Polimerler ve malzemelerin özellikleri

1. 1
POLİMER MALZEMELER
2008-2009 BAHAR YARIYILI
Polimerlerin
Mekanik, Elektriksel, Isıl, Optik
ve Kimyasal Özellikleri
06.04.2009 / 20.04.2009

2. 2
Polimerlerin Mekanik Özellikleri :
z Genel olarak polimerlerin mekanik özellikleri denilince,
dış kuvvetlerin etkisi ile ortaya çıkan, uzama, akma,
kopma gibi deformasyonlar anlaşılır.
z Polimerik malzemelerin en önemli özelliği bu
deformasyonların sıcaklık ve zamana bağımlılığıdır.
z Dört ana değişken :
KUVVET – DEFORMASYON – SICAKLIK - ZAMAN
arasındaki ilişkiler son derece karmaşıktır. Bu bölümde,
polimerlerin mekanik özelliklerinin tanımlanması için bu 4
ana değişken arasındaki ilişkiler basitleştirilmiş olarak
verilecektir.

3. 3
Viskoelastisite :
ELASTİK DEFORMASYON :
z Bir malzemeye bir dış kuvvet uygulandığında malzeme
şekil ve boyut değiştirerek cevap verir.
z Eğer uygulanan kuvvet kaldırıldığında, malzeme ilk haline
dönüyorsa bu deformasyon “ideal elastik deformasyon”
olarak tanımlanır.
z Bu deformasyon, moleküler düzeyde, bir molekülün
atomları arasındaki bağların gerilmesi ve bağ açılarının
değişmesi sonucu görülen bir deformasyondur.

4. 4
Viskoelastisite (devamı) :
z Bir malzemenin ;
z geometrik durumundaki değişme ► GERİNİM
z malzeme içinde dış kuvvetleri
dengelemek için oluşan tepki ► GERİLİM
olarak adlandırılır.
z İzotropik malzemelerde, uygulanan kuvvetin türüne göre,
3 değişik gerinim oluşabilir :
z a) Basit çekme
z b) Basit kayma
z c) Eşdeğer sıkıştırma

5. 5
Viskoelastisite (devamı) :
a) BASİT ÇEKME / BASMA :
z Malzeme tek yönde çekilince boyu uzar. Uzama veya
gerinim (ε) ile çekme gerilimi (σ) arasındaki ilişki :
σ = Eε
Basit Çekme Basit Basma
Gerinim (ε)
Gerilim,
σ
eğim = E

6. 6
Viskoelastisite (devamı) :
a) BASİT ÇEKME / BASMA (devamı) :
z Bu eşitlikte,
σ= F/Ao (F=uygulanan kuvvet , Ao=orijinal kesit alanı)
ε= ΔL / Lo (ΔL=boyutsal değişim, Lo=orijinal uzunluk)
E=Çekme modülü (Elastik modül, Young modülü)
z Basit çekme sırasında malzemenin boyu uzarken eni
daralır. Daralmanın uzamaya oranı, ν, “Poisson
oranı” olarak bilinir. Bu oran birçok polimer için 0.4-
0.5 civarındadır.

7. 7
Viskoelastisite (devamı) :
z a) BASİT ÇEKME / BASMA (devamı) :
POISSON Oranı :

8. 8
Viskoelastisite (devamı) :
b) BASİT KAYMA :
z Malzemenin hacmı sabit kalır. Uygulanan gerilim (τ) ile
kayma ortaya çıkar. Kayma gerilimi (τ), kayma açısının
(θ) tanjantı ile orantılıdır. Eğer kayma az ise açının
tanjantı yaklaşık kendisine eşittir ve aşağıdaki ilişki
geçerli olur :
τ = Gθ

9. 9
Viskoelastisite (devamı) :
b) BASİT KAYMA (devamı) :
z Bu eşitlikte ;
G=Kayma modülü, olarak tanımlanır.
Kayma modülü ile çekme modülü arasındaki ilişki ;
1 + ν ≈ E / 2G

10. 10

11. 11
Viskoelastisite (devamı) :
EŞDEĞER SIKIŞTIRMA :
z Sıkıştırmaya neden olan gerilim basınçtır (P) ve
malzemenin şekli aynı kalırken hacmı (V) küçülür. Bu
ilişki aşağıdaki eşitlik ile ifade edilir.
P = B(ΔV/Vo)
z Burada,
B=Blok modülü
ΔV=hacım değişimi
Vo=orijinal hacım

12. 12
Viskoelastisite (devamı) :
z Elastik deformasyon bir yay örneğinde kolayca anlaşılır.
z Uzunluğu, Lo olan bir yaya ağırlık asıldığı zaman (gerilim
uygulanınca), boyu uzar ve L1’e ulaşır.
z Gerilim kaldırıldığı zaman, uzama-zaman grafiğinde
görüldüğü gibi hızla orijinal boyuna döner.
z Bu ideal elastik davranış HOOK kanunu ile şöyle ifade
edilir,
GERİLİM = sabit x GERİNİM
Uygulanan gerilim çekme şeklinde olduğu için buradaki
sabit, çekme (Young) modülüne karşılık gelir.

