Kabul Edilmiş Makale/Accepted Manuscript Başlık: Kompozit malzeme üretiminde kullanılan poliesterlerin mekanik, termal ve kimyasal özelliklerine başlatıcı etkisinin incelenmesi Title: Investigation of the initiator effect on mechanical, thermal and chemical properties of poliesters used composite material production

Yazarlar/Authors: Şevki Eren, Bayram Poyraz, Neslihan Gökçe, Ayhan Şamandar, Batuhan Aykanat, Serkan Subaşi ID: DOI:

5000211909 https://doi.or./10.17341/gazimmfd.416435

Dergi İsmi: Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi Journal Name: Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University Geliş Tarihi/Received Date: 16.03.2017 Kabul Tarihi/Accepted Date: 18.08.2017 Makale Atıf Formatı/Manuscript Citation Format: Şevki Eren, Bayram Poyraz, Neslihan Gökçe, Ayhan Şamandar, Batuhan Aykanat, Serkan Subaşi, Investigation of the initiator effect on mechanical, thermal and chemical properties of poliesters used composite material production, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University (2018), https://doi.or./10.17341/gazimmfd.416435 Dergi Bilgi Notu: Bu PDF belgesi, kabul edilmiş olan makalenin dizgi işlemi yapılmamış halidir. Kabul edilmiş makalelerin kullanılabilir olması amacıyla makalenin dizgisiz hali internet üzerinden yayımlanmıştır. Makale, nihai formunda yayımlanmadan önce yazım ve dilbilgisi olarak kontrol edilecek, daha sonra dizgilenecek ve yeniden gözden geçirilmesi işlemine tabi tutulacaktır. Bu dizgileme işlemleri esnasında içeriği etkileyebilecek hataların bulunabileceğini ve Gazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Dergisi için geçerli olan yasal sorumluluk reddi beyanlarının bulunduğunu lütfen unutmayın. Journal Early View Note: This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 

Kompozit malzeme üretiminde kullanılan poliesterlerin mekanik, termal ve kimyasal özelliklerine başlatıcı etkisinin incelenmesi Şevki Eren1*, Bayram Poyraz2, Neslihan Gökçe3, Ayhan Şamandar4, Batuhan Aykanat3, Serkan Subaşi2 1Ahi

Evran Üniversitesi, T.B.M.Y.O, Cacabey Yerleşkesi, Kırşehir,

2Düzce

Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Konuralp, Düzce.

3Düzce

Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kompozit Malzeme Teknolojileri A.B.B., Düzce.

4Düzce

Üniversitesi, Düzce MYO, İnşaat Programı, Düzce,

Öne Çıkanlar 

Poliester bazlı kompozitlerin mekanik özellikleri



Başlatıcı oranının etkisi (kürleştirici)



Kompozitlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri

Özet Polimer esaslı kompozitlerde matris malzemesi olarak kullanılan doymamış poliester reçineleri hızlı kürleşme süresi, fiziksel koşullara ve kimyasal maddelere karşı dirençli olması ve yüksek mekanik özelliklerinden dolayı endüstride yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Polimerleşme reaksiyonu için gerekli olan başlatıcının (kürleştiricinin) gerekli oranının belirlenmesi, istenilen mekanik özelliklere sahip bir kompozit malzemenin üretilmesi için büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla çalışmada farklı oranlarda başlatıcı kullanılarak, kompozit malzeme üretiminde kullanılan poliesterlerin fiziksel, kimyasal, termal ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Çalışma kapsamında reçine olarak izoftalik ve ortoftalik poliester reçineleri kullanılmıştır. Kullanılan reçinelerin içerisine hacimce %1, %1,5, %2 ve %2,5 oranlarında metil etil keton peroksit (MEKP) başlatıcısı ilave edilmiştir. Reaksiyonun verimini ve hızını artırmak için %1 oranında kobalt oktaoat (C16H30CoO4) katalizör (hızlandırıcı) olarak ilave edilmiştir. Çalışma kapsamında fiziksel özellikleri belirlemek için jelleşme sıcaklığı, jelleşme süresi, pik ekzoterm sıcaklığı ve viskozite analizleri yapılmıştır. Termal kararlılığı belirlemek için termogravimetrik (TGA) analizler gerçekleştirilmiştir. Polimerizasyon sonucundaki moleküler etkileşimleri incelemek için FT-IR cihazı kullanılmıştır. Çekme dayanımı, çekme Emodülü, eğilme dayanımı ve eğilme E-modülü gibi mekanik özellikleri belirlemek için universal test cihazı kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda elde edilen sonuçlar değerlendirilerek optimum özelliklere ve performans değerlerine sahip reçine türü ve başlatıcı oranı belirlenmiştir. Sonuç olarak; başlatıcı oranının miktarına bağlı olarak poliester bazlı kompozitlerin mekanik özelliklerinin değiştiği gözlenmiştir. Başlatıcı oranı ve mekanik özellikler arasındaki ilişki incelendiğinde ise, izoftalik reçineden oluşan kompozitlerin mekanik dayanımlarının, ortoftalik reçineden oluşan kompozitlerden genel olarak daha yüksek değerlere sahip olduğu belirlenmiştir. Dayanım değerleri açısından optimum başlatıcı oranının hem izoftalik hemde ortoftalik reçineden elde edilen kompozit için %1 olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Başlatıcı, katalizör, poliester, kompozit, mekanik özellik Investigation of the initiator effect on mechanical, thermal and chemical properties of poliesters used composite material production Highlights 

Mechanical property of poliester based composites



Influence of initiator rate (curing agent)



Physical and chemical property of poliester based composites

Abstract Unsaturated polyester (UP) resins, used as a matrix material in polymer based composite, has been extensively utilized in industry due to the fact that revealing high mechanical properties, rapid curing, endurance against chemical substances and physical conditions. Determination of the optimum ratio of inititator (curing agent), requiring for polymerization process is of great importance for the production of composite material having desirable mechanical properties. For this purpose, the physical, chemical, thermal and mechanical properties of the polyesters used in the production of composite materials were investigated by using initiators at different ratios. In scope of the study, orthophtalic and isophtalic resins (polymer based resin) were used as a resin. During polymerization procees, methyl ethyl keton peroxide (MEKP) has been used as initiator (curing agent) with different the ratio; 1%, 1.5%, 2% ve 2.5%. Cobalt octaoate (C16H30CoO4) was added as catalyst (accelarating) in 2

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  the rate of 1% to increase curing rate and yield of polymerization. To determine physical parameters, gelation temperature, gelation time, peak exotherm temperature and viscosity analysis were carried out. Thermogravimetric analyzes (TGA) were performed to determine thermal stability. Fourier transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) was used to investigate the molecular interaction in the end of the polymerization. Mechanical properties (tensile strength, elastic modulus, flexture strength and flexture modulus) were determined with the Universal Test Machine. The initiator and resin ratio which have optimum parameters and performance were determined by evaluating the results obtained from experimental studies. As a result, the mechanical properties of the unsaturated polyester resin were changed based on initiator ratio. When the relation between initiator ratio and the mechanical properties is examined, mechanical strengths of the composites which composed of the isophthalic resin generally have higher than the composites composed of the orthophtalic resin. Optimum initiator ratio for mechanical strength values were determined as 1% for the composite obtained from both isophtalic and orthophtalic resins. Key Words: Initiator, catalyst, poliester, composite, mechanical property

