Termal Karakterizasyon Yöntemleri

advertisement
Polimerlerin Karakterizasyonu
 Polimer bazlı malzemelerin sentezi, moleküler
özellikleri ve fiziksel özellikleri arasındaki ilişkiyi
anlamak için farklı karakterizasyon yöntemlerini
kullanmak gerekir. Mesela, molekül ağırlığı ile reoloji
arasındaki ilişki, üretilen polimerin üretim sırasındaki
özelliklerini anlamak, ve hatta kontrol etmek için
kullanılabilir.
Polimerlerin Karakterizasyonu
 Polimerik malzemeyi daha iyi anlamak ve kontrol
etmek için kullanılan bu karakterizasyon yöntemleri
polimer biliminin temelini oluşturur ve bu
yöntemlerin ne işe yaradığını ve nasıl kullanılacağını
iyi anlamak gerekir. Ancak bu şekilde yeni malzemeler
ve teknolojiler üretilebilir. Karakterizasyon
yöntemlerinin çeşitleri aşağıda verilmiştir.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
 Jel Geçirgenlik Kromatografı (GPC)
 Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR, ATR)
 Kütle Spektroskopisi (MALDI-TOF, MS)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
 Diferansiyel Taramalı Kalorimeteri (DSC)
 Termal Gravimetrik Analiz (TGA)
 Dinamik Mekanik Termal Analiz (DMA, DMTA)
Mekanik Karakterizasyon
Yöntemleri
 Reoloji
 Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri (Çekme, Basma,
Eğme)
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
 Atomik Kuvvet Mikroskopu (AFM)
 X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS)
 Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM)
Morfoloji Analizi Yöntemleri
 X-Işını Kırınımı (XRD)
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Jel Geçirgenlik Kromotagrafı (GPC)
 Kullanılan Cihaza Örnek; PL-GPC 220
 Büyüklükçe Ayırma Kromatografisi (SEC) olarak da bilinen,
Jel Geçirgenlik Kromatografisi (GPC), molekülleri tanecik
boyutlarına göre ayrıştıran bir kromatografi yöntemdir. Bu
metot polimerlerin molekül ağırlığı ve molekül ağırlığı
dağılımı tayininde hızlı ve kesin sonuç almak için kullanılır.
PL-220 cihazı tüm polimer türleri için, uygun çözücü ve
sıcaklık kombinasyonlarında, 30° ile220°C aralığında
otomatik olarak çalışır.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Jel Geçirgenlik Kromotagrafı (GPC)
 Kolon fırını; 30 cm‘ lik iki GPC kolonu, RI detektörü ve
enjeksiyon vanası içermektedir. Sisteme aynı zamanda
viskometre detektörü ve iki açılı(15° ve 90°) ışık
saçılımı detektörü bağlıdır. Detektörlerin baz
çizgisindeki kaymalarını en aza indirebilmek, ve
alıkonma zamanlarındaki tekrar edilebilirliği sağlamak
için, hava fırını ısı değişimindeki farkın 0.05°C/saat‘
ten az olmasını kontrol eder.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Jel Geçirgenlik Kromotagrafı (GPC)
 Otomatik örnekleme sayesinde,2 ml'lik standart kaplar
kullanılarak örnekler birbirine karışmadan, art arda 40
ölçüm alınabilmektedir. GPC bağıl bir metot
olduğundan analizler değişik kalibrasyon metotları
gerektirir.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Jel Geçirgenlik Kromotagrafı (GPC)
 Kalibrasyon için dar molekül ağırlığı dağılımına sahip,
anyonik olarak sentezlenmiş, polisitiren, polietilen
oksit ve polietilen glikol kullanılmaktadır.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Jel Geçirgenlik Kromotagrafı (GPC)
Özellikleri;
 Sıcaklık: 30°C- 220°C
 Örnek Miktarı:
 0.050 g saf katı veya sıvı örnekler.
 Uygulama alanları:
 Makro moleküller, koloidal dispersiyonlar.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Infrared (Kızılötesi) Spektroskopisi
 Infrared spektroskopisine titreşim spektroskopisi de
diyebiliriz Bunun sebebi kızılötesi ışınları molekülün
titreşim hareketleri tarafından absorblanmasıdır.
Çünkü kızılötesi ışıması UV ve görünür bölge ışıması
gibi elektronik geçişleri sağlayacak kadar yüksek
enerjili değildir. Ancak moleküldeki dönme ve titreşim
düzeyleri arasındaki geçişleri sağlayabilir.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Infrared (Kızılötesi) Spektroskopisi
 Bir molekülün kızılötesi ışımasını absorblayabilmesi
için dipol momentinde bir değişim olması
gerekmektedir (Bu tür maddelere IR aktif maddeler de
denilir). Molekül üzerine gönderilen kızılötesi
ışımasının frekansı, molekülün titreşim frekansına eşit
olduğu zaman ancak bir absorbsiyon söz konusu
olabilir. HCl asit üzerinde açıklamaya çalışırsak Cl
elektronegatif bir element olduğu için H-Cl arasındaki
bağ elektronları Cl atomu tarafından çekilecektir.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Infrared (Kızılötesi) Spektroskopisi
 Yani simetrik bir yük dağılımı olmayacaktır elektronlar
Cl atomu etrafında yoğunlaşacaktır. Bu nedenle HCl,
polardır ve net bir dipol momentten bahsedebiliriz.
O2, N2 Cl2 gibi homonükleer moleküllerde titreşim ve
dönme hareketleri sırasında net bir dipol moment
değişimi olmadığı için kızılötesi ışımasını
absorblayamazlar.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Infrared (Kızılötesi) Spektroskopisi
 Elektromanyetik spektrumda kızılötesi ışıma yaklaşık
olarak 300 GHz ile 400 THz frekansları arasında ve 1
mm ile 750 nm dalgaboyları arasındadır. Üç ana
kategoride incelenir:
 Uzak Kızılötesi: 300 GHz (1mm λ) ile 30 THz (10 μm λ)
arasındadır. Bu bandın alt bölümleri için mikrodalga
da denilebilir. Bu radyasyon tipik olarak spin yapan gaz
molekülleri, sıvılarda moleküler akışkanlık ve katılarda
fotonlar tarafından emilir.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Infrared (Kızılötesi) Spektroskopisi
 Dünyanın atmosferindeki yaklaşık %1 su buharı
tarafından emilen uzak kızılötesi ışınım, atmosferin
saydam olmasında büyük rol oynamaktadır.
Astronomide 200 μm ile birkaç mm arasındaki
dalgaboylarına genellikle milimetre altı denir ve “uzak
kızılötesi” tanımı 200 μm’nin altındaki dalgaboyları
tarafından kullanılır.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Infrared (Kızılötesi) Spektroskopisi
 Orta Kızılötesi: 30 THz (10 μm λ) ile 120 THz (2.5 μm
λ) arasında bulunur. Sıcak cisimler bu sıklıkla bu
aralıkta ışınım yayarlar. Orta kızılötesi ışınım normal
moleküler titreşim tarafından emilebilir. Bu frekans
aralığına bazen parmak izi bandı da denir.
