Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi - PDF
Download "Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi"
1 Fırat Üniv. Mühendislik Bilimleri Dergisi Fırat Univ. Journal of Engineering 24 (2), , (2), , 2012 Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi Bahattin İŞCAN 1, Hamit ADİN 2, Aydın TURGUT 3 1 Batman Üniversitesi Batman Meslek Yüksek Okulu, 72060, BATMAN 2 Batman Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, 72060, BATMAN 3 Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü 23119, ELAZIĞ (Geliş/Received: ; Kabul/Accepted: ) Özet Bu çalışmamızın amacı, tasarım için gerekli bazı yapısal yapıştırıcıların mekanik özelliklerinin belirlenmesidir. Çalışmamızda yapıştırıcı malzemelerin mekanik özelliklerini tespit etmek içim bulk numuneler kullanılmıştır. Numunelerin gaz boşlukları ve süreksizlikleri giderildikten sonra deneyler yapılmıştır. ASTM çekme deney prosedürü uygulanarak yapıştırıcıların mekanik değerleri bulunmuştur. Deneyler sonucunda yapıştırıcıların elastik şekil değiştirme gösterdikleri görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Yapıştırıcı, Bulk numune, Elastisite modülü, Çekme mukavemeti. Determination of Mechanical Properties of Some Structural Adhesive Abstract The purpose of our present study is to specify mechanical properties of some structural adhesives which required for design of construction. Bulk specimens which was used from adhesive materials were utilized in the study. Tests were performed after gas gaps and discontinuities of specimens were removed. Mechanical behaviour of adhesives were obtained by ASTM tensile test procedure. Test results showed that adhesives displayed an elastic tensile strain. Keywords: Adhesive, Bulk specimen, Elastisite modul, Tension strength. 1. Giriş Havacılık endüstrisinin öncülüğünde 1940 lardan günümüze kadar hafif ve yüksek dayanımlı malzemelerde hızlı gelişmeler meydana gelmiştir. Kompozit malzemeler ve onların üretim yöntemlerinde özellikle son 15 yılda önemli atılımlar gerçekleştirilmiştir. Bu durum hava taşıtlarının birçok parçasında polimer matris kompozitlerin yeni uygulama alanı bulmasına sebep olmuştur . Kompozit malzemelerde meydana gelen bu hızlı gelişim, yapısal elemanların birleştirme yöntemlerinde etkili ve güvenilir ilerlemelerin ortaya çıkmasını, dolayısıyla mekanik birleştirme yöntemlerinden uzaklaşılmasını zorunlu hale getirmiştir . Birleştirme yöntemi olarak yapıştırıcıların kullanımı farklı malzeme, kompozit ve plastiklerin birleştirilmesinde tercih edildiklerinden hızlı bir şekilde artmaktadır. Yapıştırma; kaynak, lehim, perçin vs. yanında endüstriyel bir birleştirme yöntemi olarak kullanılmaya başlandığından beri, başarılı bir yapıştırma için en önemli parametreleri bulmak amacıyla birçok araştırma, geliştirme ve mühendislik çalışması yapılmıştır . Yapıştırma bağlantılarının son derece yaygın bir kullanım alanı (havacılık ve uzay sanayi, otomotiv ve inşaat sektörleri, elektrik-elektronik, deniz taşıtları, bio-medikal araçlar, spor malzemeleri vb.) sunmasına karşın, yapısal yapıştırıcının mekanik özelliklerinin belirlenmesi, güvenilirliği ve tekrarlanabilirliğinde yaşanan zorluklar, bu teknolojinin benimsenmesinde güçlüklerle karşılaşılmasına sebep olmaktadır. Bu durum, araştırmacıların tasarım amaçlarına uygun mekanik özelliklerin tespiti üzerine yoğunlaşmalarına sebep olmuştur. Yapısal yapıştırıcıların mekanik özelliklerinin doğru olarak belirlenmesi, yapıştırma bağlantısının tasarımında materyal seçimi, hasar kriterlerini belirleme, yüklü bağlantıdaki gerilme dağılımlarını hesaplayabilme oldukça önemlidir. Bu ayırt edici mekanik özellikler bulk yapıştırıcı numunelerinden yararlanarak belirlenebilir [4,5].
