Polimer Karışımları ve Kompozitleri
Polimerlerin karıştırılması veya lifler ve dolgu maddeleriyle takviye edilmesi, farklı malzemelerin güçlü yönlerini bir araya getirerek, arayüzleri ve morfolojileri nihai sertlik, tokluk ve diğer özelliklerin dengesini belirleyen çok fazlı sistemler oluşturmaktadır.
Tanım
Polimer karışımları, iki veya daha fazla polimerin fiziksel karışımlarıdır ve polimer kompozitleri, bir polimer matrisinin lifler veya partiküllerle takviye edildiği malzemelerdir; her ikisi de özellikleri bileşime, faz morfolojisine ve arayüzey yapışmasına bağlı olan çok fazlı sistemlerdir.
Kapsam
Bu konu, polimerlerin ve takviyelerin fiziksel kombinasyonlarını kapsamaktadır: karışabilir ve karışmaz karışımlar ile karışabilirliğin nadirliği, faz morfolojisi ve uyumlulaştırma (compatibilization), dağılmış kauçuk ile kırılgan polimerlerin tokluğunun artırılması ve lif ve partikül takviyeli kompozitler, arayüzün rolü ve sertliğin karışım kuralı tahmini dahil olmak üzere incelenmektedir.
Temel sorular
- Çoğu polimer çifti neden karışmazdır ve bunun sonucunda hangi morfoloji oluşur?
- Uyumlulaştırma (compatibilization) karışım özelliklerini nasıl iyileştirir?
- Dağılmış kauçuk, kırılgan bir plastiğe nasıl tokluk kazandırır?
- Takviye geometrisi ve arayüz, kompozit sertliğini ve mukavemetini nasıl kontrol eder?
Temel kuramlar
- Karışımların faz davranışı ve uyumlulaştırılması (compatibilization)
- Uzun zincirlerin karıştırılması çok az entropi kazandırdığı için, çoğu karışım faz ayrımına uğrar; dağılmış fazın boyutu ve yapışması özellikleri kontrol eder ve blok veya aşı (graft) uyumlulaştırıcılar (compatibilizers) arayüzey gerilimini azaltarak ince, iyi bağlanmış bir morfolojiyi stabilize eder.
- Kompozitlerde takviye ve yük aktarımı
- Sert lifler veya partiküller, matris-takviye arayüzü üzerinden aktarılan yükü taşır, bu nedenle kompozit sertliği takviye içeriği ve yönelimi ile artarken, tokluk ve mukavemet arayüzey yapışmasına ve lif uzunluğuna kritik olarak bağlıdır.
Mekanizmalar
İki polimer eriyik halde karıştırıldığında, karıştırma entropisinin küçük olması genellikle onların karışmaz kalmasına neden olur, bu nedenle biri diğerinde alanlar (domains) halinde dağılır; uyumlulaştırıcılar (compatibilizers) ile ayarlanabilen alan boyutu ve arayüzey yapışması, karışımın kırılgan mı yoksa tok mu olduğunu belirlemektedir. Dağılmış kauçuk partikülleri, enerjiyi emen birçok küçük çatlak (craze) veya kayma bandı (shear band) başlatarak ve kontrol ederek camsı bir matrisi tokluk kazandırmaktadır. Kompozitlerde, uygulanan yük, uyumlu matristen sert liflere veya partiküllere arayüzleri üzerinden aktarılır, bu nedenle takviyenin modülü, hacim oranı, en boy oranı ve yönelimi, arayüzey bağlamasıyla birlikte genel sertliği ve mukavemeti belirlemektedir.
Klinik önem
Karışımlar ve kompozitler, mühendislik uygulamalarında baskın durumdadır çünkü tek bir polimerin sunamadığı özellik kombinasyonlarına ulaşmaktadırlar: yüksek darbe dayanımlı polistiren ve ABS gibi kauçukla tokluk kazandırılmış plastikler darbe direnci sağlamakta, polimer alaşımları maliyet ve performansı optimize etmekte ve lif takviyeli kompozitler havacılık, otomotiv, spor malzemeleri ve inşaat için hafif, sert, güçlü malzemeler sunmaktadır.
Tarihçe
Kauçukla tokluk kazandırılmış plastikler, yirminci yüzyılın ortalarında darbe dayanımlı polistiren ve ABS ile ortaya çıkmış, polimer karışımları ve iç içe geçmiş ağlar (interpenetrating networks) 1970'lerden itibaren sistemleştirilmiş ve cam, karbon ve aramid liflerine dayalı yüksek performanslı lif takviyeli kompozitler, hafif yapısal malzemelere olan talepleri karşılamak üzere aynı dönemde hızla gelişmiştir.
Öne çıkan isimler
- Leslie Sperling
- Souheng Wu
İlgili konular
Temel eserler
- sperling2006
- young2011
Sıkça sorulan sorular
- Çoğu polimer karışımı neden karışmazdır?
- Uzun zincirlerin karıştırılması çok az entropi kazandırdığı için, küçük olumsuz etkileşimler bile faz ayrımına neden olur. Bu nedenle çoğu karışım, homojen bir çözelti oluşturmak yerine, bir polimerin diğeri içinde alanlar (domains) halinde dağılmasından oluşmaktadır.
- Kauçuk eklemek bir plastiği nasıl daha tok hale getirir?
- Dağılmış kauçuk partikülleri, tek bir yıkıcı çatlak yerine birçok küçük, enerji emici çatlak (craze) veya kayma bandı (shear band) tetikleyen gerilim yoğunlaştırıcıları (stress concentrators) olarak işlev görmektedir. Bu durum deformasyonu yayarak darbe direncini önemli ölçüde artırmaktadır.