĢkan odasında basınç testleri gerçekleĢtirilmiĢtir. EPP köpüklerde sıkıĢtırma testleri sonucunda köpük mukavemetinin, yoğunluğa göre arttığı gözlenmiĢtir. Daha yüksek yoğunluklu köpüklerde Ģekil değiĢtirme hızının daha belirgin olduğu saptanmıĢtır. Köpük mikro yapısı, iki farklı mikro yapıda ve eĢit yoğunlukta genleĢmiĢ polipropilen köpük vasıtasıyla da incelenmiĢtir. Daha büyük hücrelerin (daha uzun ve daha kalın hücre duvarları) mikro atalet etkisinin eğilmeyi veya bükülmeyi zorlaĢtırması sebebiyle dinamik yükler altında daha güçlü olduğu gözlenmiĢtir (Bouix ve ark. 2009). 41 Ünal ve Yetgin, polipropilen köpük malzemenin mekanik özelliklerine ve hücre morfolojisine proses koĢullarının etkisini incelemiĢlerdir. Ergiyik sıcaklığının artıĢı, hücre çapını %13,5 ve hücreler arası uzaklığı ise %18,5 oranında arttırmıĢtır. Ayrıca ortalama hücre sayısının %13 oranında azaldığı gözlemlenmiĢtir. Katkısız polipropilen 3 polimerinin yoğunluğu 0.91 g/cm iken köpük polipropilen üretimi sonunda elde edilen 3 köpük yoğunlukları 0,835-0,850 g/cm arasında değiĢmektedir. Enjeksiyon hızının artıĢı, hücre çapında azalmaya ve hücre sayısında ciddi bir artıĢa sebep olmuĢtur. Ergiyik sıcaklığının artıĢı, hücre yoğunluğunda azalmaya neden olurken, enjeksiyon hızının artıĢı, hücre yoğunluğunu önemli oranda arttırmıĢtır. ÇalıĢma sonucunda enjeksiyon hızı ve ergiyik sıcaklığı artıĢı sonucu, darbe direncinde azalma olduğu belirlenmiĢtir (Ünal ve Yetgin 2011). Avalle ve arkadaĢları, üç polimerik köpüğün (EPP, PU ve PS/PA köpükleri) oda sıcaklığında mekanik özelliklerini (polimerik köpüklerin mekanik özellikleri genel olarak sıcaklık değiĢimlerine karĢı oldukça hassastır) darbe yükleme koĢullarında deneysel olarak değerlendirmiĢtir. Enerji soğurma özellikleri hem enerji soğurma Ģeması yöntemi hem de verimlilik Ģeması yöntemi ile incelenmiĢtir. Burada köpüğün maksimum verimi, köpüğün optimal enerji hapsetme Ģartını belirlediği ve maksimum gerilime ulaĢtığında köpüğün karakterize edilmesi ve enerji hapsetme komponentlerinin dizaynı için faydalı olan sentetik diyagramların elde edilmesi için verimlilik diyagramı kullanılmıĢtır. Sonuç olarak, bu üç malzemenin değiĢen yoğunluklarına bağlı olarak mekanik performans özellikleri kıyaslanmıĢtır. Gerilim-Ģekil değiĢtirme eğrileri darbe yükler altında incelenerek elde edilmiĢtir. Polipropilen köpükler için beĢ çeĢit, poliüretan ve poliamid köpükler için iki farklı yoğunluk incelenmiĢtir. Verimlilik diyagramı ve enerji hapsetme diyagramı methodları ile enerji hapsetme karakteristikleri incelenmiĢtir. Ölçülen sıkıĢtırılmıĢ gerilme-gerinme eğrisi ile verimlilik eğrisinin elde edilebileceği ve maksimum verimin optimal düzeyde enerji hapsetmeyi tanımladığı gözlenmiĢtir. Verimlilik diyagramından elde edilen verilerin enerji hapsetme diyagramından elde edilen sonuçlar ile tutarlı olduğu fakat verimlilik diyagramının pratik avantajlar sağladığı gözlenmiĢtir. Verimlilik diyagramı malzemelerin karakterize edilmesi ve enerji hapsetme komponentlerinin dizaynı için faydalı olan sentetik diyagramların elde edilmesinde kullanılmıĢtır. Polipropilen ve poliamid köpükler hücre yapıları farklı olmasına rağmen benzer özellikler ve hassas Ģekil değiĢtirme oranları 42 göstermiĢtir. Poliüretan köpükler tamamıyla farklı özellikler ve daha hassas Ģekil değiĢtirme oranı göstermiĢtir. Bağıl olarak artan yoğunlukların, malzemelerin mekanik özelliklerine herhangi bir etkisi olmadığı gözlenmiĢtir (Avalle ve ark. 2011). Zhang ve arkadaĢları, çalıĢmalarında artık (geriye kalan) gerinme etkileri ile iliĢkili sıkıĢtırılabilir geniĢletilmiĢ polipropilen köpüklerdeki gerilmeyi hafifletmeyi gösteren bazı deney sonuçlarını tanımlamıĢlardır. Daha sonra Ogden ve Dorfmann sonuçlarına dayanarak, enerji fonksiyonuna iki değiĢken dahil edilerek gerilme hafifletme ve artık gerinme etkilerini ele almak için, sahte elastik model tanımlamıĢlardır. Ġki çeĢit EPP köpüğün, tek eksenli sıkıĢma testlerinin sayısal simülasyonu, Ogden modelinin malzeme parametrelerini belirlemek için kullanılmıĢtır. Sayısal simülasyon göstermiĢtir ki, sahte elastik model, polimerik köpüğün elastik olmayan, oldukça kesin tahminlerini sağlar (Zhang ve ark. 2011). ġimĢek, C377 pirinç ve 6063 alüminyum numunelerini Parçalı Hopkinson BaĢınç Çubuğu deney düzeneği kurulumu gerçekleĢtirerek test etmiĢtir. Numuneler yarı statik yük altında servo-hidrolik deney cihazında, düĢük deformasyon hızlarında incelenerek gerilme-Ģekil değiĢtirme eğrileri elde edilmiĢtir. Sonrasında ise bu numuneler yüksek deformasyon hızları altında Hopkinson test düzeneğinde incelenmiĢ olup dinamik gerilme-Ģekil değiĢtirme eğrileri elde edilmiĢtir. ĠĢlemler sonucu yüksek ve düĢük deformasyon hızları sonrasında elde edilen grafikler karĢılaĢtırılmıĢ ve her iki malzemede de düĢük deformasyon hızında meydana gelen akma gerilmesinin yüksek deformasyon hızındaki akma gerilmesinden düĢük olduğu görülmüĢtür. Farklı uzunluklarda iki tip alüminyum numunelerde 2 bar, 4 bar ve 6 bar basınçlarda farklı deformasyon hızları elde edilmiĢ olup numune boyutu azaldıkça deformasyon hızında önemli artıĢlar gözlenmiĢtir. Deformasyon hızının yalnızca uygulanan basınca bağlı olarak değil numune boyutuna bağlı olarak da değiĢim gösterdiği saptanmıĢtır. Gaz tabancası basınç artıĢı, yansıyan ve geçen gerilme dalgalarının genliklerinde artıĢa sebep olarak numunelerde gerilme değerinin ve deformasyonun artmasına neden olmuĢtur. Ayrıca sinyal Ģekillendirici olarak kullanılan bakır diskin kalınlığındaki değiĢimin deformasyon hızını etkilediği ve boyutlarının azaltılmasıyla daha yüksek deformasyon hızlarına ulaĢılacağı tahmin edilmiĢtir. Kalın bakır disk ile numuneden elde edilen akma gerilmesi ve deformasyon hızının, ince bakır diske