2 Bahattin İşcan, Hamit Adin, Aydın Turgut Custodio ve arkadaşları  epoxy yapıştırıcılardan üretilen bulk numunelerin mekanik özelliklerini etkileyen faktörleri araştırmışlardır. Özellikle gaz boşluklarına dikkat çekmişlerdir. Çalışmalar yapıştırıcıların mekanik özelliklerinin belirlenmesinde en uygun metodun bulk numune hazırlamak olduğunu göstermiştir. Ayrıca çalışmalarda yapısal yapıştırıcıların bulk numune halindeki davranışı ile farklı malzemelerin birleştirilmesi sonucunda elde edilen yapıştırıcı davranışlarının benzer olduğu tespit edilmiştir [7-10]. Çalışmamızda üç çeşit yapısal yapıştırıcı kullanılmıştır. Epoxy, Welder ve 2 Ton Epoxy yapısal yapıştırıcılarından bulk numuneler üreterek mekanik özellikleri tespit edilmiştir. 2. Materyal ve Metot 2.1. Kullanılan Yapıştırıcılar Epoxy Yüksek mukavemetli, kristal şeffaflığında, suya ve kimyasallara karşı dirençli, hava şartlarına ve solventlere geniş ısı aralığında mükemmel dayanımı olan bir yapıştırıcıdır. Epoxy yapısal yapıştırıcının fiziksel özellikleri ve performans değerleri Tablo 1.1 ve 1.2 de verilmiştir. Tablo 1.1. Sertleşme öncesi yapıştırıcının fiziksel özellikleri Renk Şeffaf Karışım Viskozitesi cps Karışımla çalışma süresi 10 dakika Fonksiyonel Kuruma Süresi 2 saat Özgül Hacim 0.91 cm 3 /gr Saflık %100 Tablo 1.2. Oda sıcaklığında 7 gün bekledikten sonra yapıştırıcının performans değerleri Yapışma Mukavemeti 158 kg/cm 2 T Soyulma mukavemeti 3-4 kg/cm 2 Sertlik 83 Shore D Elektriksel Darbe Mukavemeti 600 volt/mil Welder Sertleştikten sonra geniş bir sıcaklık aralığında basınç, yük, hava şartları ve neme karşı mükemmel direnç gösteren ve aşırı yüzey temizliği gerektirmeyen bir yapıştırıcı türüdür. Welder yapıştırıcının fiziksel özellikleri ve performans değerleri aşağıda tablolar halinde verilmiştir . Tablo 1.3. Sertleşme öncesi yapıştırıcının fiziksel özellikleri Renk Kırık beyaz Viskozite cps Özgül Hacim 0.99 gr/cm 3 Karışımla çalışma süresi 3 dakika Tam kuruma süresi 4 saat Saflık %
3 Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin belirlenmesi Tablo 1.4. Oda sıcaklığında 7 gün bekledikten sonra yapıştırıcının performans değerleri Yapışma mukavemeti (Kumlanmış çelikte) 210 kg/cm 2 T Soyulma mukavemeti kg/cm 2 Sertlik 78 Shore D Elektriksel Darbe Mukavemeti 600 volt/mil Ton Epoxy Yüksek mukavemetli, büzülmeyen bir yapıştırıcıdır. Genelde yalıtım amacıyla kullanılmakta olup darbeye, neme ve suya karşı dirençlidir. Kristal şeffaflığındadır. Hava şartlarına ve solventlere geniş ısı aralığında mükemmel dayanım gösterir. Boşluk doldurur, eksik parçaları tamamlar. %100 saf olup solvent içermez. Oda sıcaklığında sertleşir . Tablo 1.5. Sertleşme öncesi yapıştırıcının fiziksel özellikleri Renk şeffaf Viskozite cps Özgül Hacim 0.93 gr/cm 3 Karışımla çalışma süresi 8-12 dakika Tam kuruma süresi 12 saat Saflık %100 Tablo 1.6. Oda sıcaklığında 7 gün bekledikten sonra yapıştırıcının performans değerleri Yapışma mukavemeti (çelikte) 158 kg/cm 2 T Soyulma mukavemeti 2-3 kg/cm 2 Sertlik 83 Shore D Elektriksel Darbe Mukavemeti 600 volt/mil 