1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Günümüzde kompozit malzemeler, hafif, sağlam, korozyona dayanaklı ve yüksek sıcaklıklarda işlenebilme özellikleri sayesinde geniş bir kullanım alanı sahiptir [1]. Yaygın olarak kullanılan kompozit türlerinden biri de polimer matrisli kompozitlerdir [2]. Polimer matrisli kompozitlerin temel bileşeni reçinelerdir. En çok kullanılan reçinelerden biri, kolay işlenebilmeleri, yüksek yalıtkan özellik göstermeleri, oda sıcaklığında ve atmosfer koşullarında sertleşebilmeleri, hızlı çapraz bağ oluşturabilmeleri nedeniyle doymamış poliesterlerdir [3]. Doymamış poliesterler, moleküler yapılarına bağlı olarak farklı sınıflara ayrılır. Bunlar, ortoftalik anhidrit, izoftalik anhidrit, tereftalik anhidrit, bisfenol-fumarat ve klorendik asittir. Reçinelerin yapısını büyük oranda anhidritler oluştururken, stiren, toluen, glikol, katkı maddeleri de içerirler. Reçinelerin polimerleşme reaksiyonu, içerisinde bulunan stiren gruplarının yapısındaki çift bağların ısı, ışık ya da radikaller etkisiyle açılması sonucu polimer zincirlerinin oluşumu şekliyle gerçekleşir [4]. Ortoftalik, tereftalik ve izoftalik reçinelerin kullanım alanları üretilmek istenilen kompozitin uygulama koşullarına göre değişim göstermektedir. Ortoftalik anhidrit yapılı reçineler, kolay bulunabilir olmasından dolayı en çok kullanılan reçinedir [5]. İzoftalik reçineler ise ortoftalik bazlı reçine türlerine göre yüksek mukavemet, ısı direnci, tokluk ve esnek özelliğe sahiptirler. Kompozit üretiminde en önemli basamak reçinelerin polimerleştirilmesidir. Bu basamakta polimerleşme için başlatıcı (kürleştirici) olarak ifade edilen maddeler kullanılır. En önemli başlatıcı maddeler, benzoil peroksit, azobisizobütironitril, siklo hegzan peroksit, metil etil keton peroksit ve alkil peroksitlerdir. Başlatıcı kullanımı, polimerleşme zamanı ve sıcaklık parametrelerine göre farklı oranlarda ve türlerde olmaktadır. Polimerleşme reaksiyonunda reaksiyonu hızını artırmak için katalizörler de kullanılmaktadır. En çok tercih edilen katalizörler ise kobalt naftanat ve kobalt oktoat olup uygulamadan kısa süre önce başlatıcı ile birlikte ilave edilmeleri gerekmektedir [6]. Polimerleşme reaksiyonu sonucu reçinenin sertleşinceye kadar geçen zaman aralığı, kürleşme süresi olarak ifade edilmektedir. Literatürde değişik amaçlar için farklı bileşimlerde birçok kompozit malzemenin üretildiği görülmektedir. Haddad ve Kobaisi [7], yapmış oldukları çalışmada, doymamış poliester reçinesinin (UP) mekanik özelliklerini (çekme ve eğilme) incelemişlerdir. Doymamış poliester reçinesinin (% 33 stiren içinde çözülmüş % 67 doymamış poliester), metilmetakrilat’a hacimsel oranı, 3/2 olacak şekilde üretim gerçekleştirilmiştir. Bu karışıma, %0,8 kobalt oktoat, %0,2 dimethyl aniline (sertleştirici) ve %2 (v/v) MEKP (metil etil keton peroksit) ilave edilerek üretim yapılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda eğilme dayanımı 144MPa, çekme dayanımını ise 58,6MPa olarak bulunmuştur. Kaundal vd. [8] yaptıkları çalışmada, matris olarak, doymamış izoftalik poliester reçinesi üretmiş ve mekanik özellikleri incelemişlerdir. Singh vd. [9], çalışmalarında, doymamış poliester reçine ağırlığının %1’i oranında kobalt oktoat ve %1’i oranında MEKP kullanarak

3

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  hazırladıkları kompozitlerin çekme E-modülü değerini, 1111,5 MPa ve akma dayanımı değerini, 10,59 MPa olarak bulmuşlardır. Marcovich vd. [10], çalışmalarında, izoftalik bazlı UP kompozitleri üretmişlerdir. Üretimde %1,5 oranında benzoil peroksit başlatıcısı kullanmışlardır. Üretilen kompozitin eğilme dayanımını, 85,5MPa, eğilme Emodülünü ise 3,7 GPa olarak belirlemişlerdir. Isa vd. [11], UP reçinesini %5’i oranında DOP (Dioktil fitalat) ile ikame edilmiştir. Polimerleşmenin sağlanması için, %2 oranında başlatıcı (MEKP) ve %2 oranında kobalt hızlandırıcı ilave edilmiştir. %5 DOP ikameli kompozitin çekme dayanımını, 40 MPa, elastikiyet modülünü, 2,4 GPa olmuştur. UP reçinelere takviye malzemelerin eklenmesi sonucunda da kompozit üretimi gerçekleşmektedir. Yaşar ve Arslan [12], yaptıkları çalışmada, poliester matris ile E-camını, %2 oranında kobalt katalizör ve hacimce %1 oranında (v/v) başlatıcı ile etkileştirerek, çekme dayanımı 650 MPa olan kompozit üretmişlerdir. Mekanik ve termal açıdan optimum özelliklere sahip kompozitlerin üretilmesi, çeşitli parametreleri değiştirmek suretiyle mümkün olmaktadır. Ayrıca, deney çalışmalarında, matris yapıyı oluşturacak olan poliester, başlatıcı ve hızlandırıcının hangi oranlarda kullanılacağı önemlidir [13]. Beheshty vd. [14], farklı başlatıcı, katalizör ve sıcaklıklar uygulayarak doymamış poliester reçinelerden optimum parametrelere sahip kompozit üretimi gerçekleştirmeye çalışmışlardır. Başlatıcı olarak düşük pik ekzoterm sıcaklıkları için MEKP ve asetil aseton peroksit (AAP), yüksek sıcaklıklar için ise benzoil peroksit (BPO) ve t-bütil perbenzoat (TBPB) kullanmışlardır. Katalizör olarak ise kobalt naftanat ve dimetil anilin kullanmışlardır. Çalışma sonucunda, TBPB/MEKP karışımının en yüksek pik ekzoterm sıcaklığını, BPO/MEKP karışımının ise en yüksek kürleşme oranını verdiği görülmüştür. Katalizör kullanımı ile de pik ekzoterm değerlerinin önemli oranda değiştiğini gözlemlemişlerdir. Cao ve Lee [15] tarafından yapılan çalışmada, stiren ile poliester etkileşimi sonucunda polimerin daralmasını ve sıkışmasını önlemek amacıyla, stiren kalıntısının termal analiz sonucunda kalan miktarından yola çıkarak başlatıcı etkisini incelemişlerdir. Günümüzde polimer bazlı kompozit ürünlere olan ihtiyaç artarak devam etmektedir. Bu çalışmada ortoftalik ve izoftalik doymamış poliester reçine türleri ile farklı oranlarda başlatıcı kullanımının, elde edilecek kompozit ürünün fiziksel, kimyasal, termal ve mekanik özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Yapılan ön araştırmada tereftalik reçinenin, ortoftalik ve izoftalik reçine türleriyle karşılaştırıldığında daha hızlı bozunma gerçekleştirmesi ve daha düşük termal kararlılığa sahip olması nedeniyle bu çalışmada ortoftalik ve izoftalik reçineler kullanılmıştır. Yapılan bu çalışmanın, reçinelerin fiziksel özelliklerini araştırması ile birlikte kimyasal ve mekanik özelliklerini de geniş spektrumda incelemesinden dolayı literatüre katkı sağlayacağı düşünülmektedir. 2. DENEYSEL METOT (EXPERIMENTAL METHOD) Çalışmada ortoftalik ve izoftalik reçine ile başlatıcı ve katalizörü etkileştirerek kompozit malzeme üretiminde kullanılan poliester reçineler üretilmiştir. Doymamış poliester reçine türleri olarak ortoftalik (1,12 g/cm3, %66 katı içeriği, Polipol 3562-SR), ve izoftalik (1,067 g/cm3, %63 katı içeriği, Polipol 3873-SR) reçineler kullanılmıştır. Polimerleşme için gerekli başlatıcı olarak, metil etil keton peroksit (MEKP) (Akperox ER 59), katalizör olarak da kobalt oktaoat (Akkobalt RC88) kullanılmıştır. Çalışmada ortoftalik anhidrit ve izoftalik anhidrit içeren reçinelerden farklı oranlarda başlatıcı ve %1 oranında katalizör kullanılarak numuneler hazırlanmıştır. Reaksiyonlarda kullanılan reçine türleri ile başlatıcı ve katalizörün kimyasal yapıları görselleri Şekil 1'de verilmiştir.