göre oldukça düĢük olduğu tespit 43 edilmiĢtir. Parçalı Hopkinson deneyi sonrası numunede sıcaklık artıĢı gözlenmiĢ ve bu durum numunede darbe enerjinin bir kısmının ısı enerjisine dönüĢtüğünü göstermiĢtir. -1 Parçalı Hopkinson deneyi sonucu elde edilen en yüksek deformasyon hızı 3369 s olmuĢtur. Bakır disk kalınlığının ve numune uzunluğunun azaltılması ile daha yüksek deformasyon hızlarına ulaĢılabileceği tespit edilmiĢtir. Ayrıca basma çubuğu olarak kullanılan çeliğin daha yüksek akma dayanımına sahip olması gerektiği sonucuna varılmıĢtır (ġimĢek 2011). Maheo ve Viot, çok katmanlı köpük hacimleri üzerinde deneysel dinamik sıkıĢtırma testleri yapmıĢ ve sonlu elemanlar metodu sonuçları ile karĢılaĢtırmıĢlardır. Bu çalıĢmada EPP malzemesi kullanılmıĢtır. Çok katmanlı köpük darbe yüklemelerine maruz kalmıĢ ve bu yüklemelerde enerji emme kapasiteleri gösterilmiĢtir. Split 3 -1 Hopkinson Basınç Çubukları ile 10 s gerinme hızlarına ulaĢmak için dinamik sıkıĢtırma testleri yapılmıĢtır. Gerilme seviyesindeki küçük bir farklılık dıĢında FE simülasyonu, deney ile iyi bir sonuç vermiĢtir. Bu çalıĢma, kademeli yoğunluğa sahip bir köpüğün, katmanlar arasındaki büyük yoğunluk farkı nedeniyle darbe enerjisi emiliminin sabit değil, kademeli olarak gerçekleĢtiğini göstermektedir. Ayrıca bu çalıĢma tasarımcısına, gözenekli yapının ve en uygun enerji emilimini ayarlamanın sağlanması için belirli bir kontrole göre köpük oluĢumu yapılması gerektiğini göstermiĢtir (Maheo ve ark. 2013). KandırmıĢ, Split Hopkinson deney sistemlerinin çalıĢması sırasında ortaya çıkan gerilme ile çubukların akma sınırını geçip geçmeyeceğini bilmenin test öncesinde önemli faktör olduğunu söylemiĢtir. Bu sebeple, Split Hopkinson bası ve çeki düzeneği sonlu elemanlar analizi yapmıĢtır. Çubuk hızı ve Ģekil değiĢtirmeleri, numune ara yüzeyine 40 cm mesafeden alınmıĢtır. Analiz sonucu, Split Hopkinson bası düzeneği çubuklarında kullanılan Ck45 malzemesinin, 3 bar deney basıncında akma gerilmesi (450 MPa) değerini aĢmadığını ve akma değeri 72 MPa olan numunenin ise akma gerilmesi değerinin üstüne çıktığını ve bundan kaynaklı deforme olduğunu göstermiĢtir. Split Hopkinson çeki analizleri sonucunda, Ck45 malzemesinin yumuĢak ve orta sertlikteki malzemelerin, yüksek deformasyon hızındaki deney düzeneklerinde kullanılabileceği belirlenmiĢtir (KandırmıĢ 2016). 44 GümüĢ, çift eksenli gerilme altında parçalı hopkinson basma çubuğu ile malzeme analizi yapmıĢtır. Numune, içi dolu kapalı hacimli bir düzenek ile 15, 20 ve 24 m/s hızlarında çift eksenli gerilme altında Abaqus programı yardımıyla analiz edilmiĢtir. PHBÇ için alüminyum malzeme kullanılarak sadece elastik Ģekil değiĢimi özellikleri tanımlanmıĢtır. Analiz sonucunda Ģekil değiĢtirme, basınç ve gerilme gibi değerler incelenmiĢtir. GiriĢ çubuğuna uygulanan hızın, yansıma çubuğuna gelerek bir miktarının yine buradan geri döndüğü bir miktarının ise çıkıĢ çubuğu üzerinden dalga olarak iletilmeye devam ettiği gözlenmiĢtir. Analiz öncesi numuneye tanımlı eleman geometrisinden alınan gerilme-Ģekil değiĢtirme eğrisi ile yansıyan ve iletilen dalgalardan elde edilen eğriler karĢılaĢtırılmıĢtır. Hopkinson formülleri kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucu, numunenin gerçek eğrisine yakınsaması için sabit bir katsayı ile çarpılması gerektiği görülmüĢ ve bu katsayı -33 olarak bulunmuĢtur. Her hız 2 için akma dayanımı 155-170 N/mm arasında iken, numunedeki Ģekil değiĢiminin hız ile birlikte arttığı görülmüĢtür. Ayrıca Hopkinson formülleri yardımıyla, yansıma dalgası verileri kullanılarak numuneye ait deformasyon hızı-zaman grafikleri oluĢturulmuĢ ve -1 -1 en yüksek deformasyon hızı 24 m/s hızda 3000 s , en düĢük ise 15 m/s hızda 2000 s olarak gözlenmiĢtir. Hopkinson formüllerinin analiz ile birlikte direkt olarak kullanımının çalıĢma için yeterli olmadığı ve numunenin malzeme özelliklerine yakınsama yapılabilmesi için sabit bir katsayıya ihtiyaç duyduğu sonucu ortaya çıkmıĢtır (GümüĢ 2019). 45 3. MATERYAL ve YÖNTEM 3.1. Deney Numuneleri Farklı yoğunluğa sahip EPP köpüklerin statik ve dinamik mekanik özelliklerinin araĢtırıldığı bu çalıĢmada numune boyut ve geometrileri; dıĢ çapı Ø12 mm, uzunluğu 12 mm ölçülerinde silindirik numuneler belirlenmiĢtir. Literatürde statik basma deneyleri için daha büyük çapa sahip numuneler kullanıldığı görülmektedir. Bununla birlikte; dinamik deneylerin yapılacağı Split Hopkinson Bar test düzeneğinde kullanılabilecek numune çapı, deney sisteminde kullanılan çubuk çapından (12mm) daha büyük olamayacağından dinamik deney numunelerinin çapı 12 mm olarak belirlenmiĢtir. Statik ve dinamik özellikler arasında kıyaslamanın daha sağlıklı yapılabilmesi için her statik deney numune çapı da 12 mm olarak belirlenmiĢtir. Numune kodları ve sahip oldukları yoğunluk değerleri Çizelge 3.1‟de gösterilmiĢtir. Çizelge 3.1. Numune kodları ve yoğunlukları Numune Kodu KI KII KIII 3 Yoğunluk (g/cm ) 0.020 0.043 0.068 Numuneler ġekil 3.1‟de görüldüğü gibi yoğunlukları birbirinden farklı üç EPP (geniĢletilmiĢ polipropilen) köpük levha su jeti tezgahına yerleĢtirilmiĢ ve bu plakalardan belirlenen ölçülerde numuneler elde edilmiĢtir. Şekil 3.1. EPP köpük levhanın su jetine yerleĢtirilmesi, kesimi ve levha üzerinden numune alımı 46 3.2. Statik Basma Deney Cihazı Statik basma deneyleri, Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Müh. Bölümünde, düĢük mukavemetli malzemelerin çeki-bası, eğilme ve yorulma gibi mekanik özelliklerini belirlemek için özel olarak tasarlanmıĢ masaüstü mekanik test cihazı kullanılarak yapılmıĢtır. Cihaz, Atmel AVR (Microchip) mikro denetleyicisi ile kontrol edilmektedir. Yük, mikro denetleyiciden sinyal alan TB6600 step motor sürücünün kontrolündeki step motora bağlı