 Yakın Kızılötesi: 120 THz (2500 μm λ) ile 400 THz
(750 μm λ) arasındadır. Görünür ışığa benzer fiziksel
işlemler tarafından üretilir ve benzer optik kurallara
tabidir.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Kütle Spektroskopisi
 Atom veya moleküllerden gaz fazında iyonlar oluşturularak, bu iyonlar
kütlelerine göre ayrılır ve kaydedilir. İyonların bağıl miktarlarının
(kütle/yük) oranına göre çizilen grafiğine kütle spektrumu denir. + veya
– iyonlar incelenebilmelerine karşın genellikle + iyonlar incelenir. Katı,
sıvı ve gaz örnekler incelenebilir.
 Maddeler moleküler düzeyde tartılırlar.
 Kütle/yük oranına göre(m/z)-her şeyin bir yükü olması gerekir.
 Aslında bir tartım makinesi, fakat daha fazlasını yapıyor!
 Madde içindeki elementlerin ne olduklarını saptamakta ve
derişimlerini tayin etmekte kullanılır.
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Kütle Spektroskopisi
•
•
•
•
•
Kullanım alanları:
Maddelerin elementel bileşiminin belirlenmesinde
İnorganik, organik ve biyolojik moleküllerin yapılarının aydınlatılmasında
Komplex karışımların kalitatif ve kantitatif tayininde
Katı yüzeylerin yapılarının ve bileşimlerinin aydınlatılmasında
Bir numunedeki atomlarının izotop oranlarının belirlenmesinde
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Kütle Spektroskopisi

𝑀
𝑍
= 𝑀𝑜𝑙𝑒𝑘ü𝑙 𝑌ü𝑧𝑑𝑒𝑠𝑖 / 𝑌ü𝑘 (+)
 Örneğin;
 CH3-CH2-CH3 + e-  CH3-CH2-CH3+ + 2e-
 CH3-CH2-CH3 + e-  CH3-CH2-CH3+2 + 3e-
𝑴
𝒁
𝑴
𝒛
=
=
𝟒𝟒
𝟏
𝟒𝟒
𝟐
= 𝟒𝟒
= 𝟐𝟐
Moleküler Yapı Analiz Yöntemleri
Kütle Spektroskopisi
 Her molekül veya atomun iyonlaşabilmesi için değişik enerjilere
ihtiyaç vardır. İhtiyaç duyulan enerjiye göre değişik iyonlaştırma
yöntemleri mevcuttur.









İyonlaştırma Türleri:
Isıtılmış flament kaynaklı elektronlarla iyonlaştırma
Kıvılcım kaynaklı iyonlaştırma
Foto iyonlaştırma
Isısal iyonlaştırma
Kimyasal iyonlaştırma
Alan iyonlaştırması
Soygazlarla iyonlaştırma
Lazer desorbsiyonu ile iyonlaştırma
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Diferansiyel Taramalı Kalorimetri veya DSC (Differential
Scanning Calorimetry) tekniği malzemelerin ısıl analizi için
kullanılan termoanalitik bir yöntemdir. Kısaca, polimerleri
ısıttığımız zaman ne gibi fiziksel değişimlere uğrayacağını
gösteren bir yöntemdir. Şema 1′de basitçe gösterildiği gibi
DSC, biri referans digeri ise numunenin konduğu iki
ısıtıcıdan, bu sistemi ısı kaybı olmadan tutan bir hücreden
ve ısı akışını kontrol eden bilgisayardan oluşur.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 DSC yönteminde test edilen numunenin ve referansın
sıcaklığını arttırmak için gerekli olan ısı miktarı, sıcaklığın
zamana bağlı fonksiyonu olarak ölçülür. Numune ve
referans test boyunca aynı sıcaklıkta tutulmaya çalışılarak
ve aynı hızda ısıtılarak, numunenin ve referansın
üzerindeki ısı akışının hızı ölçülür ve karşılaştırılır. Aradaki
fark, malzeme bileşimi, kristallik ve oksidasyon gibi
özelliklerin tayininde kullanılır. DSC ölçümü sonunda
Sıcaklık-Isı Akışı grafiği elde edilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 DSC, örnek ısıtılırken, soğutulurken ya da sabit bir
sıcaklıkta tutulurken soğurulan ya da salıverilen enerji
miktarını ölçer. DSC, Diferansiyel Termal Analiz (DTA) ile
aynı ölçüm prensiplerini kullanır. Her ikisinde de ana
numune ve referans örnekleri bulunur.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 DTA’ dan farklı olarak, DSC’ deki örnek numune sıcaklığı
ile referans sıcaklığı aynı tutulur. Eğer örnek numune ile
referans arasında bir sıcaklık farkı saptanırsa, sıcaklığı aynı
tutmak için örneğe verilen enerji (güç) miktarı değiştirilir .
Bu yolla numunedeki faz değişimi sırasındaki ısı transferi
miktarı saptanabilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 DSC’nin temel uygulama alanları ekzotermik ve
endotermik ayrışma gibi faz değişimleri üzerindeki
çalışmalardır. DSC, özgül ısı kapasitesi, faz (hal) değişimi
ısısı, faz değişimi sıcaklığı ve tepkime ısısı gibi ısıl
değişikliklerin ölçümünde kullanılır. Bu geçişler enerji
değişimi veya ısı kapasitesi değişimleri içerir ve DSC
tarafından ölçülebilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Faz Geçişlerinin Tespiti
 DSC tekniğinin altında yatan temel prensip numunenin ve
referansın üzerindeki ısı akışı farkıdır. DSC testine tabi
tutulan numune faz değiştirme gibi fiziksel bir dönüşüme
gidiyorsa referansla aynı sıcaklıkta tutabilmek için
numuneden daha az veya daha çok ısı akışı olacaktır. Daha
az veya daha çok ısı akışı işlemin endotermik (numunenin
ısı alması) veya ekzotermik (numunenin ısı vermesi)
olmasına göre değişir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Örneğin katı bir numune eriyip sıvı hale geçiyorsa
referansla aynı oranda sıcaklık artışına sahip olması için
numune ısıtılmalı ve numuneden daha fazla ısı akışı
gerçekleştirilmelidir. Bunun sebebi katı halden sıvı hale
geçerken numune tarafından gerçekleştirilen ısı
emilimidir. Numune ve referans arasındaki ısı akış değişimi
kontrol edilerek DSC yöntemi ile hal değişimi sırasında
yayılan veya emilen ısı miktarı ölçülebilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 DSC deneylerinden ısı akışının zamana veya sıcaklığa göre
çizilen eğrisi elde edilir. İki farklı gösterim vardır:
Numunedeki egzotermik reaksiyonlar deney yapmak için
kullanılan ölçüm cihazlarında kullanılan farklı teknolojilere
bağlı olarak negatif veya pozitif tepe noktası olarak
gösterilir. Bu eğri hal değişimlerinin entalpilerini
hesaplamak için kullanılabilir.
 Peki polimerleri DSC ile analiz etmek ve sonunda elde
ettiğimiz Sıcaklık-Isı Akışı grafiği ne işimize yarar?