13. 13
Viskoelastisite (devamı) :
Lo
zaman
uzama
Lo
L1
İDEAL ELASTİK (tersinir) DEFORMASYON

14. 14
Viskoelastisite (devamı) :
VİSKOZ (tersinmez) DEFORMASYON :
z Viskoz deformasyon akış halini ifade eder.
z Burada, uygulanan kuvvetin etkisi ile, yapıdaki
moleküller birbiri üzerinden kayarak tersinmez olarak yer
değiştirir ve akarlar.
z İdeal viskoz deformasyon, NEWTON’un 1.kanunu ile
ifade edilir :
KAYMA GERİLİMİ = sabit x KAYMA HIZI
τ = η(dε/dt)

15. 15
Viskoelastisite (devamı) :
VİSKOZ DEFORMASYON (devamı) :
z Bu eşitlikte orantı katsayısı (sabit), akışa direnci yani
akmazlığı gösteren viskozite’dir (η).
z Malzemelerde kayma gerilimi sonucu ortaya çıkan ideal
viskoz deformasyonu temsil etmek üzere yağ kutusu
örneği incelenebilir.
z Orijinal uzunluğu Lo olan yağ kutusuna sabit bir gerilim
uygulandığında uzunluk yavaş yavaş artar ve L1
değerine ulaşır. Gerilimin kaldırılması ile uzama geri
dönmez ve malzeme son ulaştığı boyda kalır.

16. 16
Viskoelastisite (devamı) :
Lo
zaman
Lo
L1
uzama
İDEAL VİSKOZ (tersinmez) DEFORMASYON

17. 17
Viskoelastisite (devamı) :
VİSKOELASTİK DEFORMASYON :
z Polimer malzemelerde ortaya çıkan deformasyon, bu iki
uç deformasyonun (ideal elastik ve ideal viskoz)
arasında bir yerde, bunların karışımı şeklindedir, bu
nedenle “viskoelastik deformasyon” adını alır.
z Polimerlerin viskoelastik davranışlarını matematiksel
olarak ifade etmek üzere çeşitli modeller ileri
sürülmüştür. Bu modellerin temsili için, yukarıda
tanımlanan yay ve yağ kutusu, değişik sayı ve
düzenlemelerle bir araya getirilir.

18. 18
Viskoelastisite (devamı) :
KELVIN MODELİ :
ε = εyay = εyağ
σ = σyay + σyağ
Genel formül :
σ = Eε + ηε

19. 19
Viskoelastisite (devamı) :
MAXWELL MODELİ :
ε = εyay + εyağ
σ= σyay = σyağ
Genel formül :
σ = Eε = ηε

20. 20
Viskoelastisite (devamı) :
z Polimer malzemelerin viskoelastik davranışını temsil
eden bir örnek model, Kelvin ve Maxwell modellerinin bir
bileşimi olarak aşağıda verilmiştir.
z Modelin cevabı, zamana karşı gerinimin değişmesi ile
belirtilir.
z Bu model eğrisi, plastiklerde sabit gerilimde yapılan tipik
bir sürünme testi sonucu elde edilen zamana karşı
uzama eğrilerini oldukça iyi bir yaklaşımla temsil
etmektedir.

21. 21
Viskoelastisite (devamı) :
E1
E2
η1
η2
a) Gerilimin uygulanması ile
önce E1 modülüne sahip
yay uzayıp son halini alır.
b) 1 ve 2 no’lu yağ kutuları ve
2 no’lu yayın ortak hareketi
sonucu uzama görülür.
c) Gerilim kaldırılınca, 1 no’lu
yay orijinal haline döner,
1 no’lu yağ kutusu olduğu gibi
kalır.
d) 2 no’lu yay etkisiyle 2 no’lu
yay ve 2 no’lu yağ kutusu
birlikte geri döner.