vidalı mil-somun sistemi(SFU-1605) ile uygulanmaktadır. Step motor 1600 pulse‟de 1 tam devir yapacak Ģekilde set edilmiĢtir. Step motora bağlı planet redüktörün çevrim oranının 5 olduğu bilindiğinde, redüktör bağlı vidalı milin hareketi dolayısıyla yükleme ucunun hareket miktarı mikrodenetleyici tarafından anlık olarak hesaplanarak numunedeki kısalma miktarı belirlenebilmektedir. Yükleme sırasında Zemic marka (200 kg) loadcellden okunan analog yük sinyalleri ADS1256 (Texas Intruments) analog dijital çeviricisi ile yükseltilerek mikro kontrolcüye aktarılmaktadır. Mikro kontrolcüde bulunan uzama ve yük değerleri seri port iletiĢim protokolü (UART) ile PC‟ye aktarılmaktadır. Cihazın kontrolü için Microsoft Visula Studio C# programı ile yazılan kullanıcı ara yüzü yardımıyla mikro kontrolcüden gelen değerler grafiklere ve tablolara aktarılabilmektedir (ġekil 3.2). Şekil 3.2. Masaüstü mekanik test cihazı ve kullanıcı arayüzü 47 Statik ve dinamik basma deney numunesi yüksekliği 12 mm, dıĢ çapı 12 mm olacak Ģekilde deney numuneleri hazırlanmıĢtır. Şekil 3.3. Numunenin deney düzeneğine yerleĢtirilmesi 3.3. Split Hopkinson Basınç Çubuğu Deney Düzeneği Split Hopkinson Basınç Çubuğu Deneyi, Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Biomekanik Laboratuvarı‟nda bulunan cihazda gerçekleĢtirilmiĢtir (ġekil 3.4). Şekil 3.4. Deney düzeneği görseli Deney düzeneği ġekil 3.5‟de görüldüğü gibi hava tabancası, vurucu çubuk, giriĢ-çıkıĢ çubukları ve veri toplama sisteminden oluĢmaktadır. 48 Hava tabancasý Giriþ çubuðu Gerinim ölçerler 1k Çýkýþ çubuðu Stopper Namlu Vurucu çubuk Numune Destekler Wheat stone köprüsü Sinyal güçlendirici Güç kaynaðý Yüksek hýzlý ossiloskop Şekil 3.5. Deney düzeneği Ģeması Deneyde giriĢ çubuğuna etki edecek darbe kuvvetini oluĢturan kısım hava tabanca sistemidir. Yüksek basınca dayanıklı bir tank, pnömatik vana ve namludan meydana gelmektedir. Doğru bir ölçüm yapabilmek için merminin ve giriĢ çubuğunun imal edildiği malzeme aynı özellikte ve aynı çap ölçüsünde olmalıdır. Deneylerde plexiglass 3 malzemeden (E=3 GPa, ρ=1180 kg/m ) yapılmıĢ çubuklar kullanılmıĢtır. Deneyler sırasında hava tabancasının ateĢlenmesi ile hareketlenen vurucu çubuk hızlı bir Ģekilde giriĢ çubuğuna çarparak elastik dalgayı oluĢturur. Elastik dalga giriĢ çubuğunda denklem 2.11 ile hesaplanan 1594 m/s ses hızında ilerleyerek giriĢ çubuğu- numune ara yüzeyine ulaĢır. Dalganın bir kısmı numune üzerinden çıkıĢ çubuğuna geçerken bir kısmı giriĢ çubuğuna geri yansır. ÇıkıĢ çubuğuna geçen dalgadan numunedeki gerilme değeri, giriĢ çubuğuna geri yansıyan dalgadan ise numunedeki gerinme değeri hesaplanır. GiriĢ ve çıkıĢ çubuklarındaki elastik gerinmenin ölçülebilmesi için çubukların orta kısımlarına gerinim ölçerler yerleĢtirilmiĢtir. Deney esnasında gerinim ölçerlerde meydana gelen direnç değiĢikliği Wheatstone köprüsü kullanılarak voltaj değiĢimi cinsinden ölçülmüĢtür. Sistem de bulunan Osiloskop (Oddsey, USA) ise Wheatstone köprüsünden saniyede 1.000.000 veri okuyabilmektedir. GiriĢ ve çıkıĢ çubuklarından okunan örnek bir sinyal ġekil 3.6‟da gösterilmiĢtir. Elde edilen bu sinyallerden denklem 2.26 ile numunedeki gerinme hızı, denklem 2.27 ile numunedeki gerinme ve denklem 2.19 ile numunedeki gerilme değerleri hesaplanarak gerilme ve gerinme grafikleri elde edilmiĢtir. 49 0,015 Giriş 0,01 Sinyali 0,005 Çıkış Sinyali 0 0 0,002 0,004 0,006 0,008 -0,005 -0,01 -0,015 Zaman(s) Şekil 3.6. GiriĢ ve çıkıĢ çubuklarından elde edilen örnek sinyal 3.4. Polipropilen Köpük Numunelerin Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Analizi Üç farklı yoğunluğa sahip genleĢtirilmiĢ polipropilen köpüğün uygulamadaki performansını test etmek amacıyla; bir örnek olarak cep telefonu ambalaj malzemesi olarak modellenmiĢ ve serbest düĢme analizi sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiĢtir. Farklı yoğunluktaki köpüklerin dinamik deneyler sonucunda elde edilen yüksek gerinim hızındaki gerilme-gerinme eğrilerinden elde edilen mekanik özellikleri HyperMesh programına veri olarak girilmiĢ olup düĢürme testleri yine aynı programda yapılmıĢtır. 3.4.1. Parçaların modellenmesi Solidworks programı ile orijinal telefon ölçülerinde bir numune katı modellemesi yapılmıĢtır ve yine aynı programda polipropilen köpük hacmi içerisine yerleĢtirilmiĢtir. ġekil 3.7.a‟da telefonun katı modeli, ġekil 3.7.b‟ de ise telefonun EPP köpük hacmi içerisine yerleĢtirilmiĢ hali görülmektedir. Şekil 3.7. a) Telefon modelinin katı modellenmesi, b) EPP köpük hacmi içerisine yerleĢtirilmesi 50 Voltaj(Volt) 3.4.2. Mesh Generasyonu Mesh atama, belirlenen bir tanım aralığını daha küçük bir tanım aralığına bölme iĢlemidir. Bu sayede çözülecek olan diferansiyel denklemin çözümü kolaylaĢmıĢ olur. Bu tür sonlu eleman analiz yöntemlerinde elde edilecek sonuçların doğruluğu, uygulanan mesh ile doğru orantılıdır. Aynı analizde eleman tipi, sayısı ve boyutu analiz sonuçlarını etkilemektedir. Diğer analizlerde olduğu gibi düĢürme analizlerinde de, mesh atanırken yakınsamanın yüksek olabilmesi ve yapılan analizin doğruya en yakın sonuç verebilmesi için mesh generasyonunun üniform dağılımı, eleman seçiminin doğru yapılması, yapının durumuna göre simetriden yararlanılması gibi hususlar göz önünde bulundurularak mesh iĢlemi gerçekleĢtirilmiĢtir. Sonlu elemanlar analizi, yaklaĢık çözümler üreten bir yöntemdir. Eleman sayısını arttırarak, eleman tipini değiĢtirerek, mesh yöntemini değiĢtirerek farklı sonuçlar gözlenebilir. ġekil 3.8.a‟da telefona uygulanan mesh generasyonu, ġekil 3.8.b‟de ise EPP köpük malzemenin mesh generasyonu gösterilmiĢtir. Yapılan analizde 1 adet rijit eleman, 82.005 adet 2 boyutlu üçgen mesh, 625 adet 2 boyutlu kare mesh ve 38.898 adet 3 boyutlu üçgen prizma mesh