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Sıcaklık-Isı Akışı grafiği bize polimerler hakkında önemli
bilgiler sunmaktadır. Bu bilgilerden biri Isı Kapasitesidir. Isı
kapasitesi ya da diğer ismiyle ısı sığası, bir maddenin
sıcaklığını 1°C değiştirmek için gerekli olan ısı miktarıdır
ve Joule/Gram-Kelvin birimiyle ifade edilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Bir polimeri DSC ile teste tabii tuttuğumuz zaman, polimer
ısıtılır ve referans ile aradaki ısı akışı farkına bakılarak
Şema 2 gösterildiği gibi bir grafik elde edilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Herhangi bir zamanda numuneye olan ısı akışı, q/t = ısı
akışıdır. Numunenin birim zamandaki sıcaklık değişimi ise,
ΔT/t = ısıtma hızıdır. Isı akışını, ısıtma hızına böldüğümüz
zaman, q/ΔT değerini, yani ısı sığasını (Cp) elde ederiz.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Bu grafikten tabii ki sadece ısı sığasını değil, camsı geçiş
sıcaklığını da elde edebiliriz. Polimer numuneyi ısıttığımız
zaman belli bir sıcaklıkta ısı akışı grafiği kaymaya uğrar.
Eğer ölçüm sırasında ısı akışı endotermik etki aşağı doğru
çiziliyorsa kayma aşağı doğru; eğer endotermik etki yukarı
olacak şekilde çiziliyorsa, Şema 3′te olduğu gibi bu kayma
yukarı doğru olacaktır:
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Isı akışı eğrisinin yukarı doğru kayması numunenin artık
daha fazla ısı alması anlamına gelmektedir. Yani polimerin
ısı sığasında bir artış olmaktadır. Polimerler camsı geçiş
sıcaklığının üzerinde, kauçuğumsu yapıda, daha yüksek ısı
sığasına sahiptir. Isı sığasındaki bu değişimi DSC ile
ölçebildiğimiz için polimerlerin camsı geçiş sıcaklığını da
bu sayede ölçebiliriz. Burada önemle belirtilmesi gereken
nokta, ısı sığasındaki bu değişimin bir anda olmadığı, belli
bir sıcaklık aralığında gözlemlendiğidir. Bu sebeple DSC
analizi kullanarak kesin bir Tg sıcaklığı hesaplamak güçtür.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Genellikle değişim gözlemlendiği noktanın orta noktası Tg
olarak kullanılabilir. Bir diğer yöntem de ısı akışı eğrisinin
zamana gore türevini almak ve grafiği zamanın fonksiyonu
olarak çizmektir. Çizilen bu yeni grafikte, aynı sıcaklık
aralığında görülen tepe noktası Tg olarak kullanılabilr.
Fakat, kesin bir Tg değeri için detaylı analiz, hatta farklı
teknikler gereklidir (ör. Dinamik Mekanik Analiz – DMA ya
da dielektrik spektroskopi).
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Camsı geçiş sıcaklığının üzerine ısıtılan polimerlerde, eğer
polimer kristal yapıya sahipse kristalleşme ve erime arka
arkaya gözlemlenebilir. Camsı geçiş sıcaklığından daha
yüksek sıcaklıklara çıkıldığında polimer moleküllerinin
hareketliliği artar ve farklı konformasyonlara ulaşmak
isterler. Moleküllerin bu hareketliliği sayesinde polimer
zincirleri belirli bir düzen kurmaya ve kristal yapı
oluşturmaya başlar.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Tg’den hemen sonra gözlemlenen kristalleşme her
durumda gerçekleşmez. Eğer numune yavaşça
soğutulmuş ve belirli bir sıcaklıkta tutularak kristallerin
büyümesi sağlanmışsa, polimer molekülleri
oluşturabilecekleri en fazla kristal yapıyı oluşturur. Ancak,
numune ilk hazırlandığında moleküllerin azami
kristalleşme imkanı engellenmişse ve kristalleşme için
gerekli enerji moleküller tarafından hapsedilmişse, o
zaman, ısıtılma sırasında camsı geçiş sıcaklığından hemen
sonra moleküller hareketlenir kristalleşme görülür.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Kristalleşmenin gerçekleştiği sırada polimer molekülleri
etrafa ısı verirler ve bu sebeple DSC eğrisinde bir
egzotermik çukur görülür (endotermik etki yukarı dopru
çizildiği takdirde). Şema 4′te örnek olarak gösterilen
kristalleşme eğrisi bize birçok bilgi verir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Camsı geçiş sıcaklığının üzerine ısıtılan polimer
numunesinin kristalleşebileceğini belirtmiştik. Kristalleşen
polimerler daha yüksek sıcaklığa ısıtılırsa ayrı bir ısıl geçiş
noktasına ulaşılır. Polimer kristallerinin erime sıcaklığına
gelindiğinde kristal yapıdaki polimer zincirleri erimeye,
düzenli yapılarını kaybetmeye ve moleküller serbestçe
hareket etmeye başlarlar.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Kristalleşme sırasında açışa cıkan enerjinin ölçülmesi gibi,
erime sırasında ise polimer kristallerinin erimesi için gerek
ısı enerjisi de DSC tarafından ölçülür ve grafikte gösterilir.
Numuneye verilen ısı enerjisi, Şema 5′te gösterildiği gibi
endotermik etki olarak DSC grafiğinde görülür (ergime
ısısı ve ya erime ısısı).
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Şema 5′te örnek olarak verilen erime grafiğinden, polimerlerin erimeye başladığı sıcaklığı,
erimenin maksimum noktaya ulaştığı sıcaklığı ve erime eğrisinin altında kalan alan hesabıyla
(ΔHe) polimerin sahip olduğu toplam kristal yapı oranı elde edilir.
 Bahsedilen bütün ısıl geçişleri bir araya topladığımız zaman, polimer numunenin tipik ısınma
eğrisi DSC testinde Şema 6′daki gibi olur. Burada yeniden not edilmesi gereken bir nokta, DSC
eğrisinin ısıtma sırasında her zaman Şema 6′daki gibi olmayacağıdır:
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 1.
Soğuma sırasında polimer zincirleri oluşturabilecekleri kristal yapıyı
tamamen oluşturabiliyorsa, kristalleşme sadece soğutma sırasında görülür.
Camsı geçiş sıcaklığını takiben kristalleşme görülmez. Bu tür bir DSC
eğrisinde, ısıtma basamağında sadece camsı geçiş ve erime gözlemlenir.
 2.
Test edilen polimer numune kristal yapıya sahip değilse erime ve
kristalleşme görülmez, sadece camsı geçiş görülür.
 3.
Kristal yapıya sahip olan polimerde erime sıcaklığı ısıtma hızıyla ciddi
bir değişiklik göstermez. Ancak soğuma sırasında tatbik edilen soğutma
hızına bağlı olarak kristalleşme sıcaklığı daha düşük sıcaklığa itilebilir ya da
çok hızlı bir şekilde soğutulan numunede kristalleşme tamamen
engellenebilir.
 4.
Camsı geçiş sıcaklığı ise polimer zincirlerinin hareketliliğine bağlı
olduğu için, ısıtma hızının camsı geçiş sıcaklığı üzerinde büyük etkisi vardır.