4

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 

O O *

C

O O

H2 C

H2 C

O

O

C

CH

CH

C

CH2

CH2

O

*

C

n

 

Ortoftalik reçine (Orthophtalic resin)

  O C

O O

H2 C

H2 C

O

O

C

CH

CH

C

CH2

CH2

O

*

O *

C

n

 

Izoftalik reçine (Isophtalic resin)

  O H3C

H2 C

H2 C H3 C

H C

C

O O

Co

O

C

CH2

H C CH2

H2 C

H2 C

CH3

CH3

Kobalt oktaoat (Cobalt octoate)

HO

O

C2H5

C2H5

O

C

O

O

C

CH3

CH3

OH

(Metil etil keton peroksit) (Methyl ethyl ketone peroxide) Şekil 1. Kompozit üretiminde kullanılan maddelerin kimyasal yapıları (Chemical structure of the substances used in the composite production)

Numunelerin kodlanması için “Reçine adı(P)+%XM+%1C” şeklinde kısaltmalar yapılmıştır. Burada X değeri hacimce %1, %1.5, %2 ve %2.5 oranlarını ifade ederken “C” katalizörü, “M” başlatıcıyı, “P” ise izoftalik/ortoftalik reçineyi (doymamış poliester) ifade etmektedir. Polimerleşme reaksiyonu, oda sıcaklığında ve üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada reçine, katalizör ve başlatıcı ısıtıcılı manyetik karıştırıcıda etkileştirilmiştir. Bu amaçla 500 ml’lik ortoftalik ve izoftalik asit reçineleri cam behere alınmış ve üzerine sırasıyla 5 ml katalizör (Kobalt oktoat) ve hacimce %1,0; 1,5; 2,0 ve 2,5 olacak şekilde 5 ml; 7.5 ml; 10 ml ve 12,5 ml oranlarında başlatıcı metil-etil-keton-peroksit (MEKP) ilave edilmiştir. Ardından karışım 2 dk süre ile 400 rpm’de ısıtıcılı magnetik karıştırıcıda karıştırılmıştır. İkinci aşamada etkileşimi artırmak ve homojen bir ürün elde etmek amacıyla Bandelin marka Sonorex model ultrasonik homojenizatörde 1 dk ve 35 kHZ’de numuneler, cam beher içinde tutulmak suretiyle, etkileştirilmiştir. Üçüncü aşamada ise numuneler ultrasonik banyodan alınmış ve Heidolph marka Hei-TORQUE 100 model ultratoraks karıştırıcı ile 1000 rpm’de 4 dk karıştırılmıştır. Elde edilen numuneler önceden hazırlanan 25cm*45cm*4mm

5

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  ebatlarında cam kalıplara döküm yapılmıştır (Şekil 2). Döküm öncesi kalıpların cam yüzeylerine reçinelerin yapışmasını önlemek için kalıp ayırıcı (Polivaks SV-6) sürülmüştür. Kabarcıkların oluşmaması için döküm yavaşça yapılmıştır. Birbirleri arasında silicon fitil bulunan cam levhalar, reçine dökümü sırasında sızma olmaması için çeşitli noktalarından mengenelerle sıkıştırılmıştır.

Şekil 2. Reçine karışımlarının cam levha kalıba dökülme işlemi (Molding process) Reçine karışımları cam levhaya döküldükten sonra, ISO 291’e göre 20±2 ˚C’de 4 saat bekletilmiştir [21]. Kalıptan çıkarılan levha şeklindeki numuneler yapılacak analizin ihtiyacına göre lazer kesim cihazıyla standartlara uygun boyutlarda kesilerek mekanik analizler gerçekleştirilmiştir. 2.1. Fiziksel Analiz (Physical analysis) 2.1.1. Jelleşme süresi, jelleşme sıcaklığı ve pik ekzoterm sıcaklığı (Gel time, Gel temperature and Peak exotherm temperature)

Polimerleşmenin başladığı sıcaklık olan jelleşme sıcaklığı ölçümleri polimer bazlı kompozit üretiminde önemlidir. Jelleşme süresinin belirlenmesi için, ISO 2535 standart metodu, jelleşme sıcaklığının belirlenmesi için ise ASTM D 3056 standart metodları kullanılmıştır [22,23]. Reçinelerin başlatıcı ortamında polimer oluşum reaksiyonları (kürleşme) ekzotermik şekilde gerçekleşmektedir. Kürleşme reaksiyonu gerçekleşirken gözlenen en yüksek sıcaklık pik ekzotermik sıcaklığı olarak ifade edilmektedir. Pik ekzoterm sıcaklığını belirlemek için ASTM D 2471-99 standartı kullanılmıştır [24] Kullanılan doymamış poliester reçinesinin farklı oranlarda reaksiyona girerek çapraz bağlı yeni moleküller oluşturması sonucu ulaşılan sıcaklık, polimerlerin hazırlanma sürecindeki reaksiyon koşulları için önemli olmaktadır. Reçinelerin jelleşme süresi, sıcaklığı ve pik ekzoterm sıcaklığı, ısıtıcılı manyetik karıştırıcı üzerine kurulan ve polietilentereftalat (PET) beher üzerine kıskaç ve nivo ile tutturulmuş, 127 mm'lik, 50 °C -300 °C çalışma aralığına sahip daldırmalı çelik termometre ve vizkozimetrenin spindle ucunun daldırılması sonucu oluşan sistemde belirlenmiştir. Bu amaçla, önce katalizör, ardından başlatıcı reçine üzerine ilave edilmiştir. Reaksiyonun başlangıcından bir süre sonra, karışımın sıcaklığı yükselirken viskozite değeri sabit kalmıştır. Sonrasında viskozite değeri de artış göstermeye başlamıştır. Viskozitenin artmaya başladığı nokta jelleşmenin başladığı durum olarak yorumlanmıştır. Reaksiyon sonucunda sıcaklığın sabit kalıp düşmeye başladığı nokta ise pik ekzoterm sıcaklığını vermektedir.

6

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  2.2.Viskozite (Viscosity) Reçinenin kompozit malzeme üretiminde uygulanabilme potansiyelini belirleyen temel parametrelerden biri sıvının akış özelliğini veren viskozitedir. Bu amaçla, akış özelliklerinin belirlenmesi için kinematik ve gerilime bağlı viskozite ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Kinematik vizkozite ölçümleri ASTM D 2196 standartı ile Myr model VR 3000 marka cihaz ile gerçekleştirilirken, akış özelliklerini daha iyi belirleyebilmek için gerilime bağlı vizkozite ölçümleri ise Brookfield Marka RST-CPS Model reometre cihazı ile 37.5 mm yarıçaplı cone-plate geometrisinde, 1 mm boşluk değerine sahip aparatlarla oda şartlarında gerçekleştirilmiştir [25]. 2.3.Termal analiz (Thermal analysis) Numunelerin bozunma sıcaklıkları, termal kararlılıkları, stiren içerikleri, katı madde içeriği ve nem miktarlarını belirlemek amacıyla termogravimetrik (TGA) analizi ile sıcaklığa bağlı kütle kaybı belirlenmiştir. Termal analizler için, Shimadzu marka, DTG 60H model termal analiz cihazı kullanılmıştır. Bu amaçla platin pan'a 9-10 mg örnek alınmış ve 50 ml/dk N2 akış oranında 20 ˚C/dak ısıtma hızında, oda koşullarından 800 ˚C ye kadar sıcaklık uygulanmıştır. Stiren içeriği, doymamış radikalik polimerizasyondaki önemli bileşenlerden biridir. Stiren ve katı madde içeriğinin belirlenmesi için ise ISO 3344 standartları kullanılmıştır [26] 2.4. Kimyasal Analiz (Chemical analysis) 2.4.1.FT-IR Çalışmada, moleküler etkileşimler incelenerek kimyasal karakterizasyonu gerçekleştirmek amacıyla Shimadzu marka, IR-Prestige 21 model FTIR cihazı kullanılmıştır Ölçümlerde 20 tarama sonucunda, 4 cm-1 çözünürlükte değerler kaydedilmiştir. FTIR analizlerinde, katı numuneler ZnSe kristalinde belli bir basınçla sıkıştırılarak ışınla etkileştirilmiştir.