kullanılmıĢtır. Şekil 3.8. a) Telefona mesh atılması b) EPP köpük hacime uygulanan mesh generasyonu 3.4.3. Parçalara malzeme atanması Sistemde analiz yapılırken modellenen parçalara, analizi yapılmak istenen malzemenin tanımlanması gerekmektedir. ÇalıĢmada üç farklı yoğunluktaki EPP köpüğün dinamik yük altındaki gerilme-gerinme dayanımı analizi yapılmak istendiği için sisteme farklı yoğunlukta EPP malzeme tanımlaması yapılmıĢtır. Dinamik deneylerle elde edilen 51 veriler programa girilerek malzeme tanımlaması yapılmıĢtır. Bu çalıĢmada numunelerin dinamik deneylerde poisson oranları tespit edilmemiĢtir. Sanborn ve arkadaĢları hiperelastik köpükler için yüksek gerinim hızında yapılan testlerde poisson oranını deneysel olarak tespit etmeye çalıĢmıĢlardır. Sanborn %50‟lik Ģekil değiĢtirme oranına kadar poisson oranının yaklaĢık sabit ve 0.23 değerinde olduğunu %50‟lik Ģekil değiĢtirme oranını aĢtıktan sonra poisson oranının bir anda artarak; yaklaĢık %60‟lık gerinme değerine ulaĢıldığında 0.47 değerlerine ulaĢtığını ve bundan sonra sabit kaldığını tespit etmiĢtir (Sanborn ve ark. 2019). Bu çalıĢmada yapılan analizde Ģekil değiĢtirme oranı değeri %50‟nin altında kaldığı için poisson oranı 0.23 olarak kabul edilmiĢtir. ġekil 3.9‟da seçilen EPP malzemenin üç farklı yoğunluktaki mekanik özellikleri gösterilmektedir. Şekil 3.9. Üç farklı yoğunluktaki malzemelere ait mekanik özellikler 3.4.4. Analiz için yükleme şartları Bu analizde cismi 1 metre yükseklikten bırakarak çözüm süresini uzatmak yerine, serbest düĢme formülü uygulanarak tam çarpma anında cismin sahip olacağı hız sınır Ģartı olarak uygulanmıĢtır. Sabit düzlem üzerinde ve bağlantı durumu dikkate alınarak tam sabitleme sınır Ģartı altında x ve y eksenlerindeki hızı sıfır,- z eksenindeki ilk hızı 4400 mm/s belirlenen verilerle serbest düĢme analizi yapılmıĢtır. ġekil 3.10‟da görüldüğü gibi programda bu süreci initial velocity içerisinde tanımlanmıĢtır. 52 Şekil 3.10. Numunelere uygulanan çarpıĢma testi 53 4. BULGULAR 4.1. Statik Basma Deneyi Sonuçları Statik basma deneyleri sabit deformasyon hızında gerçekleĢtirilmiĢtir. Bu amaçla yükleme ucu sabit 7.2 mm/dak hızında hareket ettirilmiĢ, böylece numunedeki gerinme -1 hızı 0.01 s olarak gerçekleĢmiĢtir. Yoğunlukları birbirinden farklı üç EPP köpükten statik basma deneylerinden elde edilen gerilme-gerinme eğrileri birbirlerine benzer karakteristikler göstermektedir. Uzama değerlerinin %4-7 değerlerinde daha düĢük olduğu bölgede lineer elastik özellikler görülürken, bu bölgeyi geçtikten sonra sabit deformasyon hızında gerilmenin uzamaya oranla az değiĢtiği plato bölgesi baĢlamaktadır. YaklaĢık %60-70 uzama değerlerine kadar plato bölgesi devam ettikten sonra malzemedeki sıkıĢmaya bağlı olarak malzeme yoğunluğunun ve kuvvete karĢı direncinin arttığı yoğunlaĢma bölgesine girildiği görülmüĢtür (ġekil 4.1). YoğunlaĢma gölgesinde ilerledikçe; malzemede herhangi bir kırılma-dağılma söz konusu olmadığından teorik olarak yükleme çeneleri birbirine temas edene kadar deney sürdürülebilmekte dolayısıyla gerilme değeri sonsuza ulaĢabilmektedir. Bununla birlikte bu çalıĢmada yoğunlaĢma bölgesini geçtikten sonra deney sonlandırılmıĢtır. Deneyler sırasında numuneler %80‟in üzerinde deforme olurken, yükleme kalktıktan sonra büyük oranda geri yaylanmıĢlar ve tüm numunelerde kalıcı Ģekil değiĢiminin %20-25 civarında kaldığı tespit edilmiĢtir. Şekil 4.1. Statik basma deneyinde gerilme gerinme eğrisi karakteristik bölgeleri 54 Aynı yoğunluğa sahip numunelerden alınan üçer adet numune ile tekrar testleri yapılmıĢtır. Bir örnek olarak; ġekil 4.2‟de KIII kodlu köpükten alınan üç numune ile yapılan deneyler sonucu elde edilen gerilme-gerinme grafiği çizilmiĢtir. Grafikten görüldüğü gibi üç numuneye ait gerilme-gerinme eğrileri neredeyse çakıĢıktır. Grafikte görünen küçük sapmalar, numunelerin yüzey pürüzlülüğü, numunenin kesimi veya deney sisteminden kaynaklanabilmektedir. Şekil 4.2. Statik deney sonucu bir köpüğe ait üç farklı numunenin gerilme-gerinme değerlerinin karĢılaĢtırılması Her köpükten alınan üç numuneden elde edilen sonuçların aritmetik ortalaması alınarak KI, KII ve KIII köpüklerine ait mekanik özellikler belirlenmiĢtir. ġekil 4.3‟de üç farklı yoğunluğu sahip köpüklere ait deneylerden elde edilen gerilme ve gerinme değerleri gösterilmiĢtir. Artan yoğunlukla birlikte mekanik özelliklerdeki artıĢlar görülmektedir. Şekil 4.3. Statik deney sonucu üç farklı köpük numunesine ait gerilme-gerinme değerlerinin karĢılaĢtırılması 55 Statik ve dinamik deneyler de elastisite modülü hesaplanırken gerilme-gerinme eğrisinin doğrusal kısmı ile çakıĢacak Ģekilde bir doğru denklemi oluĢturulmuĢtur. Bu doğrunun eğimi malzemenin elastisite modülü olarak belirlenmiĢtir. Malzeme açık akma göstermediğinden elastisite modülü için belirlenen doğru, yatay eksende %0.2 ofset yapılarak yeniden oluĢturulmuĢ ve bu doğrunun gerilme-gerinme eğrisini kestiği nokta malzemenin itibari akma gerilmesi olarak belirlenmiĢtir (ġekil 4.4). Şekil 4.4. Elastisite modülü ve akma gerilmesinin tespiti için oluĢturulan doğrular Statik basma deneylerinden farklı yoğunluklardaki köpükler için elde edilen elastisite modülü değerleri ġekil 4.5‟de gösterilmiĢtir. Beklendiği gibi yoğunluğun artıĢı ile birlikte elastisite modülü değerleri artıĢ göstermiĢtir. Ancak bu artıĢ yoğunluğun artıĢı ile orantılı bir Ģekilde gerçekleĢmemiĢtir. KI ile KII kıyaslandığında yoğunluktaki artıĢ 2 kattan fazla olmasına karĢılık E değerindeki artıĢ sadece %12 civarında kalmıĢtır. Bununla birlikte KII ile KIII kıyaslandığında yoğunluktaki artıĢ %60 civarında iken elastisite modülündeki artıĢ %70 civarındadır. Şekil 4.5. Statik basma deneyinden elde edilen elastisite modülü değerleri 56 Statik Basma deneylerinden elde edilen akma gerilmeleri(itibari) ġekil 4.6 gösterilmiĢtir. Elastisite modülünden farklı olarak akma gerilmeleri değerleri yoğunluk artıĢıyla daha doğrusal bir artıĢ göstermiĢtir. 