Yavaş ısıtılan bir numunenin camsı geçiş sıcaklığı daha düşük bir sıcaklıkta,
hızlı ısıtılan bir numunenin camsı geçiş sıcaklığı ise daha yüksek bir
sıcaklıkta gözlemlenir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Bu sayfada anlatılan gözlemler, polimer malzemelerde görülen
genel davranışlardır. Tabii ki normalden farklı davranış gösteren
polimer numuneler de bilinmektedir ve bu sistemlerin analizi
bilimsel açıdan önemli olduğu kadar, polimerin kullanıldığı
endüstrinin gelişimi açısından da gereklidir. Bu tür farklılıklara
örnek vermek gerekirse, poli(eter eter keton) polimerinin iki
farklı erime noktası gösterdiğini belirtebilirz. Bir diğer örnek
de bazı kopolimer sistemlerinin camsı geçiş sıcaklığının DSC ile
görülememesidir. Böyle bir durumda o numuneyi dinamik
mekanik analiz ya da dielektrik spektroskopi gibi camsı geçiş
sıcaklığına daha fazla hassasiyet gösteren yöntemlerle analiz
etmek gerekir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Özel DSC Teknikleri:
 DSC analizinin polimerik malzemelerin karakterizasyonunda önemli
bir yeri olduğunu belirtmiştik. Her ne kadar yerleşmiş ve yaygın
kullanılan bir yöntem de olsa, DSC ekipmaları farklı özellikler sunmak
ve özelleştirilmiş analizler yapmak için geliştirilmekte ve değişime
uğramaktadır. Son yıllarda rağbet gören DSC ekipmanları sadece ısı
kontrolü değil, UV ışını altında tepkimeye giren sistemlerin
analizinde de kullanılmaktadır (Foto-DSC). Bir diğer kullanım alanı ise
yüksek basınçta hal değişimine uğrayan, tepkimeye giren ya da
yüksek basınçta proses edilen sistemlerin analizidir (ör. Süper kritik
akışkanın yer aldığı hücrede yapılan DSC testleri).
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
 Her yeni tepkime ve proses ortamı DSC gibi yaygın
tekniklerin geliştirilmesini sağlamakta ve polimer
sisteminin oluştuğu ya da proses edildiği yerdeki ortamı
takilit ederek gerçeğe yakın analizler yapılmasına imkan
vermektedir. Böylece, hem yeni malzemeler hem de yeni
üretim metodları geliştirilmektedir.
 Basit bir şekilde özetlemek gerekirse, DSC testi analizleri
aşağıda listelenen özelliklerin ölçümü için kullanılır:
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Diferansiyel Taramalı Kalorimetri
(DSC)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Dinamik Mekanik Analiz yöntemi, bir diğer adıyla
DMA, numune üzerinde küşük bir gerilim
döngüsünün uygulandığı bir tekniktir. Bu teknik ile
numunenin gerilime, sıcaklığa ve frekansa karşı
gösterdiği tepki ölçülür. DMA karakterizasyon tekniği
ayrıca Dinamik Mekanik Termal Analiz (DMTA)
yöntemi olarak da isimlendirilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 DMA yöntemi moleküllerin hareketlerinden
kaynaklanan hal değişimlerini saptar. Viskoelastik
malzemelerin mekanik özellikleri sıcaklık, frekans ve
zamana göre belirlenebilir. Yapı-morfoloji ilişkisi
hakkında da bilgi almak mümkündür. Aşağıda Şekil
1′de görüleceği gibi, polimerlerin moleküler yapıözellik karakterizasyonu, camsı geçiş dönüşümleri,
kristalleşme, molekül kütlesi/moleküler bağlayıcılar,
faz ayrımları, malzemede yaşlanma (aging) ve sünme
(creep) gibi özellikler termosetlerde,
termoplastiklerde, kauçuklarda, kompozitlerde ve
biyomalzemelerde görülebilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Bir malzeme üzerine yük uygulandığında,
deformasyon gerçekleşir. Eğer yük uygulanan
malzeme ideal elastik bir malzeme ise, uygulanan yük
kaldırıldığında deformasyon kaybolur. Buna elastik
deformasyon denir. Elastik deformasyon, malzemeye
uygulanan yük ile doğru orantılıdır ve yük
uygulandığında gecikmeksizin deformasyon görülür ve
yük kaldırıldığında da tamamen kaybolur. Bazı
malzemelerde ise, örneğin polimerlerde, deformasyon
doğrusal değildir ve uygulanan yüke gore gecikmeli
gerçekleşir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Elastik davranışın karşıtı yapışkan (vizkoz) davranıştır.
Yapışkanlık katılara özgü değil, sıvıların bir davranış
biçimidir. İdeal yapışkan bir malzemede “deformasyon
hızı” yük ile doğru orantılıdır. İdeal yapışkan bir
malzemede bu orantı sabit, ancak gerinim zamana
bağımlıdır. Vizkoz malzemede görülen deformasyon geri
dönmez ve malzeme üzerinde kalır. Polimerler, hem elastik
hem de vizkoz davranış gösteren özel malzemelerdirler ve
‘viskoelastik malzeme’ olarak adlandırılırlar. Metal ve
seramiklerin sahip olmadığı ancak polimerlerin sahip
olduğu birçok özgün özellik, viskoelastik davranıştan
kaynaklanmaktadır.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Viskoelastik davranışı ölçmek için kullanılan
yöntemlerden biri olan DMA tekniği, belirlenmiş bir
geometriye sahip numuneye sinüsoidal deformasyon
uygulanarak çalışır. Numune gerilim kontrollü (stresscontrolled) teste ya da gerinim (deformasyon) (straincontrolled) kontrollü teste tabi tutulur. Örneğin,
bilinen bir gerilim altında, numune belirli bir ölçüde
deformasyon gösterir. DMA yönteminde bu sinusoidal
bir şekilde uygulanır ve numunenin ne kadar
deformasyon göstereceği malzemenin sertliğine
(direngenlik, rijitlik) bağlıdır.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Daha genel bir tanımla, DMA sertliği ve sönümü ölçer ve
bu ölçümleri modül ve tan delta olarak verir. Ölçümler
sinusoidal kuvvet uygulanarak alındığı için, modül iki
bileşenden oluşur, sinusoid kuvvetin eş fazlı bileşeni
depolama modülünü (storage modulus), dışarı fazlı bileşeni
ise loss modülünü (loss modulus) verir. Örnek veri için
Şekil 1′i inceleyeniz. Depolama modülü, E’ ya da G’,
numunenin elastik davranışını gösterirken, loss modülü
(E” ya da G”) ise malzemenin viskoz davranışını
belirtir. Loss modülünün depolama modülüne oranı ise
sönümü, yani tan deltayı verir (tan delta = G”/G’). Tan
delta, malzemenin enerji harcanımının ölçümüdür.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Modülün sıcaklığa bağlı değişimini ölçmek neden
önemlidir ve bize hangi bilgileri verir?
 Bir malzemenin modül değerleri sıcaklıkla değişim gösterir
ve ısıl geçişler depolama modulünde (E’) ya da tan delta
eğrilerindeki değişimlerle gözlemlenebilir. Ölçülen
değişimler sadece camsı geçiş ve erime sıcaklıklarıyla sınırlı
değil; ayrıca camsı ve kauçuğumsu bölgedeki diğer
değişimleri de gösterir. Mesela DMA, termoset
polimerlerin kürleşme prosesini ölçmek için
kullanılır. Kürleşme reaksyonu sırasında artan molekül
ağırlığı numunenin modülünü önemli ölçüde arttırır ve bu
artış DMA ölçümünde hassas bir şekilde görülür.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Ayrıca DMA termosetlerin reaksiyonu sırasındaki
jelleşme noktasını ve camsılaşma noktasını da
ölçmekte kullanılır. Kürleşme hem sıcaklık
değişiminin bir fonksiyonu olarak ya da sabit sıcaklıkta
ölçülebilir. Bir DMA testinden elde edilebilecek veri
Şekil 2′de gösterilmektedir. Şekil 2, hem lokal
moleküler, hem de genel malzeme içindeki değişimleri
göstermektedir. Malzemenin kristalliğine ve çaprazbağlanmasına göre farklı eğriler elde edilebilir. Ancak,
Şekil 2 genel olarak DMA deneyinden elde edilecek
örnek bir eğriyi göstermektedir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Camsı geçiş sıcaklığını gösteren en hassas
yöntemlerden biri DMA’dır. DMA analizinde ölçülen
depolama modülünde görülen hızlı azalış (sıcaklık –
log modül grafiği), ve aynı zamanda tan delta eğrisinde
görülen tepe noktası Tg’yi gösterir. DSC yöntemine
gore, DMA daha hassas ve doğru Tg sonuçları verir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 DMA ve TMA yöntemleri arasındaki fark nedir?