2.2. Yapıştırıcıların Gerilme-Şekil Değiştirme Özelliklerinin Belirlenmesi Yapıştırma bağlantısının gerilme analizinde kullanılmak üzere, bulk numuneler için kalıp üretilmiştir. Yapıştırıcıların her birinden de kalıp boyutlarına uygun olarak bulk numuneler şekil 2.1 de gösterilmiş olan boyutlarda dökülüp hazırlanmıştır . ASTM de tanımlanan çekme deneyi uygulanarak gerilme-şekil değiştirme davranışı tespit edilmiştir Numunelerin Hazırlanması Yapıştırıcılardan bulk numunelerin hazırlanması, mühendislikte kullanılan standart deney yöntemlerinin farklı yük şartlarında yapıştırıcıların mekanik özelliklerinin belirlenmesine imkân sağlamaktadır. Bu yol hem daha doğru hem de daha ucuzdur. Çalışmamızda kullanılan yapıştırıcıların kürleşme sıcaklıkları, kürleşme zamanları ve soğutma ortamları Tablo 2.1 de gösterilmiştir. 121
4 Bahattin İşcan, Hamit Adin, Aydın Turgut Şekil 2.1. Bulk numune geometrisi Çalışmada kullanılan yapıştırıcıların basınç ve sıcaklık altında kürleşmesinden dolayı hem bulk hem de çeşitli yapıştırma bağlantı tiplerinin üretilmesine olanak sağlayacak şekilde daha önce Erzurum Atatürk Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünde geliştirilmiş olan bir pres kullanılmıştır (Şekil 2.2). Tablo 2.1. Yapıştırıcıların kürleşme zamanları ve özellikleri Yapıştırıcı Kürleşme Sıcaklığı ( C) Kürleşme Zamanı (dk.) Soğutma Ortamı Epoxy Açık hava (40 C) Welder Açık hava (40 C) 2 Ton Epoxy Açık hava (25 C) Bulk numuneler hazırlanırken; belirli kalınlığa sahip iki levha ve bunlar arasına yapıştırıcı tabakasının kalınlığını ayarlamak amacıyla yerleştirilmiş kalıplar kullanılmıştır. Kalıp sayesinde yapıştırıcı içerisindeki gaz boşlukları ve süreksizlikler giderilmiştir. Kalıp, çevre sıcaklığında oldukça çabuk kürleşen ve kürleşme esnasında meydana gelen ısı çıkışı için alttan su v.b soğutucular kullanılır. Bulk numuneler aşağıdaki şekilde hazırlanmıştır; * Dean ve Duncan, 3-5 mm kalınlıkları arasında hazırlanmış bulk numunelerden daha doğru ve tekrarlanabilir veriler elde edildiğini belirtmişlerdir. Çalışmamızda kullanılan yapıştırıcıların kalınlığı 5 mm alınmıştır. * Silikon yağlayıcı, kalıbın içerisine püskürtülerek çok ince bir film tabaka oluşturulmuştur. Böylece, hem bulk numunenin kalıbın üzerine yapışması engellenmiş hem de kürleşme sonrası yapıştırıcının kalıptan kolayca ayrılması sağlanmıştır. * Her bir yapıştırıcı için dörder adet bulk numune hazırlanmıştır. Bulk numuneler Şekil 2.2. deki makinenin numune yerine konularak yapıştırıcının kürleşebilmesi için gereken sıcaklık ve basınç uygulanmıştır. * Bulk numuneler test edilinceye kadar sıcaklığı 22 o C olan ortamda saklanmıştır. 122