0,3 0,28 0,25 0,2 0,152 KI 0,15 KII 0,089 0,1 KIII 0,05 0 Akma Gerilmesi (MPa) Şekil 4.6. Statik deney sonucu üç farklı köpüğe ait akma gerilmelerinin karĢılaĢtırılması Akma noktasına kadar olan bölgede gerilme-gerinme eğrisinin altında kalan alandan hesaplanan rezilyans değerleri ġekil 4.7‟de gösterilmiĢtir. KII ve KIII kıyaslandığında yoğunluğa oranla KII numunesinin izafi olarak daha iyi enerji absorbe etme kabiliyetinin olduğu söylenebilir. Bunun nedeni ise görece düĢük elastisite modülüne ve görece yüksek akma gerinmesine sahip olması gösterilebilir. 0,012 0,0104 0,01 0,00873 0,008 KI 0,006 0,0049 KII 0,004 KIII 0,002 0 Rezilyans(MJ/m³) Şekil 4.7. Statik deney sonucu üç farklı köpüğe ait rezilyans değerlerinin karĢılaĢtırılması 57 EPP köpüklerden istenilen en önemli özelliklerden biri enerji absorbe yetenekleridir. Bu çalıĢmada kullanılan üç farklı yoğunluktaki köpüğün enerji absorbe kabiliyetlerini kıyaslamak için aynı uzama değerlerinde absorbe ettikleri enerjiler hesaplamıĢ ve ġekil 4.8‟de gösterilmiĢtir. Grafik incelendiğinde sabit gerinme değerlerinde yoğunluk artıĢıyla absorbe edilen enerji artıĢının doğrusala yakın olduğu söylenebilir. 0,25 0,2 0,15 KI 0,1 KII 0,05 KIII 0 %5 uzama %10 uzama %15 uzama %25 uzama %50 uzama için için için için için Absorbe Edilen Enerji (MJ/m³) Şekil 4.8. Statik deney sonucu üç farklı köpüğe ait absorbe edilen enerji değerleri 4.2. Dinamik Deney İle Elde Edilen Grafikler ve Sonuçlar Dinamik deneyler Split Hopkinson Bar deney düzeneği kullanılarak yapılmıĢtır. Bu deney düzeneğinde statik basma deneylerinde olduğu gibi gerinme hızının önceden ayarlanmasına imkan yoktur. Sadece vurucu çubuğu harekete geçiren hava basıncı ve vurucu çubuk boyu ayarlanarak gerinme hızı ve maksimum gerinme miktarı; numunenin de mekanik özelliklerine bağlı değiĢebilmekte ve ancak deneyler sonrasında hesaplanabilmektedir. Ön çalıĢmalarda hava basıncı 2, 2.5 ve 3 bar olarak ayarlanmıĢ ve gerinme hızı değerleri hesaplanmıĢtır. Ancak numunenin görece çok düĢük mekanik özelliklere sahip olması farklı basınçlarda yapılan deneylerde gözle görülür gerinme hızı değeri değiĢimine sebep olmamıĢtır. Bu yüzden tüm deneyler sabit 2.5 bar hava basıncında yapılmıĢtır. Daha düĢük mukavemetli çubuklar kullanarak daha yüksek basınçlara çıkmak mümkün olmakla birlikte daha düĢük mukavemetli çubuklar kullanmak okunan sinyallerin hassasiyetini düĢürmektedir. Tüm deneylerde gerinme -1 -1 hızı 240-260 s aralığında ve ortalama 250 s olarak gerçekleĢmiĢtir. 58 0,0028 0,003 0,006 0,007 0,01 0,02 0,013 0,02 0,036 0,025 0,039 0,075 0,06 0,11 0,19 Dinamik deney sonucunda elde edilen farklı yoğunluktaki köpüklerin gerilme-gerinme eğrilerine bir örnek Ģekil 4.9‟da gösterilmiĢtir. Deneylerde maksimum gerinme değerleri %20‟ler civarında kalmıĢtır. Deney sisteminin sahip olduğu donanımsal parametreler ile bu değerden daha öteye geçilememiĢtir. Dinamik deneylerden elde edilen eğriler statik eğrilerden elde edilen eğrilere benzerlik göstermekte ve bir lineer elastik bölgeden sonra plato bölgesi baĢlamaktadır. KII ve KIII numunelerinde ise belli bir uzamadan sonra gerilmenin hızlı bir Ģekilde arttığı ve statik deneylerdeki gibi yoğunlaĢma bölgesine geçmiĢ gibi görünmektedir. Ancak bu bölgelerde gerinme değerlerinin %10-15 olduğu göz önünde tutulduğunda gerilme artıĢının malzemenin yoğunluk artıĢından kaynaklanabileceğini söylemek zordur. Dinamik deneylerin baĢlaması ve bitmesi arasındaki zamanın 1 milisaniyeden az olduğu ve köpük malzemenin içinde hapsolmuĢ hava molekülleri bulunduğu göz önünde tutulursa, köpük malzemeden bu kadar kısa sürede hava moleküllerinin ayrılmasının mümkün olmaması gerilme artıĢının nedeni olarak düĢünülmektedir. Şekil 4.9. Üç farklı köpük numunesine ait örnek dinamik gerilme-gerinme grafikleri Statik deneyde olduğu gibi dinamik deneylerde de benzer yöntemler kullanılarak elde edilen dinamik elastisite modülü değerleri ġekil 4.10‟da gösterilmiĢtir. Statik elastisite modülü değerlerine benzer artıĢ burada da görülmektedir. 59 Şekil 4.10. Dinamik elastisite modülü değerleri Deney sonucunda elde edilen veriler kullanılarak üç farklı köpüğe ait itibari akma gerilmeleri ġekil 4.11‟de ve rezilyans değerleri ġekil 4.12‟de verilmiĢtir. Dinamik deneylerden elde edilen akma gerilmeleri statik deneylerden farklı olarak yoğunluk artıĢından daha çok etkilenmektedir. 0,4 0,37 0,3 KI 0,2 0,17 KII 0,12 0,1 KIII 0 İtibari Akma Gerilmesi(MPa) Şekil 4.11. Dinamik deney sonucu üç farklı köpüğe ait itibari akma gerilmeleri 0,004 0,0038 0,0035 0,0031 0,003 0,0025 0,0019 KI 0,002 KII 0,0015 0,001 KIII 0,0005 0 Rezilyans(MJ/m³) Şekil 4.12. Dinamik deney sonucu üç farklı köpüğe ait rezilyans değerleri 60 ġekil 4.13‟de KI, KII ve KIII köpüklerinin yüzde uzamalarda absorbe ettikleri enerji değerleri kıyaslanmıĢtır. Yoğunluk arttıkça aynı gerinme değeri baz alındığında absorbe edilen enerji değerlerinde artıĢ olduğu gözlemlenmiĢtir. 0,09 0,084 0,08 0,07 0,06 0,05 0,046 0,044 KI 0,04 KII 0,03 0,023 0,022 0,02 0,016 KIII 0,01 0,008 0,012 0,004 0 %5 uzama için %10 uzama için %15 uzama için Absorbe Edilen Enerji (MJ/m³) Şekil 4.13. Dinamik deney sonucu üç farklı köpüğe ait absorbe edilen enerji değerleri 4.3. Statik ve Dinamik Deney Sonuçlarının Karşılaştırılması ġekil 4.14‟de üç farklı köpüğe ait elastisite değerlerinin dinamik ve statik deney sonuçlarının karĢılaĢtırılması yapılmıĢtır. Grafiğe bakıldığında, dinamik deneylerde köpüklerin elastisite modülü değerlerinin statik deneylere kıyasla daha yüksek çıktığı görülmüĢtür. 