 Termomekanik Analiz (TMA) yöntemi ile numuneye sabit
statik kuvvet uygulanırken, malzemenin zamana ve
sıcaklığa bağlı değişimi gözlemlenir. TMA yöntemi
boyutsal değişimi rapor eder. Öte yandan, DMA
yönteminde ise numuneye belirli bir frekansta salınımlı
kuvvet uygulanır ve malzemedeki sertlik ve sünme
değişimi raporlanır. DMA yöntemiyle elde edilen veri
malzemenin modülünü verirken, TMA ile genleşme
katsayısı ölçülür. Her iki yöntem de malzemedaki geçişleri
saptar ancak DMA salınımlı kuvvet uygulaması sebebiyle
daha hassas ölçümler verir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Diğer ısıl analiz yöntemlerinde bahsettiğimiz gibi, bir
malzemenin ısı, sıcaklık, entalpi, kütle ve hacim gibi
termodinamik özellikleri; sertlik ve Young Modülü gibi
malzeme özellikleri ile kimyasal bileşim ya da kimyasal
yapı gibi numune özellikleri, farklı termal analiz
metodlarıyla elde edilebilir. Termogravimetrik analiz
yöntemi, sadece polimerlerin değil, farklı
malzemelerin karakterizasyonu için de kullanılan bir
metoddur. TGA sonuçları DSC analizleri ile beraber
kullanıldığında, test edilen polimerin sıcaklık
değişimlere bağlı olarak değişen özelliklerin analiz
edilmesinde kullanılır..
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 TGA yöntemi ile polimer bazlı numunenin kimyasal
bileşimi analiz edilebilir. TGA testi sırasında bir
numunenin kütlesinin, numunenin sıcaklığına ve zamana
göre değişimi, kontrollü atmosfer altında ölçülür. TGA
testinin en sık kullanım amacı bir numunenin ısıl ve
oksidatif dengesinin ölçülmesi ve bileşen özelliklerinin
karakterize edilmesidir. TGA tekniği ile melzemenin
bozunmasına, oksidasyonuna ya da bileşenlerinden uçucu
moleküllerin kaybına bağlı olan kütledeki artış ya da azalış
değerleri elde edilir. Özellikler polimer bazlı malzemeler
için kullanılan önemli bir ısıl analiz
yöntemidir. Termoplastik, termoset, elastomerik,
kompozit, film, elyaf, boya ve kaplama gibi malzemelerin
analizi için kullanılır.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Sıradan bir TGA testinde numune sabit sıcaklık
değerinde belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılır ya da
numune sabit bir sıcaklıkta belirli bir süre tutulur.
Uygulanacak sıcaklık test programı numune hakkında
istenen bilgiye göre ayarlanır. TGA testi sırasında
numune yüksek sıcaklıklara kadar ısıtıldığı için
deneyin yapıldığı ortam, yani atmosfer çok önemlidir.
TGA deneylerinde atmosfer seçimi, reaktif ya da inert
olabilir, böylece numunenin oksitlenmesi veya sadece
bozunması teste tabi tutulabilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 TGA ölçümleri malzeme hakkında önemli bilgiler sağlayarak,
malzemenin veya ürünün kullanılacağı son yere gore ürünün
performansını öngörmede ve ürün kalitesini arttırmada yardımcı
olur. TGA tekniğinin özellikle faydalı olduğu ölçümler:
 - Çok bileşenli malzemelerin ve alaşımların bileşim analizi,
 - Isıl denge,
 - Oksidatif denge,
 - Ürün ömrünü öngörme,
 - Bozunma kinetiği,
 - Malzemelerin reaktif ortamlarda verdiği tepkiler,
 - Malzemenin içindeki katkı maddeleri,
 - Malzeme içindeki nem ve uçucu bileşen oranı,
olarak sıralanabilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 TGA analizi sonuçları, numune kütlesinin zamana ya da sıcaklığa
bağlı değişimini gösterdiği gibi, bu eğrilerin zamana ya da
sıcaklığa bağlı birinci türevi incelenerek de kütle değişimi
görülebilir. Numunede görülen kütle değişimi numunenin farklı
yollardan malzeme kaybına veya numunenin içinde bulunduğu
atmosferdeki gazla reaksiyona girmesiyle oluşur. Yukarıdaki
listede kısaca belirtildiği gibi, TGA deneylerinde numunede
gözlemlenen kütle kaybınının nedenlerinden bazıları, numune
içinde bulunan uçucu bileşenlerin buharlaşması (numunenin su
kaybetmesi ve gaz emilimi gibi), numunenin oksijenli ortamda
oksitlenmesi, inert atmosferde bulunan numunenin sıcaklık
altında bozunması, ya da ferromanyetik malzemelerde
numunenin sıcaklığa bağlı olarak manyetik özelliklerinin
değişmesi olarak sayılabilir. TGA testi ile bir polimerin
bozunmasının ısıtma hızına bağlı değişimi incelenerek
polimerin ömrü hakkında da bilgi edinilir.
Termal Karakterizasyon Yöntemleri
Dinamik Mekanik Analiz (DMA)
 Şekil 1′de verilen örnekte olduğu gibi, polimerik
malzemelerin bileşenleri TGA ile analiz edilebilir.
Benzer sonuçlar, katkı maddeyle güçlendirilmiş
epoksi, karbon siyahı ve hidrokarbonla güçlendirilmiş
kauçuk, elyafla güçlendirilmiş polimer kompozit gibi
malzemeler için kullanılabilir ve malzemelerin
içerikleri anlaşılabilir.
Mekanik Karakterizasyon
Yöntemleri
Reoloji
 Reoloji, cisimlerin yük, şekil değiştirme ve zaman
faktörleri altındaki davranışlarını inceleyen özel bir
bilim dalı.
 Taş örneklerinin laboratuardaki, kayanın doğadaki
mekanik davranışlarının, elastik, plastik ve viskoz
bileşenler içerdiği, deneyler, gözlem ve ölçmelerle
saptandığına göre, bunların matematik modellerinin
yapılabilmesi için, belirtilen sistemlerin paralel veya
ardışık bağlanmalarıyla oluşturulan düzenler
kullanılmaktadır.