Şekil 3. Gerçekleştirilen FTIR analizi gösterimi (FTIR analysis) 2.5. Mekanik Testler (Mechanical tests)

7

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  Üretilen poliester reçinelerin mekanik özellikleri uygulanma potansiyeli açısından önem arz etmektedir. Kalıplardan çıkarılan numuneler, yapılacak mekanik analize göre lazer kesme cihazı ile uygun boyutlarda 3’er adet kesilmiştir (Şekil 4). Kesilen numuneler 7 gün bekletildikten sonra mekanik testlere tabi tutulmuşlardır. Mekanik testler için çekme dayanımı ve çekme E-Modülü TS EN ISO 527-1[27], eğilmede çekme dayanımı BS EN ISO 178 [28], eğilmede çekme E-modülü BS EN ISO 178, standartları ile gerçekleştirilirken, çalışmada uygulanan yükleme hızları eğilme deneyleri için 2mm/dk diğer testler için 1mm/dk olarak belirlenmiştir. Kesilen numuneler üzerinde gerçekleştirilen mekanik testlerin görselleri Şekil 4’te gösterilmiştir.

Şekil 4. Mekanik testlerde kullanılan numunelerin boyutları (Dimension of the used material)

Çekme testi (Tensile test)

3 nokta eğilme testi (Three point fluxural test) Şekil 5. Numuneler üzerinde gerçekleştirilen çekme ve eğilme testleri (Tensile and three point fluxural test)

Polimeşme reaksiyonu sonrasında kalıptan çıkarılan numuneler, poliester reçine türleri ile başlatıcı ve katalizör miktarlarına bağlı olarak, az miktarda en ve boydan hacimsel büzülme göstermektedir. Bu yüzden hazırlanan numune boyutlarında küçük farklılıklar görülebilmektedir. Mekanik deney uygulamalarında cihazdan alınan yük değerlerinin, bu boyut farklılıklarını dikkate alarak mekanik dayanımı doğru şekilde kesite göre açıklayabilmek

8

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  için, deneyden önce tüm numunelerin uzunluk, genişlik ve kalınlık noktalarından kumpas ile ölçümler yapılmış ve gerilme hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. 3.

BULGULAR VE TARTIŞMALAR (RESULTS AND DISCUSSION) 3.1. Fiziksel Özellikler (Pysical properties) 3.1.1. Jelleşme süresi, jelleşme sıcaklığı ve pik ekzoterm sıcaklığı (Gel time, gel temperature and peak exotherm temperature)

Numuneler üzerinde yapılan deneyler sonucunda belirlenen jelleşme süresi, jelleşme sıcaklığı ve pik ekzoterm sıcaklığı Şekil 6-a ve Şekil 6-b’de verilmiştir. Şekil 6-a’ teki grafik ortoftalik reçineye, Şekil 5-b’teki grafik ise izoftalik reçineye aittir.

Şekil 6-a. Ortoftalik reçineden elde edilen ortalama jelleşme süresi, jelleşme sıcaklığı ve pik ekzoterm sıcaklığı değerleri (Gel time, gel temperature and peak exotherm temperature values obtained from ortho phtalic resin)

9

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 

Şekil 6-b. İzoftalik reçineden elde edilen ortalama jelleşme süresi, jelleşme sıcaklığı ve pik ekzoterm sıcaklığı değerleri (Gel time, gel temperature and peak exotherm temperature values obtained from isophtalic resin)

Şekil 6 incelendiğinde hem izoftalik reçineye hem de ortoftalik reçineye ait jelleşme süresi, başlatıcı oranının artmasıyla azalma gerçekleşmiştir. Bu durum başlatıcı oranının artmasıyla radikalik polimerizasyonun ve çapraz bağlanmanın daha hızlı bir şekilde gerçekleştiğini göstermektedir. Jelleşme sıcaklığı ise her iki reçinede de artış göstermiştir. Jelleşme sıcaklığının artması ise, peroksit radikallerinin miktarının artması sonucu gerçekleşen ekzotermik reaksiyondan kaynaklanmaktadır. Radikalik polimerizasyonlarda kullanılan organik peroksitlerin (etilmetilketonperoksit) poliester reçine ile olan polimerleşme ya da içerisindeki çapraz bağların oluşumu olan ve kürleşme reaksiyonu olarak ifade edilen reaksiyonları için gerçekleştirilen kinetik çalışmalarında, poliester reçine ile peroksit başlatıcının reaksiyonunda ekzotermik reaksiyon gerçekleşmiştir. Oluşan bu durum diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) termogramlarında genel olarak 2 ekzotermik pik olmak üzere belirtilmiştir. Bu durum, kullanılan peroksit serbest radikallerinin miktarının artması sonucu temas yüzeyi artması ve bu durum sonucunda hızının da artması şeklinde yorumlanmıştır. Reaksiyon hızının artması ile birlikte reaksiyonun sıcaklık artışı daha hızlı olmuştur [29,30]. Pik ekzoterm sıcaklığı değerleri incelendiğinde ise ortoftalik reçinedeki başlatıcı oranları arasında anlamlı bir değişim görülememiştir. Bunun sebebi olarak, ortoftalik reçinedeki bileşenlerin safsızlıkları düşünülebilir. İzoftalik reçinede ise, başlatıcı oranının artması ile beklendiği gibi pik ekzoterm sıcaklığı yükseltmiştir. 3.1.2. Viskozite (Viscosity) Kompozit üretimi esnasındaki reçinenin akış özelliklerinin belirlenmesi, malzemenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini etkilemektedir. Viskozimetre cihazı ile yapılan kinematik ölçümler sonucunda, izoftalik reçinenin 10

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  viskozite değeri daha yüksek bulunmuştur. Bununla birlikte değerleri tam görebilmek adına kayma gerilimine bağlı akış özelliklerini belirlemek için reometre cihazı ile viskozite ölçümleri de gerçekleştirilmiştir (Şekil 7).

Şekil 7. Doymamış poliester reçinelerin kayma hızına bağlı viskozite değerleri (Viscosity values of unsaturated poliester depends on shear rate)

Şekil 7’deki sonuçlar incelendiğinde, izoftalik reçinenin viskozite değerinin, uygulanan kayma hızı değerlerinde 60000 Pa.s-70000 Pa.s aralığında olduğu ölçülmüştür. Ortoftalik reçinenin viskozite değeri ise 30000 Pa.s-35000 Pa.s aralığında olmuştur. Polimerlerin sahip olduğu viskozite değerleri endüstride uygulanabilirlik açısından önemli olmaktadır. Bu durum sonucunda uygun viskoziteye sahip reçinenin takviye malzemeleri ıslatma potansiyeli, proseste işlenebilme, lifleri sağlam ve uygun bir şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir [16]. Bu özelliklerden dolayı daha düşük viskoziteye sahip reçinelerin uygulanabilme potansiyelinin daha yüksek olduğu düşünülmektedir [17]. Çalışmada kullanılan izoftalik reçinenin başlatıcı ve katalizörle etkileştirilmesi sırasında viskozitesinin daha yüksek olması nedeniyle proseste daha düşük uygulanabilme potansiyeline sahip olduğu görülmüştür. Ortoftalik reçine ise izoftalik reçine ile karşılaştırıldığında daha düşük viskozite değerine sahiptir. Bu özelliklerinden dolayı daha yüksek bir uygulanabilme potansiyeline sahiptir. 3.2. Termal Analiz (Thermal analysis) Reçineler üzerinde yapılan termal analizlerde en yüksek çekme dayanımına sahip ortoftalik ve izoftalik reçineden elde edilen numunelerin termal bozunma davranışları ve termal kararlılıkları incelenmiştir (Şekil 8).