5 Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin belirlenmesi Şekil 2.2. Bulk numune hazırlarken kullanılan sıcak pres makinesi 2.4. Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi Genellikle mekanik davranış, yük altında malzemelerin bünyesinde meydana gelen gerilme-şekil değiştirmeleri açıklayan en genel kavramdır. Yapıştırıcıların mekanik özellikleri, plastikler için geliştirilmiş standartlara uygun olarak hazırlanmış numunelerin çekme cihazına bağlanıp tek eksenli gerilme uygulanması ile belirlenebilir. Yapıştırıcıların mekanik özelliklerinin güvenilirliği, uygulanan kuvvet altında oluşan yer değiştirmelerin doğru tespitine bağlıdır. Uygulanan çekme kuvvetinden dolayı meydana gelen şekil değiştirmeler; şekil değişim oranı ve şiddetine, yapıştırıcının mukavemetine bağımlı olduğundan bu tür ölçümlerin yapılmasında güçlüklerle karşılaşılır. Bu güçlüğü aşmak için, numuneyle temas halinde olan (strain gauge) veya temas halinde olmayan (video extensiometre) kullanılarak şekil değiştirmeler tespit edilir. Çene pozisyonuna göre şekil değiştirmelerin belirlenmesi küçük yer değiştirme oranları için sınırlı olduklarından dolayı çekme modüllerinin hesaplanmasında tavsiye edilmez. Bunun temel kaynağı üniform olmayan gerilme dağılımlarıdır. Diğer taraftan, çene pozisyonunu kullanarak şekil değiştirmelerin ölçülmesinde oluşan hataların ihmal edilebileceği durumlar vardır. Hasar anına 123 kadar %50 den fazla şekil değiştirebilen malzemelerde yer değiştirmeler çene pozisyonuna göre belirlenebilir . Bulk numunelerin çekme deneyleri; bilgisayar kontrollü Shimadzu (100 kn) üniversal test cihazında video extensiometre kullanılarak oda sıcaklığında, %50 nem ortamında ve 1 mm/dak lık çene hızında yapılmıştır. Hata oluşumunu engellemek için, numunelerin serbest uçları çekme cihazının çenelerine tutturulurken mümkün olduğunca eşit basınç uygulanmaya çalışılmıştır. Ayrıca eksenlemeye dikkat edilmiştir. Yapıştırıcıların elastisite modülü belirlenirken, numuneler ISO de tavsiye edilen 1 mm/dk lık şekil değiştirme hızıyla yüklenmiştir. Çalışmamızda kullanılan yapıştırıcıların elastisite modülü denklem (2.1) kullanılarak hesaplanmıştır. σ σ 2 1 E = (2.1) ε 2 ε1 Elastisite modülünün ölçülmesini müteakip numunelerdeki yük boşaltılmış ve tamamıyla önceki durumlarına dönmeleri sağlanmıştır. Yapıştırıcıların hasar anına kadar sergiledikleri gerilme-şekil değiştirme davranışlarını belirleyebilmek için, numuneler kopma
6 Bahattin İşcan, Hamit Adin, Aydın Turgut gerçekleşinceye kadar 1 mm/dak. lık şekil değiştirme hızıyla yüklenmiştir. Kopma anına kadar oluşan yük-uzama verilerinden, aşağıdaki formüller kullanılarak, gerilme-şekil değiştirme (σ-ε) diyagramı elde edilmiştir. l l Δl 0 ε = = (2.2) l0 l0 ( 1+ ε ) P ( 1+ ε ) P σ = = (2.3) A b h 0 Poisson oranı bulk numunelerdeki enine şekil değiştirmenin boyuna şekil değiştirmeye oranlanmasıyla bulunmuştur (Tablo 2.2) Deney Sonuçları 3.1. Yapıştırıcıların Gerilme-Şekil Değiştirme Diyagramları ve Mekanik Değerleri Her bir yapıştırıcının bulk numuneleri İzmir deki İzoreel firmasında dörder adet olmak üzere hazırlanmıştır. Bulk numune deneyleri, Erzurum Atatürk Üniversitesi Makine Mühendisliği atölyesinde bulunan ve Şekil 2.2. de gösterilen makineye konularak gaz boşlukları ve süreksizlikleri giderildikten sonra yapılmıştır. (a) (b) 124