Mekanik Karakterizasyon
Yöntemleri
Reoloji
 1. Tam elastik yaylar
 2. Tam viskoz silindirler
 3. Tam plastik sürtünme cisimleri
 4. Yönlendirici paralel kil laminaları
Mekanik Karakterizasyon
Yöntemleri
Reoloji
 Taş örneklerinin laboratuardaki, kayanın doğadaki
mekanik davranışlarının, elastik, plastik ve viskoz
bileşenler içerdiği, deneyler, gözlem ve ölçmelerle
saptandığına göre, bunların matematik modellerinin
yapılabilmesi için, belirtilen sistemlerin paralel veya ardışık
bağlanmalarıyla oluşturulan düzenler kullanılmaktadır.




Tam elastik yaylar
Tam viskoz silindirler
Tam plastik sürtünme cisimleri
Yönlendirici paralel kil laminaları
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Çekme Testi
 Malzemelerin mekanik özelliklerini tespit etmede
kullanılan deney metotlarından en önemli olanı çekme
deneyidir. Çekme deneyi genel olarak metal ve
alaşımlarının statik yükler altında dayanımlarını
belirlemek amacıyla yapılır. Bu yöntemde çoğu kez
silindirik bazen de farklı geometrik kesitlere sahip
numuneler sürekli artan bir çekme zorlanmasına
maruz bırakılarak çekme gerilmelerine karşı
dayanımları araştırılır.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Çekme Testi
 Çekme deneyi belirli standartlara göre hazırlanmış
deney numuneleri kullanılarak yapılır ve çekme yükü
uzun eksenin boyunca sabit hız ve sıcaklıkta numune
koparılıncaya kadar artırılır. Deneyin başlangıcından
bitişine kadar numuneye uygulanan çekme yükü ve
numunede meydana gelen uzama miktarı zamana
bağlı olarak kaydedilir.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Çekme Testi
 Kaydedilen bu bilgiler kullanılarak malzemeye ait yük-
uzama (F–ΔL) eğrisi veya mühendislik gerilmesimühendislik gerinmesi (σ–ε) eğrisi elde edilir. Şekil
1.1.’de metalik bir malzeme için örnek gerilme-gerinme
eğrisi verilmektedir.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Çekme Testi
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Çekme Testi
 Çekme deneyinin en büyük özelliği, deney sonucu elde
edilen malzeme özelliklerinin mühendislik
hesaplamalarında doğrudan kullanılmasıdır. Çekme deneyi
sonucunda elde edilen gerilme-gerinme eğrisi kullanılarak
(Şekil 1.1.) numunenin hazırlandığı malzemeye ait
aşağıdaki mekanik özellikler bulunabilir: - Elastisite
modülü - Elastiklik sınırı - Maksimum çekme dayanımı Rezilyans - Tokluk - Akma gerilmesi - % uzama - % kesit
daralması ASTM (American Society of Testing Materials),
BS (British Standards), DIN (Deutsches Institut für
Normung) ve ISO (International Standards Organization)
gibi birçok standart organizasyonu çekme deneyi
şartnamesi hazırlamıştır. Bu şartnamelerde test aparatları,
test numuneleri ve test işlemleri için gerekli olan
gereksinimler belirlenmiştir.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Çekme Testi
 Standart çekme testleri, ASTM standardında
gösterildiği gibi özel olarak hazırlanmış belirli
geometrik özelliklere sahip çekme numuneleri
kullanılarak yapılır. Farklı malzemeler için kullanılan
çekme deneyi numuneleri geometrik şekil olarak aynı
olmakla birlikte verilen ölçülerde değişiklikler
görülebilmektedir. Ortası inceltilmiş numunede
gerilme oluşturmak için, numunenin iki ucu test
cihazının bağlama aparatlarına sıkıca tutturulur.
Bağlama kafaları birbirinden uzaklaşacak şekilde
hareket ettirilir ve bu esnada malzeme çekme gerilmesi
ile yüklenmiş olur.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Çekme Testi
 Aygıtsal faktörler: Deney cihazının rijitliği, yük hücresinin
kapasitesi ve çözünürlüğü, numunenin kesitinin
düzgünlüğü, numunenin iki ucundan iyi kavranması ve
deformasyonu ölçen lineer cetvellerin hassasiyeti gibi
faktörleri kapsar. Test faktörleri: Numunenin geometrisi,
deney cihazının elektronik kalibrasyonunun geçerliliği,
numunede deney başlangıcında var olan ön gerilme
seviyesi gibi faktörleri kapsar. Malzeme faktörü:
Numunenin hazırlandığı malzemenin homojenliği ve
imalat hataları, numunenin hazırlanmasındaki hatalar ve
malzemenin gerinme oranına hassasiyeti gibi faktörleri
kapsar.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Çekme Testi
 ASTM komitesi tarafından çekme deneylerinin
hassasiyetini belirlemek için yapılan bir çalışmada, altı
farklı malzeme ve altı farklı laboratuar kullanılmıştır.
Aynı laboratuarda ve farklı laboratuarlarda elde edilen
ölçümlerin karşılaştırılması Çizelge 1.1.’de verilmiştir.
Elde edilen sonuçlara göre en hassas ölçümler
mukavemet değerlerinde, en kaba ölçümler ise %
uzama ve kesit alan daralmasında görülmüştür. Ayrıca
aynı laboratuarda yapılan deneylerdeki yüzde fark,
farklı laboratuarlarda yapılan deneylerdeki yüzde
farktan daha düşük çıkmıştır.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Basma Deneyi
 Birçok plastik şekil verme yönteminde iş parçası basma
kuvvetlerinin etkisinde olmasına rağmen basma deneyi
çekme deneyi kadar geniş uygulama alanına sahip değildir.