11

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 

Şekil 8. Ortoftalik ve izoftalik reçinelere ait kütle sıcaklık ilişkisi (Mass loss-temperature relationship of preferred composites)

Şekil 8 incelendiğinde (açık renkli olan renkler izo reçineye ait olurken, koyu renkliler ise orto ya aittir), numunelerin benzer bozunma eğrisine sahip olmasına rağmen minimal bozunma farklılıklarına sahip olduğu görülmüştür. Açık renkli olan renkler izo reçineye ait olurken, koyu renkliler ise orto ya aittir. İzo ve orto reçinelerin farklı başlatıcı oranları genel anlamda benzer davranış göstermiştir. Reçine türlerinde ise farklı davranış göstermiştir. Numunelerin bozunma sıcaklıkları 25˚C-200˚C ve 300˚C-450˚C aralığında olmak üzere 2 grupta incelenmiştir. 25 ˚C -200 ˚C bölgesinde düşük molekül ağırlıklı moleküller yapıdan uzaklaşırken, 300-450 ˚C bölgesinde orta molekül ağırlıklı moleküller yapıdan uzaklaşmaktadır. Bu sıcaklık aralığı, ana yapının bozunduğu sıcaklık aralığını kapsamaktadır. 500 °C’ye kadar kısımda % 3,5’lik kısımın izoftalik reçinesinde ortamda kaldığı gözlenirken, ortoftalik reçineden elde edilen polimerde ise % 3,8 olmuştur. Reçine türleri karşılaştırıldığında, hem birinci bölgede hemde ikinci bölgede, ortoftalik asitten elde edilen kompozitin termal karalılığının izoftalik reçineden elde edilen kompozite göre daha yüksek değerde olduğu gözlenmiştir. Laoubi ve ark. yaptığı çalışmada 130 °C ve 400 °C’de olmak üzere 2 bölgede bozunmanın gerçekleştiğini ve 500 °C ye kadar kısımda 2,45’lik bir kısımın kaldığını gözlemlemişlerdir [18]. Marliana ve arkadaşlarıda UP nin fiberle etkileşiminin termal sonuçlarını araştırmışlardır [19]. Çalışmada hem polimerleşme ajanı hemde çözücü olarak kullanılan stiren miktarı belirlenirken, 150 ˚C’ye kadar olan bozunmadaki kütle kaybı stiren içeriği olarak değerlendirilir, geri kalan kısım ise katı madde içeriğini vermektedir. Ortoftalik reçinede bu oran %17,45 olarak gözlenirken, izoftalik reçinede bu oran % 28,49 olarak gözlenmiştir. 3.3. Kimyasal Analiz (Chemical analysis) 3.3.1.FT-IR

12

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  Çalışmada kullanılan ortoftalik ve izoftalik reçineler üzerinde absorpsiyon piklerine dayalı olarak, moleküler etkileşimleri belirlemek amacıyla gerçekleştirilen FT-IR analizleri sonucunda elde edilen polimer bazlı kompozit malzemelere ait spektrumlar Şekil 9 ve Şekil 10’da ortoftalik ve izoftalik reçineye ait olmak üzere sırasıyla verilmiştir.

1346

778 1293

Wavenumber (cm-1) Şekil 9. Ortoftalik asit poliester reçinesinin polimerleşmesi sonucu elde edilen kompozitlerinin FT-IR spektrumu (FT-IR spectra of composites obtained from orthophtalic resin having different initiator rate)

Wavenumber (cm-1) Şekil 10. İzoftalik asit poliester reçinesinin polimerleşmesi sonucu elde edilen kompozitlerin FT-IR spektrumu 13

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  (FT-IR spectra of composites obtained from isophtalic resin having different initiator rate)

Spektrumlar incelendiğinde, ortoftalik reçineden elde edilen kompozitte karbonil grubundaki C=O asimetrik gerilme titreşimi, 1727 cm-1 gözlenirken, C-O-C etkileşimleri 1376 cm-1, C-O simetrik gerilme titreşimi ise 1118 cm-1’de gözlenmiştir. Bu değerler izoftalik reçineden elde edilen kompozitte daha düşük dalga sayılarında gözlenmiştir. Polimerleşme reaksiyonunda önemli bir pik olan ve polimerizasyon karakterini belirleyen stirene ait karakteristik C=C titreşimi ortoftalik ve izoftalik reçineden elde eilen kompozitte sırasıyla 914 cm-1 ve 912 cm1

’de gözlenmiştir. Bu pikin başlatıcı ile reaksiyon sonrasında spektrumda görülmemesi, polimerleşme

reaksiyonunun gerçekleştiğini ifade etmektedir [15]. 1455 cm-1’de gözlenen pik ise CH2 bantlarına aittir. Polimerleşme sonrasında bu bandın şiddetinde artma gözlenmiştir. Bu artış sonucunda yapıdaki karbon zincirinin uzunluğunun arttığı anlamına gelmektedir [20]. Fakat pik şiddetleri ile başlatıcı oranları arasında, anlamlı bir ilişki gözlenmemiştir. Başlatıcı oranlarının farklılığı ile piklerin geçirgenlikleri arasında anlamlı bir ilişki görülmemiştir. 3.4. Mekanik Testler (Mechanical tests) Çalışmada, farklı başlatıcı oranlarında hazırlanan ortoftalik ve izoftalik reçine karışımlarından elde edilen kompozitler üzerinde çekme dayanımı, çekme E-modülu, eğilme dayanımı, eğilme E-modülü ve kopma uzaması deneyleri gerçekleştirilmiştir. Farklı kürleştirici oranlarında hazırlanan ortoftalik ve izoftalik reçine karışımlarının mekanik özellikleri Tablo 1’de gösterilmiştir. Tablo 1. Farklı kürleştirici oranlarında hazırlanan ortoftalik ve izoftalik reçinelerin mekanik özellikleri (Mechanical properties of the ortho and isophtalic resin prepared from initiator having different rate)

Mekanik Özellikler

Birim

Reçine Türleri

Reçineler ve Karışım Oranları (%)

İzoftalik Ortoftalik

İzoftalik (%) 1,0

1,5

2,0

Ortoftalik (%) 2,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Çekme E modülü

(GPa)

4000

3800

Çekme dayanımı

(MPa)

77

74

66

62

68

62

64

54

52

38

Eğilme Dayanımı

(MPa)

125

125

117

123

123

112

116

117

100

83

Eğilme E Modülü

(MPa)

3000

3800

5311 5399 5410 5523 5180 4859 5592 4881

(%)

6

4

Kopma uzaması (çekme)

1783 2322 2345 2529 2654 2108 2184 2446

7,35

5,36

4,96

4,41

4,36

4,12

3,75 3,03

3.4.1. Ortoftalik ve izoftalik reçineden elde edilen kompozitlerin çekme dayanımı ve çekme modülü (Tensile strength and Young modulus of the composites obtained from ortho and iso resin)

Ortoftalik reçineden elde edilen kompozitlere ait çekme dayanımı verilerine ait gerilme-birim deformasyon eğrileri Şekil 11’ de verilmiştir.

