Vulkanizasyon parametrelerinin doğal kauçukların çapraz bağ yoğunluğu ve malzeme ömrü üzerindeki etkisinin incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasının amacı; doğal kauçuk (NR) esaslı parçalarda vulkanizasyon parametrelerinden özellikle kürlenme süresinin çapraz bağ yoğunluğuna ve dolayısı ile parçanın çalışma yerindeki performans ve ömrüne etkisini incelemektir. Bu çalışmada kullanılan tüm numuneler aynı kauçuk reçetesinden hazırlanmıştır. Kauçuk hamurların yarımamül aşamasında mooney viskozite ve rheometre testleri yapılmıştır. Bu kapsamda hazırlanan doğal kauçuk karışımı; optimizasyon sonucu belirlenen 160°C sabit sıcaklıkta farklı vulkanizasyon sürelerinde (3, 5, 10 ve 15 dk.) kükürt pişirici sistemi ile kürlenmiştir. Vulkanizasyon sonucu elde edilen numunelerde çapraz bağ oluşumu ve yoğunluğunun tespiti için şişme (swelling) deneyi, farklı sıcaklıklarda (70°C ve 100°C) kalıcı deformasyon testi ve katı C-NMR analizi kullanılmıştır. Swelling deneyi ile elde edilen veriler Flory Rehner denklemi kullanılarak, kauçukların çapraz bağ yoğunlukları hesaplanmıştır. Vulkanize numunelerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin belirlenebilmesi için; yoğunluk, sertlik, çekme mukavemeti & kopma uzaması, yırtılma mukavemeti, ısıl yaşlanma sonrası sertlik ve kopma uzaması değişimi, ozon ve termal gravimetrik analiz gibi metotlar kullanılmıştır. Deney ve test verileri incelendiğinde, çapraz bağ yoğunluğunun vulkanizasyon süresi ile artarak, 10 dk.'da maksimum değere ulaştığı, sonrasında ise negatif yönde değişim gösterdiği gözlenmiştir. Vulkanizasyon süresi 10 dk. olan numuneler mekanik testlerde en iyi performansı göstermiştir. Gerilim gevşemesi analizleri 3 farklı sıcaklıkta (85°C, 100°C ve 120°C) gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler ile Arrhenius eğrileri çizilmiş ve ekstrapolasyon ile 50°C-120°C arasında değişen sıcaklıklarda numuneler için tahmini çalışma süreleri/servis ömürleri hesaplanmıştır. Kürlenme süresi 10 dk. olan kauçuk numunelerin maksimum çalışma ömrü sergilediği gözlenmiştir. NR kauçuklarda optimum vulkanizasyon süresini aşan kürlemelerde malzemenin reversion (eski haline dönme) durumuna geçerek mekanik ve fiziksel özelliklerinde kayıplar yaşadığı ve sert, ebonit bir yapıya dönüştüğü gözlenmiştir. Bu çalışma ile; çapraz bağlanmanın tam olarak gerçekleştiği parçaların, gerçek çalışma şartlarında en iyi performans ve çalışma ömrü göstereceği sonucuna varılmıştır.

The purpose of this thesis is to investigate the effect of vulcanization parameters, vulcanization time specifically, on crosslink density and thus the performance and lifetime of natural rubber (NR) based auto parts. The natural rubber mixture prepared in this context was vulcanized with a sulfur curing system for different cure times (3, 5, 10 and 15 min.) at a constant temperature of 160°C. Mooney viscosity and rheometer tests were used for semi product assesment. Density, hardness, tensile stress-strain, thermal aging hardness & rupture change, ozone test and thermal gravimetric analysis were conducted for the final product to determine mechanical and physical properties. Compression set test (at 70°C and 100°C), swelling method and solid NMR analyses were used to examine cross-linking density in the vulcanized samples and the cross-link densities were calculated by the Flory Rehner equation. The ageing behavior of the samples were studied by stress relaxation tests. Stress relaxation tests are ideal for making lifetime estimations using an Arrhenius plot. Data showed that the cross-link density increases with vulcanization time reaching the maximum at 10 min. and then decreases. The samples vulcanized for 10 min. showed the best performance in mechanical tests. Stress relaxation analyses were performed at 3 different temperatures (85°C, 100°C and 120°C). The service lives of the samples in the range of 50°C and 120°C were estimated by extrapolation of Arrhenius plots. Natural rubber samples cured for 10 min. exhibited the maximum service life. It can be concluded that the parts that are fully cross-linked exhibit the best performance and service life under real operating conditions.