25 22 20 14 15 11 10 STATİK 4,6 DİNAMİK 5 2,4 2,7 0 KI KII KIII Elastisite Modülü (MPa) Şekil 4.14. Üç farklı köpüğe ait elastisite modülü değerlerinin karĢılaĢtırılması 61 ġekil 4.15‟de üç farklı köpüğe ait itibari akma gerilme değerlerinin dinamik ve statik deney sonuçlarının karĢılaĢtırılması yapılmıĢtır. Dinamik deneylerde köpüklerin itibari akma gerilmelerinde statik deneylere kıyasla bir artıĢ olduğu ancak bu artıĢın elastisite modülündeki artıĢ kadar belirgin olmadığı görülmektedir. 0,4 0,37 0,28 0,3 0,2 STATİK 0,152 0,17 0,089 0,12 DİNAMİK 0,1 0 KI KII KIII Şekil 4.15. Üç farklı köpüğe ait itibari akma değerlerinin karĢılaĢtırılması ġekil 4.16‟da üç farklı köpüğe ait rezilyans değerlerinin dinamik ve statik deney sonuçlarının karĢılaĢtırılması yapılmıĢtır. ġekil 4.14 ve 4.15‟de gösterilen elastisite modülü ve akma gerilmelerindeki artıĢ oranlarının bir sonucu olarak yüksek yükleme hızlarında tam elastik bölgede numunelerin daha rijit davranmasıyla enerji absorbe etme özelliklerinde statik duruma göre azalma olduğunu söylemek mümkündür. 0,012 0,0104 0,01 0,00873 0,008 0,006 STATİK0,0049 0,0038 0,004 0,0031 DİNAMİK 0,0019 0,002 0 KI KII KIII Şekil 4.16. Üç farklı köpüğe ait rezilyans değerlerinin karĢılaĢtırılması ġekil 4.17‟de KI, KII ve KIII köpüklerinin yüzde uzamalarda absorbe ettikleri enerji değerleri dinamik ve statik deney sonuçlarının karĢılaĢtırılması yapılmıĢtır. Gerinme miktarları sabit tutulup karĢılaĢtırma yapıldığında, dinamik deneylerde köpüklerin 62 İtibari akma gerilmesi Rezilyans(MJ/m³) (MPa) absorbe ettiği enerji değerlerinin statik deneylere kıyasla daha yüksek çıktığı görülmüĢtür. Yüksek gerinim hızlarında yapılan deneylerde deformasyonun çok hızlı olması ve malzeme içerisinde bulunan havanın adeta bir hava yastığı görevi görerek malzemenin enerji sönümleme özelliklerine katkı sağlaması dinamik deneylerden elde edilen değerlerin yüksek olmasının nedeni olarak düĢünülmektedir. Şekil 4.17. Üç farklı köpüğe ait uzama değerlerine göre absorbe edilen enerjilerin karĢılaĢtırılması 4.4. Sonlu Elemanlar Analiz Sonuçları Ambalaj malzemesi ve özellikle elektronik parçaları düĢme, çarpma gibi etkilerden korumak için kullanılan üç farklı yoğunluğa sahip EPP köpüğün 1 metre yüksekten düĢürülmesini simüle eden ve malzeme modelleri bu çalıĢmada elde edilen deneysel verilerle oluĢturulan sonlu elemanlar analiz sonuçları ġekil 4.18‟de gösterilmiĢtir. En düĢük yoğunluğa sahip KI köpüğünün darbe sırasında diğerlerine oranla daha fazla gerinmeye sahip olması absorbe ettiği enerjinin yüksek olmasına ve telefona gelen gerilmenin az olmasına neden olduğu görülmektedir. KII ve KIII ise birbirlerine yakın performans göstermekle birlikte en yoğun malzeme olan KIII köpüğünün muhafaza ettiği telefon üzerinde en yüksek gerilme değeri görülmüĢtür. KII ve KIII köpüğünün 63 birbirine yakın performans sergilemesi ambalaj malzemesi olarak kullanılacak ve görece küçük darbelere maruz kalacak köpüklerin yoğunluğunun fazla olmasının anlamlı olmadığını göstermektedir. Şekil 4.18. KI, KII ve KIII numuneleri için gerilme-gerinme analiz sonuçları 64 5. TARTIŞMA ve SONUÇ Otomotiv sanayisi baĢta olmak üzere birçok alanda kullanılan EPP köpüklerin üç farklı yoğunluktaki statik ve dinamik mekanik özellikleri bu çalıĢmada deneysel olarak incelenmiĢtir. Statik deneylerden elde edilen gerilme-gerinme eğrilerinin literatürdeki çalıĢmalara benzer (Chen, 2015) olarak üç farklı bölge karakteristiği gösterdiği tespit edilmiĢtir. Aynı parametrelere sahip numunelerin tekrarlı statik deneylerinden elde edilen eğrilerdeki sapmanın az olduğu ve elde edilen gerilme-gerinme eğrilerinin büyük oranda çakıĢtığı gözlenmiĢtir. Statik elastisite modülü KI, KII ve KIII için sırasıyla 2.4 MPa, 2.7 MPa, 4.6 MPa olarak belirlenirken, dinamik elastisite modülü 11 MPa, 14 MPa ve 22 MPa olarak belirlenmiĢtir. Ġtibari akma gerilmeleri ise statik deneylerde KI, KII ve KIII için sırasıyla 0.089 MPa, 0.152 MPa, 0.28 MPa olarak belirlenirken, dinamik deneylerde 0.12 MPa, 0.17 MPa ve 0.37 MPa olarak belirlenmiĢtir. Üretici firmaların referans kataloglarında yer alan ve ilgili standartlara göre yapılan testler 3 sonucunda; 0.02gr/cm yoğunluklu numunenin %25‟lik gerinmedeki dayanımı 0.09 3 MPa, 0.06 gr/ cm yoğunluklu numunenin %25‟lik gerinmedeki dayanımı 0.39 MPa olarak gösterilmiĢtir (Arpro, 2021). Söz konusu değerler bu çalıĢmada elde edilen bulgular ile uyumludur. Dinamik deneylerde köpüklerin rezilyans değerlerinin statik deneylere kıyasla daha düĢük çıktığı görülmüĢtür. Dinamik deneylerde malzemenin elastik bölgede daha rijit davranması enerji sönümleme özelliğinin azalmasına neden olmuĢtur. Plastik bölgede ise sabit gerinme değerleri baz alındığında dinamik deneylerden elde edilen enerji değerlerinin yüksek olduğu görülmektedir. Bu değerler statik ve dinamik deneylerde farklı mekanizmaların çalıĢtığını göstermektedir. Dinamik deneylerde deformasyonun çok hızlı gerçekleĢmesi, köpüğün hücresel yapısı içerisinde hapsolan havanın ani olarak dıĢarı çıkamamasına ve deformasyon sırasında sıkıĢarak enerji sönümlemeye katkı sağladığı düĢünülmektedir. Statik testlerde ise deformasyon çok yavaĢ gerçekleĢtiğinden hava kolaylıkla tahliye edilmekte ve numune uzama eğrisinin plato bölgesinde ani artıĢlar görülmemektedir. Maheo ve Viot, çok katmanlı köpük hacimleri üzerinde deneysel dinamik sıkıĢtırma testleri yapmıĢ ve sonlu elemanlar metodu sonuçları ile karĢılaĢtırmıĢlardır. Bu çalıĢmada EPP malzemesi kullanılmıĢtır. Bu çalıĢma, kademeli yoğunluğa sahip bir 65 köpüğün, katmanlar arasındaki büyük yoğunluk farkı nedeniyle darbe enerjisi emiliminin sabit bir plato Ģeklinde değil, kademeli olarak gerçekleĢtiğini göstermektedir. Bu çalıĢmada da benzer bulgular elde edilmiĢ ancak bu kademenin