14

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 

Şekil 11. Ortoftalik reçine kompozitinin çekme gerilmesi birim deformasyon eğrisi (Tensile strength-strain curve of the composites obtained from ortho phtalic resin)

Şekil 11 incelendiğinde, Ortoftalik reçine karışımlarında en düşük çekme dayanımı değerinin %2,5 başlatıcı oranında 38MPa olduğu, en yüksek çekme dayanımı değerinin ise %1,0 başlatıcı oranında 64MPa olarak elde edilmiştir. Dolayısıyla başlatıcı oranı arttırıldıkça çekme dayanımlarının da azaldığı tespit edilmiştir. İzoftalik reçineye ait çekme gerilmesi birim deformasyon eğrisi Şekil 12’de verilmiştir. Reçinelerin ait ortalama çekme dayanımı ve çekme modüllleri Şekil 12’de verilmiştir.

Şekil 12. İzoftalik reçinelerin çekme gerilme-birim deformasyon eğrisi (Tensile strength-strain curve of the composites obtained from ortho phtalic resin)

15

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 

Şekil 13. Ortoftalik ve izoftalik reçinelerine ait çekme dayanımı ve elastikiyet modüllerinin karşılaştırılması (Comparison of tensile strentgh and young modulus of composites obtained from ortho and iso resins)

İzoftalik reçine karışımlarında en düşük çekme dayanımı değeri %1,5 başlatıcı oranında 62MPa olarak elde edilmiştir. En yüksek çekme dayanımı değeri %2 başlatıcı oranında 68MPa olarak elde edildiği görülmüştür. % 1,0 başlatıcı oranında ise 66MPa olmuştur. Çekme dayanımları arasındaki farkın düşük olmasından dolayı ekonomik anlamda izoftalik reçine için en uygun başlatıcı oranının %1,0’lik reçine karışımı olduğu düşünülmektedir. Ayrıca, başlatıcı oranı arttırıldıkça çekme dayanımlarının genel olarak azaldığı tespit edilmiştir. Çalışmada elde edilen en yüksek çekme dayanımı değerleri izoftalik için 68 MPa, ortoftalik için 65MPa bulunmuştur. Haddad ve Kobaisi (2013), doymamış poliesterin çekme dayanımı değerini 58,6MPa olarak gözlemlemişlerdir [7]. Yaşar ve Arslan (2000), yaptıkları çalışmada doymamış poliester kompozitin çekme dayanımı değerini 25MPa [12], Kaundal ve ark. (2016) 25MPa olarak [8], Isa ve ark. (2013) ise yaptıkları çalışmada çekme dayanımı değerini 40±1,6MPa olarak bulmuşlardır [11]. Çalışma sonucunda elde edilen çekme dayanımı değerleri yukarıda verilen literatür sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, elde edilen sonuçların literatürdeki değerlerden daha yüksek olduğu belirlenmiştir İzoftalik reçine karışımlarında en düşük çekme-E modülü değerinin %1,0 başlatıcı oranında 1783MPa olduğu, en yüksek çekme E modülü değerinin ise %2,5 başlatıcı oranında 2529MPa olduğu gözlenmiştir. Ayrıca başlatıcı oranı arttırıldıkça çekme E modülünün de arttığı tespit edilmiştir. Ortoftalik reçine karışımlarında ise en düşük çekme E modülü değerinin %1,5 başlatıcı oranında 2108MPa olarak elde edildiği, en yüksek çekme dayanımı değerinin ise %1,0 başlatıcı oranında 2654MPa olmuştur. Bu başlatıcı oranındaki çekme E-Modülü ile %1,5 başlatıcı oranında elde edilen çekme E-Modülü değeri (2322 MPa) arasındaki farkın %9’dan küçük olduğu tespit edilmiştir. Çekme E-Modülü değerleri arasındaki farkın düşük olmasından dolayı izoftalik reçine için en uygun başlatıcı oranının %1,5’ luk reçine karışımı olduğu düşünülmektedir. Bu durumda, ortoftalik reçine için en uygun başlatıcı oranının %1,0’ lik reçine karışımı olduğu düşünülmektedir. Çalışmada elde edilen en yüksek çekme E modülü değerleri izoftalik için 2529 MPa, ortoftalik reçine için ise 2654 MPa bulunmuştur. Sonuçlar literatürle karşılaştırıldığında, Kaundal ve ark. (2016), çekme E modülü değerini 700MPa bulurken [8], Singh ve ark. (2005), yaptığı çalışmada ise çekme E modülü değerini 1111,5MPa olarak bulmuşlardır [9]. Isa ve ark. (2013) ise çe kme E modülü değerini 2400MPa bulmuşlardır [11]. Elde edilen çekme

16

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  E-modülleri, literatür sonuçlarıyla karşılaştırıldığında, sonuçların literatürdeki değerlerden daha yüksek olduğu belirlenmiştir 3.4.2. Eğilme dayanımı ve eğilme modülü testleri (Three point fluxural test and Modulus of bending)

Farklı başlatıcı oranlarıdaki reçinelerden elde edilen eğilme dayanımı ve eğilme modülüne ait sonuçlar Şekil 14’te verilmiştir.

Şekil 14. Ortoftalik ve izoftalik reçinelerin eğilme dayanımı ve elastikiyet modüllerinin birbirleriyle karşılaştırılması (Comparison of bending strentgh and modulus of the composites obtained from ortho and iso resins)

İzoftalik reçinelerde en düşük eğilme dayanımı değeri %2,5 başlatıcı oranında 112MPa olarak bulunmuştur. En yüksek eğilme dayanımı değeri ise %1,5 ve %2,0 başlatıcı oranında 123MPa olarak elde edilmiştir. Ortoftalik reçinelerde ise en düşük eğilme dayanımı değerinin %2,5 başlatıcı oranında 83MPa olarak elde edildiği, en yüksek eğilme dayanımı değerinin ise %1,5 başlatıcı oranında 117MPa olarak elde edildiği görülmüştür. Haddad ve Kobaisi (2013), doymamış poliesterin eğilme dayanımı değerini 144MPa bulurken [7], Kaundal ve ark. (2016) yaptıkları çalışmada ~47MPa bulmuşlardır [8]. Marcovich ve ark. (2009), kompozitin eğilme dayanımı değerini 85,5MPa bulmuşlardır [10]. Çalışmada elde edilen değerler genel anlamda literatürden daha yüksek değerde bulunmuştur. Eğilme E-Modülü değeri incelendiğinde, izoftalik reçine için en yüksek değer %2,5 başlatıcı oranında, 5523MPa olarak elde edilmiştir. Bu başlatıcı oranındaki eğilme E-Modülü ile %1,0 başlatıcı oranında elde edilen eğilme EModülü değeri (5311 MPa) arasındaki farkın %4’ten küçük olduğu tespit edilmiştir. Ortoftalik reçinelerde ise en düşük eğilme E modülü değerinin %1,5 başlatıcı oranında 4859MPa olarak elde edildiği, en yüksek eğilme E modülü değerinin ise %2,0 başlatıcı oranında 5592MPa olarak elde edildiği görülmüştür. Literatürde, Kaundal ve ark.(2016), ~1750MPa bulurken [8], Marcovich ve ark.(2009) ise, eğilme E modülünün değerini, 3700 MPa bulmuşlardır [10]. Literatürle karşılaştırıldığında daha yüksek değerler elde edilmiştir.

17

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  3.4.3. Kopma uzama testleri (Elongation at break test) Farklı başlatıcı oranlarında hazırlanan ortoftalik ve izoftalik reçine karışımlarının kopma uzaması değerleri Şekil 15’te verilmiştir.

