POLİMER ÖZELLİKLERİ

POLİMER ÖZELLİKLERİ
*Kauçuksu Elastiklik
*Elastikliğin Termodinamiği
*İdeal Kauçuk Elastikliği İçin İstatistik
Hazırlayan
Aziz DİNÇER
İÇİNDEKİLER
KAUÇUKSU ELASTİKLİK
Giriş
 ELASTİKLİĞİN TERMODİNAMİĞİ
A) Elastiklik çeşitleri
B) İdeal kauçukluk
C) Sabit kuvvet de sıcaklığın etkileri
D) Sabit uzunluk da sıcaklığın etkileri
 İDEAL KAUÇUK ELASTİKLİĞİ İÇİN
İSTATİSTİK

Kauçuksu Elastiklik Göstermesi
İçin Gereken Genel Elastomer
Özellikler
Gerilim altında hızla çekilebilmeli ve ısı olarak
açığa çıkan enerji düşük olmalı
 Tamamen gerildiğinde yüksek germe kuvveti ve
yüksek modül(katılık) göstermeli
 Süratle geri dönebilmeli yani ‘’ani kapanma’’
veya ‘’geri tepme’’ özelliklerine sahip olmalıdır
 Gerilim kaldırıldığında orijinal boyutlarına tekrar
ulaşabilmeli yani ‘’esnek’’ ve ‘’kararlı’’
özellikleri bir arada içermelidir.

Elastomerlerin Moleküler
Gereksinimleri
 Madde
bir yüksek polimer olmalıdır.
 Zincir parçalarının yerel hareketliliklerin
yüksek olması için normal koşullarda
camsı geçiş sıcaklığının (Tg) düşük
olmalıdır.
 Gerdirilmemiş haldeyken amorf yapıda
olmalıdır.
 Zincirlerin hareketliliği engelleyecek bir
çapraz bağlı şebeke (ağı) içermelidir.
Doğal kauçuk gerildiği zaman başlangıç modülü
düşüktür.gerilme ile zincirler uygulanan kuvvet
doğrultusunda yönlenir ve bir miktar
kristallenir.böylece uzamaya karşı gittikçe artan
bir direnç belirir.
 Oluşan kristalin bölgelerinin T erime noktası
gerilme kaldırıldığında elastomerin tersinir bir
esneklikle başlangıçtaki durumuna dönebilmesi
için örneğin kullanılan sıcaklığın altında olmalıdır.
 Az miktardaki çapraz bağlar esnekliğin tersinir
olmasını sağlar.
 Böylece çapraz bağlı bir kauçuğa bir gerilim
uygulandığında zaman denge oldukça hızlı
kurulur.Denge olduğu andan itibaren kauçuğun
özellikleri termodinamik tarafından tanımlanabilir.

Elastiklerin Termodinamiği

Bir polimerin mekanik özelliklerinin
irdelenmesinde basınç sıcaklık gibi sistemin
halini tanımlayan değişkenlerin olduğu kadar
onun biçimini bozan parametrelerin de dikkate
alınması gerekir.
 Boyutları a b c olan bir materyal dikkate
alındığında
Termodinamiğin birinci yasasına göre
İç enerji değiştiği yerde dQ ve dW (ısı ve işi)
sistem ve çevre arasında değiştirme sistemi
diferansiyel değişikliğe uğratır.
Bir kauçuk örneği gerdirildiğinde örnek
üzerinde iş yapıldığından serbest enerjisi
değişir.
 Biz 3 çeşit mekanik iş düşünmeliyiz,
1. Geri dönebilme sınırları içinde bir yönde(tek
eksenli) gerilmeye ait f tarafından yapılan iş
dW =-f.dl
f= uygulanan kuvveti(gerilim)
dl= başlangıçtaki uzunluktan değişme miktarı

2.Bastırılarak kaydırılan tarafından yapılan iş
3.İzootropik sıkıştırma hacimdeki değişme
ile yapılan iş
 Eğer
deformasyon oluşumu geri dönüşümlü
farz edilirse(termodinamik düşünceye göre)
 Önceki
denklemler birleşmesiyle şu genel
bağıntı elde edilir.
*
3 çeşit deformasyon
düşünmeliyiz

Sabit hacim ve sıcaklıktaki tek eksenli
gerilimde dV==0 * Denklemi ƒ verecek
şekilde çözüldüğünde
1

Sabit sıcaklık ve hacimde pure shearda
dV=ƒ=0 * Denklemi d ayrılıp
çözüldüğünde
2
 Sadece
sabit sıcaklıkta izootropik
sıkıştırmada
3
Elastiklik Çeşitleri
1
ve 3 nolu denklemler iç enerji ve entropi
değişimlerinin gerilim kuvvetlerine etkisini
göstermekte.
 Polimerler elastiklik enerjisi bakımından
güçlüdürler.
 Etki
edilmemiş durumda molekül şekildeki
gibi yumak halinde olduğu kabul edilir.
 Şimdi bir gerilim uyguladığımızda molekül
yan olarak uzama haline geçer
S= k.ln
K=boltzman sabiti
=Biçimsel olanaklar
 Gerilme
entropiyi düşürür.
 Sıcaklığı yükseltmemiz entropiye zıt etki
yapar
 Kısacası T arttıkça S artar.
 Gerilim arttıkça S düşer.
İdeal kauçukluk




İdeal gazlarda intermoleküler
kuvvetler yoktur.(u/v)T = 0 ideal
kauçuklar benzerlik göstererek
(u/l)T.V = (u/)T,V = 0
elastiklik sadece entropi
değişikliğinde etkilenir.
Bir çok gaz oda sıcaklığı ve
yukarısında veya atmosfer basıncı
ve aşağısında (u/v)T<T(S/l)T
ideal gazlar yasasına güzel
yaklaşır.
Şekildeki örnekle açıklandığı gibi
(u/v)T,V<T(S/l)T,V koşullardaki
kauçuklar ideal kauçuk gibi
davranırlar.