oluĢmasında yapı içerisinde hapsolan havanın sıkıĢmasıyla darbe emici olarak görev yapmasının etkisi olduğu düĢünülmüĢtür. Deneyler sırasında lineer bölgeyi geçip sabit yük altından uzama bölgesine geçen numuneler, yük kaldırıldıktan sonra büyük oranda geri yaylansalar dahi ilk haldeki boylarına ve rijitliklerine ulaĢamadıkları görülmüĢtür. Zhang, polimerik köpüklerin kalıcı Ģekil değiĢimlerini deneysel, sayısal ve analitik olarak incelemiĢtir. Deneysel çalıĢmalarında numuneleri %40‟lık ve %80‟lik gerinmeye kadar yükledikten sonra serbest bırakmıĢlar ve kalıcı Ģekil değiĢimlerinin; %40‟lık uzamalarda %10‟lar seviyesinde iken %80‟lerin üzerine çıkıldığında %25‟ler seviyesine çıktığını belirtmiĢlerdir (Zhang, 2011) . Bu çalıĢmada statik deneylerde görece yüksek (%80‟ler civarında) deformasyonlara çıkılmıĢ ve kalıcı Ģekil değiĢimlerinin %15-20‟ler seviyesinde kaldığı görülmüĢtür. Dinamik deneylerde kalıcı deformasyonların görece yüksek çıkması, deformasyon sırasında hızla sıkıĢan havanın köpük malzemenin yapısına verdiği zarardan kaynaklanabileceği düĢünülebilir. Ancak, vurucu çubuğun giriĢ çubuğuna çarpması ile harekete baĢlayan giriĢ çubuğu numuneyi, numune de çıkıĢ çubuğun ittirerek hareket baĢlamakta ve bu hareket çıkıĢ çubuğunun stopper‟a çarpmasına kadar sürmektedir. Stopper‟a çarpıldığı anda çıkıĢ çubuğu ani olarak durmakta ve doğrusal bir atalete sahip giriĢ çubuğu numuneyi sıkıĢtırarak durmaktadır. Bu arada geçen süre yaklaĢık 500 ms ile 1000 ms arasındadır. Dinamik deneylerde gerilme ve gerinme analizlerinin giriĢ ve çıkıĢ çubuklarından geçen ilk elastik dalganın analizi ile yapıldığı ve bu sürenin de 1ms‟den daha az olduğu göz önünde tutulursa; numunenin bu sırada deney ölçümlerinin dıĢında yüklemelere maruz kaldığı ve deney ölçümleri sınırları dıĢında hesaplanamayan deformasyonlara uğradığı söylenebilir. Bu sebeple dinamik deneyler sonrasında ölçülen kalıcı Ģekil değiĢimleri sağlıklı olmayacağından bu tez kapsamında tartıĢılmamıĢtır. 3 Lee, yoğunluğu 0.02 g/cm değerindeki geniĢletilmiĢ polipropilen statik ve çok yüksek hızlı dinamik testlerde elde edilen elastisite modülü değerleri arasında 5 kat fark 3 olduğunu ancak 0.06 g/cm yoğunluklu numunelerin statik ve dinamik elastisite 66 modüllerinin birbirlerine eĢit olduğunu belirtmiĢtir. Bu çalıĢmada farklı yoğunluğa sahip EPP köpüklerin dinamik elastisite modülleri 4.5- ile 5.2 kat fazla bulunmuĢ ve artan yoğunlukla birlikte malzemenin yüksek gerinme hassasiyetinin çok fazla değiĢmediği sonucuna varılmıĢtır. Dinamik deneylerde kullanılan havalı sistem Hopkinson bar, pleksiglass çubuklar ve 25 -1 cm vurucu çubuk donanımıyla en fazla %20‟lik gerinmelere ve 270 s „lik gerinme hızlarına çıkabilmiĢtir. Lee, daha yüksek basınca sahip argon gazı kullanan Hopkison bar deney sisteminde daha düĢük elastisite modülüne sahip akrilik çubuklar kullanarak -1 1800 s gerinme hızına ve %50 gerinme değerlerine ulaĢtığını bildirmiĢtir. Ancak Lee‟nin elde ettiği gerinme sinyallerinde dalgalanmalar mevcuttur. Bu çalıĢmada elde edilen gerinmeler daha stabildir. Daha yüksek gerinme değerleri elde etmek için çubuk malzemeleri değiĢtirilmeden vurucu çubuğun boyu uzatılarak giriĢ dalgasının boyunun uzatılabileceği böylece daha yüksek gerinme değerleri elde edilebileceği öngörülmektedir. Sonlu elemanlar analizi ile bir ambalaj malzemesi olarak modellenen köpük-telefon sisteminin sonlu elemanlar analizi sonrası en düĢük yoğunluğa sahip köpüğün en yüksek darbe sönümleme kabiliyetine sahip olduğu görülmüĢtür. Bu sonuçlar düĢük darbe yüklerine maruz uygulamalarda daha az yoğunluklu köpük kullanmanın hem maliyet hem teknik açıdan daha uygun bir yaklaĢım olacağını göstermektedir. 67 KAYNAKLAR AkkuĢ, A. 2019. Polipropilen malzemenin ĢiĢme oranının incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. Alteepping J., Nebe, J., P. 1990. Production of low density polypropylene foam. United States Patent 4, 940, 736. Anonim, 2014. Fırat plastik levha ürünleri. https://www.firat.com/cmsfiles/certificates/9910/plastik-levha-urunleri-katalogu.pdf Ashby, M., F. 1992. Materials selection in mechanical design. Butterworth-Heinmann, Depertment of Engineering, Cambridge University, England. Avalle, M., Belingardi, G., Montanini, R. 2001. Characterization of polymeric structural foams under compressive impact loading by means of energy-absorption diagram. Elsevier, International Journal of Impact Engineering, 25: 455-472. doi: 10.1016/S0734-743X(00)00060-9 Barlow, C., Kumar, V., Flinn, B., Bordia, R., K., Weller, J. 2001. Impact strength of high density solid-state microcellular polycarbonate foams. Journal of Engineering Materials and Technology, Transactions of the ASME, 123(2): 229-233. doi: 10.1115/1.1339004 Bouix, R., Viot, P., Lataillade, J. 2009. Polypropylene foam behaviour under dynamic loadings: strain rate, density and microstructure effects. International Journal of Impact Engineering, 36: 329–342. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2007.11.007 Chen, W., Hao, H., Hughes, D., Shi, Y., Cui, J., Li, Z. 2015. Static and dynamic mechanical properties of expanded polystyrene. Elsevier, Materials and Design, 69:170-180. doi: 10.1016/j.matdes.2014.12.024 Chien, R., D., Chen, S., C., Lee, P., H., Huang, J., S. 2004. Study on the molding characteristics and mechanical properties of injection-molded foaming polypropylene parts, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 23/4, 429-444. doi: 10.1177/0731684404031891 Doğu, S. 2020. Eva esaslı elastomer ile uyumlaĢtırılmıĢ ve silika nanatip katkılı polipropilen/termoplastik elastomer alaĢım nanokompozitlerin üretilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Yalova Üniversitesi, Polimer Mühendisliği Anabilim Dalı, Polimer Mühendisliği Programı, Yalova. Fan, J., Weerheijm, J., Sluys, L. 2018. Deformation to fracture evolution of a flexibe polymer under split hopkinson pressure bar loading, Polymer Testing, 70: 192-196. doi: 10.1016/j.polymertesting.2018.07.006 68 GümüĢ, S. 2019. Çift eksenli gerilme altında parçalı hopkinson basma çubuğu ile malzeme analizi. Yüksek Lisans Tezi, Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Katı Cisimler Mekaniği Programı, Ġstanbul. Güney, ġ. 2020. Geri dönüĢümlü polipropilen, poliakrilonitril ve karbon elyaf kompozitinin mekanik, termal ve morfolojik özelliklerinin incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Anabilim Dalı, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı, Marmara Üniversitesi, Ġstanbul. Ġnci, S. 2006. Elyaf takviyeli polipropilen/elastomer özelliklerinin incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metal Eğitimi Anabilim Dalı, Marmara Üniversitesi, Ġstanbul. Anonim, 2018. Material Physical Properties for Foam. JSP International Group, ARPRO. https://www.arpro.com/contentassets/6d4b0cc91dc74ce9aca7be96f4e3c39a/techdoc_ge nphysprop-epp-20to90gl_2018.pdf KandırmıĢ, Ġ. 2016. Split hopkinson dinamik basma ve çekme sistemi tasarımı, imalatı ve sonlu elemanlar analizi ile doğrulanması. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı, Uludağ Üniversitesi, Bursa. Kaya, Ö. 2019. Farklı karbon esaslı polipropilen nanokompozitlerin titreĢimsel sönümleme davranıĢları. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta. Lee, Y., H., Chul, B., P., Kı, H., W., Min, H., L. 2005. HDPE–clay nanocomposite foams blown with supercritical CO2. Journal of Cellular Plastics, Volume 41, 487-502. doi: 10.1177/0021955X05056964 Lee, Y., S., Park, N., H., Yoon., H., S. 2010. Dynamic mechanical characteristics of expanded polypropylene foams. Journal of Cellular Plastics, 46(1):43-55, doi: 10.1177/0021955X09346363 Maheo, L., Viot, P. 2013. Impact on multi-layered polypropylene foams. Elsevier, International Journal of Impact Engineering, 53: 84-93. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2012.03.011 Minoru, S., Iku, H., Yasushi, M. 2007. Mechanism of strength improvement of foamed plastics having fine cell. Journal of Cellular Plastics, 43, 157-167, 2007. doi: 10.1177/0021955X06075585 Nam, G., J., Yoo, J., H., Lee, J., W. 2005. Effect of long-chain branches of polypropylene on rheological properties and foam-extrusion performances. Journal of Applied Polymer Science, 96, 1793–1800. doi: 10.1002/app.21619 69 Öksüz, A. 2019. Polipropilen/cam elyaf/etilen vinil asetat polimer kompozitinin özelliklerinin incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Anabilim Dalı, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Programı, Marmara Üniversitesi, Ġstanbul. Saçak, M. 2017. Polimer teknolojisi. Gazi Kitapevi, 3, 461, Ankara. Sanborn, B., Song, B. 2019. Poisson's ratio of a hyperelastic foam under quasi-static and dynamic loading. Elsevier, International Journal of Impact Engineering, 123: 48–55. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2018.06.001 ġahin, M. 2007. Betonla uyumlu polipropilen elyaf takviyeli kompozitlerin üretimi ve özellikleri. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metal Eğitimi Anabilim Dalı, Marmara Üniversitesi, Ġstanbul. ġimĢek, Z., Ö. 2011. Parçalı hopkinson basma çubuğu deney düzeneği kurulumu. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Entitüsü, Malzeme Mühendisliği Anabilim Dalı, Malzeme Mühendisliği Programı, Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Ġstanbul. Trelease, E. 2018. Poliüretan köpük ile doldurulmuĢ bal peteği sandviç plakaların titreĢim analizi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Makine Teorisi ve Dinamiği, Fırat Üniversitesi, Elazığ. Wang, L., Hu, S., Yang, L., Sun, Z., Zhu, J., Lai, H., Ding, Y. 2014. Development of experimental methods for impact testing by combining hopkinson pressure bar with other techniques. Acta Mechanica Solida Sinica, 27 (4). doi: 10.1016/S0894- 9166(14)60041-0 Yetgin, S., Ünal, H. 2008. Polimer esaslı köpük malzemeler. Doktora Tezi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Sakarya Üniversitesi, Sakarya. Yetgin, S., Ünal, H. 2011. Polipropilen köpük malzemenin mekanik özelliklerine ve hücre morfolojisine proses Ģartlarının etkisinin incelenmesi. International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), 16-18. Yetgin, S. 2012. Otomotiv sektörü için polimer köpük malzeme üretimi ve karakterizasyonu. Doktora Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metal Eğitimi Anabilim Dalı, Sakarya Üniversitesi, Sakarya. Zhang, Y., Liu, Q., He, Z., Zong, Z., Fang, J. 2019. Dynamic impact response of aluminum honeycombs filled with expanded polypropylene foam. Elsevier, Composites Part B, 156: 17-27. doi: 10.1016/j.compositesb.2018.08.043 Zhang, X., Andrieux, F., Sun, D. 2011. Pseudo-elastic description of polymeric foams at finite deformation with stress softening and residual strain effects. Elsevier, Materials Design, 32: 877-884. doi: 10.1016/j.matdes.2010.07.004 70 Zhao, J., Zhao, Q., Wang, C., Guo, B., Park, C., Wang, G. 2017. High thermal insulation and compressive strength polypropylene foams fabricated by high-pressure foam injection molding and mold opening of nano-fibrillar composites. Elsevier, Materials Design, 131: 1-11. doi: 10.1016/j.matdes.2017.05.093 71 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Aybala TANRIKULU Doğum Yeri ve Tarihi : Fatsa/ORDU, 04.10.1994 Yabancı Dil : Ġngilizce Eğitim Durumu Lise : Fatsa Anadolu Lisesi (2012) Lisans : Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü (2016) Yüksek Lisans : Bursa Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı (2022) 72