Şekil 15. Ortoftalik ve izoftalik reçine karışımlarının kopma uzaması değerlerinin birbirleriyle karşılaştırılması (Elongation of break values of the composites obtained from ortho and iso resins)

Çalışmada kullanılan ham poliester reçinesi ile farklı başlatıcı oranlarında hazırlanan reçine karışımlarının kopma uzaması değerleri incelendiğinde hem ortoftalik hem de izoftalik reçinelerde başlatıcı oranlarının arttırılmasıyla elde edilen kompozitlerin kopma uzaması değerlerinde azalma görülmüştür. Ayrıca tüm karışımlarda izoftalik reçineden elde edilen kompozitlerin kopma uzamalarının ortoftalik reçinelerin kopma uzamalarından daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Mevcut çalışmada, doymamış poliesterlerin moleküler yapılarının farklı olması, üretim süreçlerinde içerdikleri katkı maddelerinin farklılık göstermesi, polimerleşme için kullanılan başlatıcı ve hızlandırıcı türleri ile oranlarının farklılığı, karışımların iyi homojenize edilmesi için uygulanan ön işlemler ve kompozitlerin kürleşme şartları gibi faktörlerin, mekanik özellikleri etkilediği gözlenmiştir. Çalışmada mevcut literatürden farklı olarak, uygulanan ön işlemler daha kapsamlı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla reaksiyon hızını artırmak ve verimli reaksiyon gerçekleştirmek amacıyla manyetik karıştırıcı ile birlikte ultrasonik homojenizatör ve mekanik karıştırıcı kullanmak suretiyle temas yüzeyinin artırılması, optimum etkileşme ve homojenizasyon sağlanmaya çalışılmıştır. Çünkü, Arhenius denklemine göre (1) temas yüzeyinin artırılması, reaksiyondaki moleküllerin birbirleri ile çarpışmasını artırarak daha homojen bir kompozit elde edilmesini sağlamaktadır [31]. .

/

)

(1)

(k, hız sabiti, A, temas yüzeyi ve katalizörü, Ea, aktivasyon enerjisi, T, sıcaklık).

4.

SONUÇLAR (CONCLUSION) Bu çalışmada ortoftalik reçine, izoftalik reçine ve katalizör ile farklı oranlara sahip başlatıcının 18

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  polimerleşme reaksiyonu sonucunda yeni kompozitler üretilmiştir. Üretim esnasındaki reçine karışımının fiziksel özellikleri ile birlikte, kimyasal, termal ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Çalışma sonucunda, başlatıcı oranının artmasıyla, her iki reçine türünde de jelleşme süresinin azaldığı gözlenmiştir. Bunun nedeni artan miktar sonucu oluşan ekzotermik reaksiyon ile ortamın sıcaklığının yükselmesi sonucunda reaksiyonun hızlanması ve moleküllerin daha hızlı çapraz bağlanma gerçekleştirmesidir. Artan başlatıcı oranı ile jelleşme sıcaklığınınn da yükseldiği gözlenmiştir. Bu durum, peroksit radikallerinin miktarının artması sonucu gerçekleşen reaksiyonun sıcaklığının yükseldiğini göstermektedir. Pik ekzoterm sıcaklıkları incelendiğinde ortoftalik reçinede, başlatıcı oranına bağlı olarak anlamlı bir değişim görülememiştir. Bunun sebebi olarak, ortoftalik reçinedeki bileşenlerin safsızlıklarının izoftalik reçineye göre daha fazla olduğu düşünülmektedir. İzoftalik reçinede ise, başlatıcı oranının artması pik ekzotermik sıcaklığının yükselmesine neden olmuştur. İzoftalik reçinenin viskozitesi, ortoftalik reçineden daha yüksek değere sahiptir. Bu durum içeriklerindeki çözücü ve kimyasal yapıların farklı olduğunu göstermektedir. TGA analizinde, optimum parametrelere sahip %1 oranında başlatıcı içeren izoftalik ve ortoftalik reçinelerden elde edilen kompozitler incelenmiştir. Analiz sonucunda, hem birinci bölgede hemde ikinci bölgede, ortoftalik asitten elde edilen kompozitin termal karalılığının izoftalik reçineden elde edilen kompozite göre daha yüksek olduğu gözlenmiştir. İzoftalik reçinenin stiren içeriği, ortoftalik reçineden daha yüksek oranda çıkmıştır. Stiren içeriğinin yüksek olması mekanik özellikler üzerinde olumlu bir etki yapmıştır. Kompozitlere ait spektrumlar incelendiğinde, reçinelerde ve stiren molekülünde bulunan 912 cm-1’deki C=C gerilme titreşiminin ortadan kalktığı gözlenmektedir. Bu durum sonucunda, etil metil keton peroksit başlatıcısının, stiren molekülündeki mevcut çift bağları açma suretiyle radikalik polimerleşme reaksiyonunu gerçekleştirdiği gözlenmiştir. Ayrıca 1455 cm-1 deki C-H etkileşimleride polimer zincirinin artmasıyla, başlangıçtaki reçinenin mevcut titreşimine oranla artmış fakat oranlar arasında anlamlı bir artış gözlenmemiştir. Reçinelerden elde edilen kompozitlerin çekme dayanımları karşılaştırıldığında, % 2,0 oranında başlatıcı etkisi ile izoftalik reçineden üretilen kompozit 68 MPa ile en yüksek değeri vermiştir. Fakat ekonomik açıdan değerlendirme yapıldığında %1,0 lik başlatıcı oranına sahip kompozitin çekme dayanım değeride makul seviyededir. Çekme dayanımları arasındaki farkın düşük olması ve ayrıca daha az reçine tüketimi ile daha az maliyetle makul ölçüde dayanım elde edilebildiğinden dolayı izoftalik reçine için en uygun başlatıcı oranının % 1,0 olduğu düşünülmektedir. Ortoftalik reçine ile üretilen kompozitte ise en yüksek çekme dayanımı değeri % 1,0’lik başlatıcı oranında ve 64 MPa olarak bulunmuştur. İzoftalik ve ortoftalik reçineden elde edilen reçine karışımlarının çekme dayanımları birbiri ile karşılaştırıldığında izoftalik reçinenin daha yüksek dayanım gösterdiği görülmüştür. Izoftalik ve ortoftalik reçineler için en uygun reçine karışımı, her iki reçine karışımı için de, “P+%1,0M+%1,0C” olarak elde edilmiştir. Kompozitlerin çekme elastikiyet modülleri incelendiğinde, izoftalik reçineden %2,5 başlatıcı oranı ile elde edilen karışımın en yüksek çekme elastikiyet modülü 2529 MPa bulunmuştur. Ortoftalik reçineden %1,0 başlatıcı oranı ile elde edilen kompozitte ise en yüksek çekme elastikiyet modülü 2654 MPa olarak bulunmuştur. Bundan dolayı ortoftalik reçineden elde edilen kompozit ile izoftalik reçineden üretilen kompozitin değerleri karşılaştrıldığında ortoftalik kompozitin daha yüksek elastikiyet modülüne sahip olduğu görülmüştür. Kompozitlerin eğilme dayanımı değerleri incelendiğinde izoftalik reçineden elde edilen kompozitlerde %1.5 ve %2,0’ lik başlatıcı oranı ile üretilen kompozitlerin 123 MPa ile en yüksek eğilme dayanımı vermiştir.