Sabit kuvvet de sıcaklığın
etkisi
Bir kauçuk parçasına bir ağırlık asılıyken sıcaklık
değiştiği zaman ne olduğunu düşündüğümüzde sabit bir
gerilim kuvveti uygulaması sürdürüldüğünde zaman sabit
hacim ve basınç varsayıldığında
dU= TdS+fdl olur
Genelde iç enerji sıcaklıkla arttığından kismi türev içinde
enerji terimleri pozitiftir.Bu yüzden boyda sıcaklıkla
beraber bir artışa sebep olur.
 Entropi terimini pozitif yapan bütün faktörler
başındaki (-) den dolayı
 Sıcaklık artışıyla boylarında kısalma gösterirler.

Sabit uzunluk da sıcaklığın
etkisi
Isıtıldığında sabit boyda bir kuvvet uygulayarak
gerildiğinde
 Maxwell bağıntısı kullanarak
(S/l)T,V = (ƒ/l)l,V
Sabit basıç genel deney davranış yaklaşım olarak
tanımlandığında
(S/l)T,V  (ƒ/T)P,
 =Uzama miktarı sbt (l/l0)
(ƒ/l)l,V = ƒ/T – 1/T (U/l)T,V **
Şimdi f ve T her ikisi de pozitif olduğunda ƒ sıcaklıkla
değişimi artar.
 Sıcaklık arttığından yüksek entropi yönüne dağılım olur.
 * denklemin ikinci kısmı genelde pozitiftir.






Gerilimler sıcaklıkla artar
(ideal kauçuklar için)
İdeal kauçuklar için
(U/l)T,V = 0 ve ** denklem
sabit hacimde integrali
alındığında
ƒ= (sbt).T
Benzer ilişki P ve T için
sabit hacimde ideal
gazlarda vardır.


1.
2.
3.
4.
Polimerlerin mekanik
davranışları
Gerilme gevşeme özellikleri ile
incelenir.
Bir polimerin gerilme-gevşeme
davranışları başlıca 4 nitelikte
incelenir.
Modül örneğin biçimini
değiştirmeye karşı direnç
Kopma kuvveti örneğin kopması
için gerekli gerginlik
Kopma uzaması
Esnek uzama tersinir uzama olarak
ölçülen esneklik.
FİBERLER









Kristallik derecesinin çok yüksek olmalı
Bir polimerin fiber olarak kullanılabilmesi için;
Zincirleri arasında büyük çekim kuvvetleri bulunan polar gruplu
moleküllerden oluşmalı
Naylon 66 olarak bilinen poli(hekzametilen adipat) tipik bir sentetik
fiber (lif) dir.
Bu polimer gerildiğinde zaman kristallik derecesi çok yüksektir.
Zincirde bulunan amid grupları hidrojen bağları yaparak çok kuvvetli
çekim kuvvetlerin belirmesine yol açar.
Polimerin gerilme ile uzaması küçük (<%20) kopma kuvveti (7,000
kg/cm2) ve modülü (50.000 kg/cm2) çok büyüktür.
Erime noktası Te=265 C olup liflerden dokunan kumaşların
temizleme ve ütüleme sırasında bozulmamasını sağlar.(300 c
üstünde organik polimer bozunabilir.)
Camsı geçiş sıcaklığı çok yüksek olursa liflerin gerilmesi
güçleşeceği için ütüleme işlemi zorlaşır.camsı geçiş sıcaklığı çok
düşük liflerden dokunan kumaşlar ise buruşuk olur.
PLASTİKLER







Sentetik plastikler mekanik davranışları
elastomerler ile fiberler arasında yer alır.Büyük
bir polimer grubunu kapsar.
Sert (rigid) ve yumuşak (flexible) plastiklerin
mekaniksel davranışları oldukça farklıdır.
Yumuşak plastikler;
kristallik oranı orta ile yüksek değerler arasında
değişir.Te ve Tg değerleri ise geniş bir bölgeyi
kapsar.
Gerilme ile sağlam fibere dönüşür.
Kopma uzaması elastomerler kadar büyük
olduğu halde uzama tersinir değildir.
Gerginlik kaldırıldığında esnek olmayan polimer
örneği başlangıç durumuna dönmez.





Sert plastikler;
Biçim değiştirmeye karşı büyük direnç
gösterirler.
Sert zincirlerin oluşturduğu amorf polimerler sert
plastikleri verir.
Örnek polistiren uzama modülü 32,000 kg/cm2
kopma kuvveti 500 kg/cm2
dolaylarındadır.Kopma uzaması %3 den
küçüktür.
Ana zincire bağlı büyük yan gruplar camsı geçiş
sıcaklığının yüksek (Tg=100 c) ve polimerin sert
olmasını sağlar.çapraz bağ oranı yüksek olan
polimerler de sert plastiklerin davranışını
gösterir.
TEŞEKKÜRLER