7 Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin belirlenmesi (c) Şekil 2.4. Yapıştırıcıların gerilme-şekil değiştirme diyagramı (a: Epoxy, b: Welder, c: 2 ton Epoxy) Deneyler sonucunda bulk numunelerin kuvvetuzama değerleri elde edilmiştir. Daha sonra denklem(2.2) ve denklem(2.3) yardımıyla şekil 2.3 te görülen yapıştırıcıların gerilme-şekil değiştirme diyagramları elde edilmiştir. Bu gerilme-şekil değiştirme diyagramlarındaki eğrilerin her biri yaklaşık bir doğrudur. Çünkü doğruluk oranları sırasıyla , ve tir. Yani her biri yaklaşık birer doğru oldukları için yapıştırıcılar akma noktasına ulaşmadan kopmuştur. Dolayısıyla yapıştırıcılarda elastik şekil değiştirme görülmüştür. Campilho ve arkadaşları yapıştırıcı malzemelerin bulk numune testlerinde elde edilen değerlerin aritmetik ortalamasının alınması gerektiğini belirtmişlerdir . Bundan dolayı çalışmamızda her bir yapıştırıcı türü için dörder bulk numune kullanılmış ve ortalama değerleri alınmıştır. Deneyler sonucunda yapıştırıcıların elde edilen mekanik değerleri (Elastisite modülü ve poisson oranı) Tablo 2.2. de gösterilmiştir. Tablo 2.2. Yapıştırıcıların mekanik özellikleri Yapıştırıcı Test Metodu Birim Epoxy Welder 2 Ton Epoxy Elastisite modülü ISO 178 ( MPa ) Poisson oranı ISO 527 ( --- ) Sonuçlar Alternatif bir bağlantı yöntemi olan yapıştırma bağlantıları giderek hayatımızın her alanına girmektedir. Yapıştırıcıların en fazla kullanıldığı ortamlarda özelliklle kompozit malzeme tasaırımcılarına sağlıklı veriler sunmak için bu çalışma yapılmıştır. Mekanik özellikleri belirlemek için yapıştırıcılardan bulk numuneler 125 üretilebiliyorsa, bu verilerin elde edilebilirliği kolaylaşacaktır. Ancak, bulk numuneler hazırlanırken; iki bileşenli yapıştırıcılarda uniform karışım temin edilmeli, hava boşlukları giderilmeli ve yapıştırıcının kürleşmesi için gerekenden fazla sıcaklık artışı engellenmelidir. Çalışmamızda elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibi özetlenebilir;
8 Bahattin İşcan, Hamit Adin, Aydın Turgut 1- Welder yapıştırıcısının mekanik değerleri (Tablo 2.2), Epoxy ve 2 ton epoxy yapıştırıcılarının değerlerinden daha büyük elde edilmiştir. Dolayısıyla yüksek mukavemet istenen birleştirmelerde Welder yapıştırıcısı kullanılabilir. 2- Yapıştırıcıların şekil değiştirme eğrileri yaklaşık birer doğru (grafiklerin doğruluk oranları; Epoxy de , Welder de ve 2 ton epoxy de ise ) olarak elde edilmiştir. Bu nedenle her üç yapıştırıcıda da elastik şekil değiştirme gözlenmiştir. 4. Kaynaklar 1. Tomblin, J.S., Yang, C. and Harter, P.,(2001), Investigation of Thick Bond Line Adhesive Joint. Final Report, DOT/FAA/AR-01/33, U.S. Department of Transportation, Washington, DC. 2. Van Rijn, L.P.,(1996), Towards the Fastenerless Composite Design. Composites Part A, 27A, Vinson, J.K., (1989), Adhesive Bonding of Polymer Composites. Polymer Engineering and Science, 29(19), Jeandrau, J.P., (1991), Analysis and Design Data for Adhesively Bonded Joints. Int. J. Adhesion and Adhesives, 11(2), Aydın M.D., (2003), Yapıştırıcı ile Birleştirilmiş Tek Tesirli Bindirme Bağlantısının Mekanik Özelliklerinin Deneysel ve Teorik İncelenmesi. Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi, Erzurum. 