19

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University  Ortoftalik reçinede ise %1.5 luk başlatıcı oranı kullanılarak elde edilen kompozitin 117 MPa ile en yüksek eğilme dayanımı verdiği belirlenmiştir. Kompozitlerin Eğilme E-modülleri karşılaştırıldığında ise izoftalik reçineden %2,0’ lik başlatıcı oranına sahip kompozit 5592 MPa değere sahip olmuştur. Ortoftalik reçinede ise %2.5 luk başlatıcı oranına sahip karışımdan elde edilen kompozitte 5311 MPa olarak bulunmuştur. Dolayısıyla izoftalik reçine ile üretilen kompozitlerin eğilme dayanımı ve eğilme modülleri, ortoftalik reçineye göre daha yüksek değer vermiştir. Kompozitlerin kopma uzaması değerleri incelendiğinde hem ortoftalik hem de izoftalik reçinelerde başlatıcı oranlarının arttırılmasıyla kopma uzaması değerlerinin azaldığı görülmüştür. İzoftalik reçineden elde edilen kompozitlerin kopma uzamalarının ortoftalik reçinelerden elde edilen kompozitlerin kopma uzamalarından daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Mevcut çalışmada elde edilen verilerin literatürden yüksek çıkmasının sebebi olarak kompozit üretimi öncesinde uygulanan ön işlemlerin ve sonrasındaki kürleştirme sürecinin yüksek verimle gerçekleşmesi olarak düşünülmektedir. Uygulanan ön işlemler ile, moleküllerin temas yüzeyi artırılmış ve mekanik özellikleri de olumlu etkileyen daha homojen bir karışıma sahip kompozit elde edilmiştir. Çalışma sonucunda, izoftalik reçinenin mekanik dayanımlarının, ortoftalik reçineden genel olarak daha yüksek değerlere sahip olduğu görülmüştür. Dayanım değerleri açısından optimum başlatıcı oranının ortoftalik reçine için %1,0, izoftalik reçine için %2,0 olduğu, daha yüksek başlatıcı oranlarında çekme ve eğilme dayanımlarında azalmaların olduğu görülmüştür. Maliyet anlamında değerlendirildiğinde ise hem izoftalik hemde ortoftalik reçinelerin % 1,0 başlatıcı oranında kullanımı sonucu oluşan kompozitlerin mekanik özellikler açısından makul seviyede olduğu belirlenmiştir. Her iki reçine türünde de başlatıcı oranı arttıkça reçinelerin daha kırılgan hale geldiği, kopma uzaması değerlerinin de azaldığı tespit edilmiştir. Ancak, iki reçine arasındaki mekanik dayanım farkı çok fazla olmadığından, maliyet ve elyaf ıslanması için önemli olan düşük viskozite değeri açısından değerlendirme yapıldığında, kompozit malzeme üretiminde ortoftalik reçinelerin kullanılmasının daha uygun olacağı düşünülmektedir.

KAYNAKLAR (REFERENCES) [1].

Peters S.T., Handbook of Composites, 2th edition, Chapman & Hall, 24-25, London, 1998.

[2].

Callister W.D. and Rethwisch D.G., Materials Science and Engineering, Eight Edition, Çeviren: Kenan Genel, Nobel Yayınları, 626-667, 2013.

[3].

Çakır M., Kartal İ., Demirer H., Taşyürek Ş., Akrilik Elyaf Takviyeli Poliester Kompozitlerin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi. 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), Elazığ-Turkey, 16-18, May, 2011.

[4].

Boenig HV., Unsaturated poliester: structure and properties, Elsevier, 1964.

[5].

Yılmaz M.G., Cam elyaf katkılı doymamış poliester malzemelerde mineral katkıların mekanik ve tribolojik özellikleri, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2006.

[6].

Varma I.K. and Gupta V.B., Thermosetting Resin-Properties. Comprehensive Composite Materials, 2, 1-56, 2003. 20

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 

[7].

Haddad H., Al Kobaisi, M., Influence of moisture content on the thermal and mechanical properties

and

curing

behavior

of

polymeric

matrix

and

polymer

concrete

composite, Materials& Design, 49, 850-856, 2013. [8].

Kaundal R., Patnaik A., Satapathy A. Mechanical characterizations and development of erosive wear model for Al2O3-filled short glass fiber-reinforced polymer composites.Materials Design and Applications, 0(0), 1-16, 2016.

[9].

Singh P., Kaushik A., Kaur K. Mechanical properties and swelling behavior of short glass fiber reinforced poliester composites. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 18(6), 543-559 2005.

[10].

Marcovich N.E., Ostrovsky A.N., Aranguren M.I., Reboredo M.M. Resin–sisal and wood flour composites made from unsaturated poliester thermosets. Composite Interfaces, 16(7-9), 639657, 2009.

[11].

Isa M.T., Ahmed A.S., Aderemi B.O., Taib R.M., Mohammed-Dabo I.A. Effect of fiber type and combinations on the mechanical, physical and thermal stability properties of poliester hybrid composites. Composites Part B: Engineering, 52, 217-223, 2013.

[12].

Yaşar İ., Arslan F., Sürekli cam elyaf takviyeli poliester matrisli kompozitlerde elyaf hacim oranı ve elyaf doğrultusunun tribolojik özelliklere etkisi, Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, Tubitak, 24, 181-191, 2000.

[13].

Ateş E., Aztekin K., Çakır R., Determınatıon of the densıty and compressıon strength optımızatıon of wıthout fıllıng materıal composıtes, Journal of Engineering and Natural Sciences Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 28, 287-297, 2010.

[14].

Beheshty M.H, Nasiri H., Vafayan M., Gel time and exotherm behaviours studies of an unsaturated poliester resin initiated and promoted with dual systems. Iranian Polymer Journal, 14(11), 990-999, 2005.

[15].

Cao X., Lee L.J., Control of shrinkage and residual styrene of unsaturated poliester resins cured at low temperatures: I. Effect of curing agents, Polymer 44, 1893-1902, 2003.

[16].

Tolun C.,”Dikdörtgen Elasto-Plastik Kompozit Plakların Dinamik Analizi”, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 1, Ankara, (2008).

[17].

Campbell Jr, Flake C., ed. Manufacturing processes for advanced composites, elsevier,2003.

[18].

Laoubi K., Hamadi Z., Benyahia AA., Serier A., Azari Z., Thermal Behaviour of E-glass fiberreinforced unsaturated poliester composites, Compsites: Part B, 56, 520-526, 2014.

[19].

Marliana, M.M., Hassan, A., Yuziah, M. N., Khalil, H. A., Inuwa, I. M., Syakir, M. I., Haafiz, M. M. Flame retardancy, Thermal and mechanical properties of Kenaf fiber reinforced Unsaturated poliester/Phenolic composite. Fibers and Polymers, 17(6), 902-909, 2016.

21

Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 

[20].

Varga Cs., Miskolczi N., Bartha L., Lipoczi G., Improving the mechanical properties of glassfibre-reinforced poliester composites by modification of fibre surface, Materials and Design 31, 185-193, 2010.

[21].

ISO 291. Plastics-standart atmospheres for conditioning and testing, Fourth edition 2008-05-01.

[22].

ISO2535:2001. Plastics-Unsaturated-polyester resins-Measurement of gel time at ambient temperature, Third edition, 2001-07-15.

[23].

ASTM D 3056-05, 2008. Standard Test Method for Gel Time of Solventless Varnishes.

[24].

ASTM D 2471-99. Standard Test Method for Gel Time and Peak Exothermic Temperature of

Reacting Thermosetting Resins [25].

ASTM 2196-05. Standard Test Methods for Rheological Properties of Non-Newtonian Materials by Rotational Viscometer

[26].

ISO 3344:1997-05-15. Reinforcement products-Determination of moisture content

[27].

TS EN ISO 527-1:2012(E). Plastics-Determination of tensile properties. Part 1: General principles

[28].

BS EN ISO 178:2003 Plastics-Determination of Flexural Properties

[29]

Waigaonkar S, Babu B, Rajput A, Curing studies of unsaturated polyester resin used in FRP products, Indian Journal of Engineering & Material Sciences, 18, 31-39, 2011.

[30].

Martin JL, Kinetic analysis of an asymmetrical DSC peak in the curing of anunsaturated polyester resin catalysed with MEKP and cobalt octoate, Polymer, 40, 3451–3462, 1999.

[31]

Sriloy N, Wimolmala E, Sombatsompop N, Kumnuantip C, Thongin C, Effects of Silica Based Fillers, Surface treatment and Curing Method on Mechanical Properties of Silica/Unsaturated Polyester Composites, Macromelcular Research, 18 (4), 372-379, 2010.

22