Basma deneyi, malzemelerin basma mukavemeti ve basma
hasarları hakkında veri edinmek amacıyla yapılır. Bu veriler
çekme özelliklerinden farklı olabilir. Basma deneyinin
sünek malzemeler için önemli bir avantajı çekme
deneyinde numunede meydana gelen boyun verme
olayının basma deneyinde olmamasıdır. Bununla birlikte
numune boyunun kesit boyutlarına kıyasla çok uzun
olması durumunda numunede burkulma ya da numune
boyunun kesit boyutlarına yakın olması durumunda
numuneyi destekleyen ve yük uygulayan plakalar ile
numune arasında meydana gelen sürtünmeden dolayı
numunede fıçılaşma görülebilir.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Eğme Deneyi
 Ayrıca basma sırasında malzeme sertliğinin ve kesit
alanının artması ile artan kuvvet ihtiyacı bazı deney
cihazlarının kapasitesini zorlayabilir. Bu artış aynı
zamanda sürtünmenin olumsuz etkilerini de
artırabilir. Yüksek mukavemetli gevrek malzemelerin
basma deneylerinde, kopan malzemelerin yüksek
hızda etrafa sıçrama olasılığı vardır. Çekme deneyinde
olduğu gibi basma deneyinde de değişik standartlar
ortaya konmuştur (örneğin ASTM E9). Basma
deneyleri için en genel numune şekli, kesiti
değişmeyen düz silindirik numunedir
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Eğme Deneyi
 ASTM E9 numune boyutlarını “küçük, orta ve uzun”
olmak üzere üç grupta toplamıştır. Bu numunelerde
uzunluğun çapa oranı birbirinden farklıdır. Farklı
şekillere sahip numunelerin de test edilmesi
mümkündür ancak burkulmanın önlenmesi için
önlemler alınmalıdır. Silindirik kesitli standart bir
basma numunesini yüklemek için numenin her iki
ucuna saç plaka yerleştirilmelidir. Bu plakalar düz,
pürüzsüz ve birbirine paralel olmalıdır. Sürtünme
etkilerini önlemek için numune ve plakaların ara
yüzeyi silikon gresle yağlanmalıdır.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Eğme Deneyi
 Eğme deneyi, iki ucu iki ayrı desteğe serbest olarak oturtulan,
genellikle daire veya dikdörtgen kesitli düz bir deney parçasının,
yön değiştirmeksizin orta noktasına (üç nokta eğme deneyi) veya
her iki destekten eşit mesafede iki noktaya (dört nokta eğme
deneyi) eğme kuvveti uygulanarak yapılan deneydir. Eğme
deneyinde soyut sonucun yanında eğme momenti, esneklik
modülü ve eğme miktarı gibi somut değerlerde hesaplanır. Eğme
deneyleri genellikle dökme demir ve yüksek mukavemetli
çelikler gibi gevrek ve kırılgan malzemeler için yapılır. Deneyi
yapılacak numuneye bir kuvvet etki ettiğinde numune kesitinin
bir kısmında basma gerilmesi, numune kesitinin geri kalan
kısmında ise çekme gerilmesi meydana geliyorsa numune eğilme
halindedir. Eğilme halindeki numunelerin kesitinde, yükün
uygulandığı yüzeye yakın bölgelerde basma gerilmeleri, dış
yüzeye yakın bölgelerde ise çekme gerilmeleri meydana
gelmektedir.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Eğme Deneyi
 Yukarıdaki paragraflarda kısaca açıklamaları yapılan
bütün bu mekanik deneyler için kullanılan Instron ve
MTS gibi hazır deney cihazları, kapasitelerine bağlı
olarak 50,000 Amerikan Dolarının üzerinde bir fiyatla
satılmaktadırlar. Ayrıca hazır deney cihazları
bünyelerinde, çoğu mühendislik bölümü
laboratuarlarında yapılması planlanan deneyler için
gereken özelliklerden daha fazla özellik
barındırmakta; bu da doğal olarak fiyatlarını
artırmaktadır.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Eğme Deneyi
 Hazır deney cihazlarının fiyatlarının yüksekliği
Süleyman Demirel Üniversitesi’nin Makine
Mühendisliği Bölümü’nde faaliyet gösteren
Biyomekanik Deneyler Laboratuarı’nda bu deney
cihazının bulunmamasında önemli etken olup bu tür
deneylerin çoğu durumda çok ilkel ve hata oranını
yükselten şartlarda yapılmasına ya da ücreti ödenerek
başka kurumlarda yaptırılmasına yol açmaktadır.
Ayrıca hazır deney cihazlarının pahalı olmalarının
yanında bir diğer dezavantajı da servis ücretlerinin çok
yüksek olmasıdır.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Eğme Deneyi
 Bu tür cihazlar elde edilen deney sonuçlarının
güvenilirliği açısından periyodik bakıma ihtiyaç
duymaktadırlar. Bu bakım da ancak satıcı firmanın
yetkili elemanları tarafından yapılabilmektedir.
Periyodik bakım ücretlerinin hazır deney cihazları için
yüksek olması çoğu zaman zamanında bakım
yapılmamasına yol açmaktadır. Hazır deney
cihazlarının arızalanması durumunda ise ödenmesi
gereken tamir ücretleri, periyodik bakım ücretlerine
göre çok daha yüksek olmaktadır.
Mekanik Karakterizasyon Yöntemleri
Monoton Gerilme ve Kırılma Testleri
Eğme Deneyi
 Ayrıca hazır deney cihazları için sorun teşkil eden
periyodik bakım ücretleri bu çalışmada imal edilen
deney cihazı için sorun olmaktan çıkmakta ve
periyodik bakımlar hem çok daha ucuza mal edilmekte
hem de söz konusu bölümün kendi elemanları
tarafından yapılması mümkün olmaktadır. Bu çalışma
kapsamında üretilen deney cihazının, aynı mekanik
deneyleri yapmakta olan diğer üniversiteler
bünyesindeki laboratuarlar için de örnek teşkil etmesi,
ilerde satış amaçlı üretilerek ve servis verilerek
üniversite bütçesine katkı sağlanması
hedeflenmektedir.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Atomik Kuvvet Mikroskobu
 Atomik kuvvet mikroskobu (AKM) ya da taramalı kuvvet
mikroskobu çok yüksek çözünürlüklü bir taramalı kuvvet
mikroskobudur. Ulaşılmış çözünürlük bir kaç nanometre
ölçeğinde olup optik tekniklerden en az 1000 kat fazladır.
AKM’nin öncülü olan taramalı tünelleme mikroskobu
1980lerin başında Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer IBM
Research - Zürih’te geliştirilmiş, araştırmacılara 1986 Nobel
Ödülü'nü kazandırmıştır. Sonrasında Binnig, Quate ve
Gerber 1986’da ilk atomik kuvvet mikroskobunu
geliştirdiler. İlk ticari AKM 1989’da piyasaya sürüldü. AKM,
nano boyutta görüntüleme, ölçme ve malzeme işleme
konusunda en gelişmiş araçlardan biridir.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Atomik Kuvvet Mikroskobu
 Bilgi, mekanik bir ucun yüzeyi algılamasıyla toplanır.
Elektronik kumanda üzerinde bulunan, küçük fakat
hassas hareketleri sağlayan piezoelektrik öğeler,
doğruluğu kesin ve hassas bir tarama sağlar. İletken
manivelalar kullanmak suretiyle numune yüzeyindeki
elektrik potansiyeli de taranabilir. Cihazın daha yeni ve
gelişmiş versiyonlarında, elektriksel iletkenliği ya da
yüzeydeki elektron iletimini algılamak için uçtan akım
geçirilmektedir.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Atomik Kuvvet Mikroskobu
 AKM esnek bir maniveladan ve (yüzeyi taramak için
kullanılan) buna bağlı sivri bir uçtan oluşur. Manivela
genellikle silikon ya da silikon nitrürdür. Nanometre
ölçeğinde eğrilik yarıçapı olan bir uç taşır. Uç, numune
yüzeyine yakın bir mesafeye getirilince, uç ile yüzey
arasındaki kuvvetler Hooke kanunu manivelanın
bükülmesine yol açar.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Atomik Kuvvet Mikroskobu
 Duruma bağlı olarak AKM'de ölçülen kuvvetler
mekanik temas kuvveti, van der Waals kuvveti,
kılcallık kuvveti, kimyasal bağ, elektrostatik kuvvet,
manyetik kuvvet, Casimir kuvveti, çözünme kuvveti,
vb... olabilir. Kuvvetler ile birlikte, diğer başka
özellikler eşzamanlı olarak özel tip algılama teknikleri
ile ölçülebilir(bakınız taramalı ısıl mikroskopi,
taramalı joule genleşme mikroskopisi, fotoısıl
mikrospektroskopi, vs...). Genellikle maniveladaki
bükülme, manivelanin bir ucundan dedektöre (bir dizi
fotodiyot) yansıtılan bir lazer ışını sayesinde ölçülür.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Atomik Kuvvet Mikroskobu
 Cam yüzeyin AKM kullanılarak elde edilmis
topoğrafyası. Yüzeyin mikro ve nano detayları
malzemenin pürüzlülüğünü gösteriyor. Görüntü
hacmi (x,y,z) = (20um x 20um x 420nm).