6. Custodio J., Broughton J. and Cruz H. (2011), Rehabilitation of timber structures-preparation and environmental service condition effects on the bulk performance of epoxy adhesive, Construction and Building Materials, 25, Lilleheden L. (1994), Mechanical properties of adhesives in situ and in bulk, Int J. Adhesion and Adhesive 14(1), Jeandrau JP. (1986), Intrinsic mechanical characterization of structural adhesives, Int. J. Adhesion and Adhesive, 6(4): Elastik şekil değişiminden dolayı her üç yapıştırıcıda da şekil değişimi akma noktasına kadar doğru şeklinde elde edilmiş ve bu noktada kopma gerçekleşmiştir. 4- Bu yapıştırıcılarla birleştirilecek malzemelerin yapıştırma bölgesindeki gerilme analizi yapıldığında elastik gerilme analizi metodu uygulanmalıdır. 5-2 ton epoxy de şekil değiştirme değerleri diğer iki yapıştırıcıdan daha düşük elde edilmiştir. Dolayısıyla yüksek dayanım gerektirmeyen birleştirmelerde bu yapıştırıcı kullanılabilir. 9. Lees DE and Hutchinson AR, (1992), Mechanical characteristics of some cold-cured structural adhesives, Int. J. Adhesion and Adhesive, 12(3): Zheng S and Ashcroft IA, (2005), A depth sensing indentation study of the hardness and modulus of adhesives, Int. J. Adhesion and Adhesive, 25(1): _color_catalog.pdf WELDER-html. 13.Adin H, İşcan B, Turgut A (2010). Determination of mechanical Properties of Adhesives Via Bulk Specimens, e-journal of New World Sciences Academy, 5(3):1A ASTM D1002,(1983), Standard test method for strength properties of adhesives in shear by tension loading. 15. Dean, G.D. and Duncan, B.C.,(1995) Tensile behavior of bulk specimens of adhesives. NPL Report DMM (B), UK. 16. Temiz, Ş., (2003), Study of the Effect of Environmental Factors on Mechanical Properties of Adhesively Bonded Joints, Ph. D. Thesis, Ataturk University, Erzurum, Turkey,178s. 17. Campilho RDSG, Banea MD., Pinto AMG, da Silva LFM and de Jesus AMP, (2011), Strength prediction of single and double-lap joints by standard and extended finite element modelling, Int. J. Adhesion and Adhesive, 31,
Epoksi ve Akrilik Bazlı Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi
6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Epoksi ve Akrilik Bazlı Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi S. Aydın 1, M.Y. Solmaz 2, A. Turgut
TAMİR EDİLMİŞ DOĞAL LİF TAKVİYELİ KOMPOZİTLERİN MEKANİK DAYANIMLARI
TAMİR EDİLMİŞ DOĞAL LİF TAKVİYELİ KOMPOZİTLERİN MEKANİK DAYANIMLARI Derviş Yalçın*, H. Ersen Balcıoğlu, Mehmet Aktaş Uşak Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü *yalcin.dervis@gmail.com ÖZET Bu çalışmada
Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi Pamukkale University Journal of Engineering Sciences Hasarlı boruların tamirinde yama malzemesinin yapıştırıcı üzerine etkilerinin incelenmesi Effects
www.teknolojikarastirmalar.com ISSN:135-631X Yapı Teknolojileri Elektronik Dergisi 28 (2) 43-52 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale Yapıştırıcı Đle Birleştirilmiş Tek Bindirmeli Dokumalı Kompozit Yapıların