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Atomik Kuvvet Mikroskobu
 Eğer uç sabit bir yükseklikte tarama yaparsa, yüzeye
çarpıp hasar oluşturma riski doğar. Bu nedenle
genellikle uç ile yüzey arasındaki kuvveti sabit tutmak
ve mesafeyi ayarlamak amacıyla bir negatif geri
besleme mekanizması kullanılır. Tipik olarak numune,
“z” yönünde hareket edip yüksekliği ayarlayan, “x” ve
“y” yönünde hareket edip taramayı sağlayan bir dizi
piezoelektrik düzenek aracılığıyla taranır.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Atomik Kuvvet Mikroskobu
 Buna alternatif olarak, herbiri x, y, z yönlerine karşılık
gelen üç piezokristalin üç ayaklı düzeneği sayesinde
tarama yapılabilir. Bu düzenek tüp tarayıcılarda
görülen bozulmaları da ortadan kaldırır. Daha yeni
düzeneklerde, tarama ucu dikey piezo tarayıcıya
monte edilirken, incelenen örnek başka bir piezo grup
kullanılarak X, Y doğrultusunda taranır. Acığa çıkan z
= f(x, y) haritası yüzeyin topoğrafyasını temsil eder.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Atomik Kuvvet Mikroskobu
 AKM uygulamaya bağlı olarak çeşitli modlarda
kullanılabilir. Bu görüntüleme modları “statik” (temas)
ya da “dinamik” (temassız) olabilir. Dinamik modlar
manivelanın akustik ya da manyetik yollarla
titreştirilmesini gerektirir ve yumuşak yüzeyler için
daha yaygın olarak kullanılır.
 Atomik Kuvvet Mikroskobunun Manivelasının ve Sivri ucunun görüntüsü.
Atomik kuvvet mikroskobunun blok diyagramı
Atomik kuvvet mikroskobu
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi
(XPS)
 Bir yüzey analiz yöntemi olan XPS, yüzeyde bulunan
atomların iç kabuklarındaki (core level) enerji
seviyelerinde bulunan elektronların fotoelektrik olay
sonucu uyarılması mantığına dayanır.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi
(XPS)
 Bu seviyelerden uyarılaran ve fotoelektron adı verilen
elektronların kinetik enerjilerinden yola çıkarak
Einstein prensibince bağlanma enerjileri (binding
energy) hesap edilebilir ve aşağıda görüldüğü gibi
spektrumlar elde edilebilir. Bağlanma enerjisi gerek
çevresel etkenlere gerekse karakteristik özelliklere
bağlı olduğu için, X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi
sayesinde numunenin yüzeyi hakkında nitel ve nicel
bilgiler elde edilebilir.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi
(XPS)
 Aşağıdaki spektrumdaki tepelerin (peak) enerjileri
tespit edilerek numunenin hangi atomları içerdiği
bulunabilir. Hatta, farklı değerliğe sahip atomların
dahi -Si0 ve Si4+'da olduğu gibi- ayrılması
mümkündür. Ayrıca, tepe alanları karşılaştırılarak
nicel bilgi elde etmek de mümkündür.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Taramalı Elektron Mikroskobu
(SEM)
 Taramalı Elektron Mikroskobu veya SEM (Scanning
Electron Microscope), çok küçük bir alana odaklanan
yüksek enerjili elektronlarla yüzeyin taranması
prensibiyle çalışır. Manfred von Ardenne öncülüğünde
1930'lı yıllarda geliştirilmiştir. En sık kullanıldığı
biçimiyle, yüzeyden yayılan ikincil (secondary)
elektronlarla yapılan ölçüm, özellikle yüzeyin engebeli
(topografik) yapısıyla ilişkili bir görüntü oluşturur.
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Taramalı Elektron Mikroskobu
(SEM)
 Yüksek enerjili demet elektronları numune atomlarının dış yörünge




elektronları ile elastik olmayan girişimi sonucunda düşük enerjili
Auger elektronları oluşur. Bu elektronlar numune yüzeyi hakkında
bilgi taşır ve Auger Spektroskopisinin çalışma prensibini oluşturur.
Yine yörünge elektronları ile olan girişimler sonucunda
yörüngelerinden atılan veya enerjisi azalan demet elektronları numune
yüzeyine doğru hareket ederek yüzeyde toplanırlar. Bu elektronlar
ikincil elektron (seconder electrons) olarak tanımlanır. İkincil
elektronlar numune odasında bulunan sintilatörde toplanarak ikincil
elektron görüntüsü sinyaline çevrilir. İkincil elektronlar numune
yüzeyinin 10 nm veya daha düşük derinlikten geldiği için numunenin
yüksek çözünürlüğe sahip topografik görüntüsünün elde edilmesinde
kullanılır
Görüntü Almadaki Değişkenler
Uygulanan Voltaj ( keV )
Çalışma Aralığı (mm )
Objektif Açıklığı ( µm )
Yüzey Yapısı Analiz Yöntemleri
Taramalı Elektron Mikroskobu
(SEM)
SEM Cİhazı
Çeşitli İşlemlerden Geçen
Polietilen Görüntüsü
Morfoloji Analizi Yöntemleri
XRD
 X-ray kırınım teknikleri, tahribatsız muayene
tekniklerinden biridir. Bu yöntem sayesinde Kristal
yapısı, kimyasal kompozisyon ve fiziksel özellikler elde
edilebilir. Bu teknik örnekten kırılan X ışınlarının
yoğunluğunun gözetlenmesine dayanır. Bu gözlemler
kırınım açısı, polarizasyon, dalga boyu ya da enerji
degişkenleri kullanılarak yapılır.
Morfoloji Analizi Yöntemleri
XRD
 X-ray difraksiyon teknikleri X-ray difraksiyonu,
sistemdeki atomlardan ve elektron bulutlarından
elastik kırılan X ışınlarını kullanarak malzemenin
atomik yapısına dair ipuçları verir. Kristallerden kırılan
en kapsamlı açıklamayı dinamik difraksiyon teorisi
verir.
 Tek kristal X-ray difraksiyonu proteinler, kompleks
makromoleküller, inorganik katılar gibi kristallin
materyallerin tüm yapısını çözmek için kullanılan bir
yöntemdir.
Morfoloji Analizi Yöntemleri
XRD
 Toz difraksiyonu (XRD) kristallografik yapıları,
taneleri, istenen boyda polikristalin ya da toz halindeki
katı örnekleri karakterize etmek için kullanılan bir
tekniktir. Toz difraksiyonu genellikle bilinmeyen
maddeleri tanımlamada, Uluslararası Difraksiyon Data
Merkezinin veritabınında karşılaştırma yapmak için
kullanılır. Ayrıca heterojen katı karışımlarının kristalin
bileşenlerin çokluğunu belirlemek için kullanılabilir.
Toz difraksiyonu ayrıca kristalin materyallerin
uzamasını belirlemek için kullanılan yaygın bir
yöntemdir.
Download
Random flashcards
canlılar ve enrji ilişkileri

2 Cards oauth2_google_d3979ca9-59f8-451c-9cf7-08c5056d5753

Merhaba

2 Cards oauth2_google_861773e1-0890-4522-834a-6a5babb58e76

qweeqwqwe

5 Cards oauth2_google_78146396-8b44-4532-a806-7e25cc078908

Create flashcards