22. 22
Gerilim-Gerinim Eğrileri :
z Gerinime veya yüzde uzamaya karşı gerilimin grafiğe
geçirilmesi ile elde edilen eğriler, polimerik
malzemelerin mekanik özellikleri hakkında birçok bilgi
verir. Aşağıda verilen örnek eğriden elde edilecek
bilgiler şöyle özetlenebilir :
E
D
C
B
A
Gerinim
E2
C2
Gerilim

23. 23
Gerilim-Gerinim Eğrileri :
Yarı kristalin bir
polimer için eğrinin
ve test örneğinin
aşamaları

24. 24
Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :
z Eğrinin “AB” Bölgesi (Elastik Deformasyon) :
Doğrusaldır ve polimerik malzemelerde elastik
deformasyonu temsil eder. AB eğrisinin eğimi
polimerik malzemenin sertliğini gösteren Young
modülünü (E), doğrunun altında kalan alan da,
polimerik malzemenin kalıcı deformasyona
uğramadan (boyut değiştirmeden) sönümleyebileceği
enerji miktarını (resilians) verir.

25. 25
Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :
z Eğrinin “BC” Bölgesi (Viskoelastik Deformasyon) :
Bu bölgede viskoelastik deformasyon görülmektedir.
Malzemede az da olsa kalıcı deformasyon (sürünme)
olmuştur. “C” noktasına “akma verimi” denir. C
noktasından gerilim ekseninde okunan değer (C2)
polimerik malzemenin önemli bir kalıcı deformasyon
olmadan taşıyacağı yük miktarını belirler. C noktasından
gerinim ekseninde okunan değer (C1) ise “akma
veriminde uzama” miktarını verir. Yani polimerik
malzemede önemli bir kalıcı deformasyon olmadan
uzayabileceği değeri verir. Bu değer elastik sınırı
belirler.

26. 26
Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :
z Eğrinin “CD” Bölgesi (Viskoz Deformasyon) :
Bu bölgede uygulanan gerilim değişmeden malzeme
önemli oranda uzar. Bu olaya “plastik akma” denir. Bu
bölgede, polimer zincirleri grift halden ayrılırlar, birbirleri
üzerinden kayarlar ve şiddetli viskoz deformasyon
olur. Plastik akma, plastik malzemelerde gözlenen bir
deformasyondur. Fiberler ve elastomerlerde akma
veriminde, akma olmaksızın kopma gözlenir.
Genelde, yarı kristalin polimerlerde Tg’nin üzerinde ve
amorf polimerlerde Tg’nin altında yapılan çekme
deneylerinde, plastik akma başlamadan önce boyun
oluşumu gözlenir. Boyun oluşumu, eğride, akma noktası
civarında (C noktası) bir tepe noktası ile kendini belli
eder.

27. 27
Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :
A-Fiber
B-Plastik
C-Elastomer

28. 28
Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :
z Eğrinin “DE” Bölgesi :
Gerilimde önemli bir artış gözlenir. Bu artış polimer
zincirlerinin yapıda aşırı yönlenmesi sonucu sertliğin
artmasını ifade eder. E noktasında kopma gözlenir. E
noktasından gerinim ekseninde okunan değer (E1)
“kopmada uzama” olarak adlandırılır. E1 ne kadar
büyükse malzeme o kadar dayanıklıdır. E noktasından
gerilim noktasında okunan değer (E2) “kopma gerilimi”
olarak adlandırılır. E2 değeri malzemenin kopmadan
taşıyabileceği yükü gösterir.

29. 29
Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :
z ABCDE eğrisi altında kalan alan :
Malzemenin sağlamlığının (kırılmazlığının) bir ölçüsüdür
(tokluk). Bu değer ne kadar küçükse malzeme o kadar
kırılgandır.
z ÖZET :
Sert – Yumuşak : AB doğrusunun eğimi ile,
Zayıf – Dayanıklı : Kopmada uzama değeri ile,
Sağlam- Kırılgan : ABCDE eğrisi altındaki alan ile
belirlenir.

30. 30
Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :

31. 31

32. 32
Gerilim-Gerinim Eğrileri – Testler :
z Gerilim-gerinim eğrilerinin saptanması için standart
çekme testleri vardır. Bu testlerde standartlara uygun
boyut ve biçimde hazırlanan polimerik malzeme örnekleri
bir taraftan tutulur, diğer taraftan sabit hızla çekilir.

33. 33
Gerilim-Gerinim Eğrileri – Testler
(devamı) :
z Çekme hızı ve sıcaklık gerilim-gerinim eğrilerini önemli
oranda değiştirir. Aşağıdaki grafikte PMMA örnekleri ile
farklı çekme sıcaklıklarında yapılan testlerin sonuçları
gösterilmiştir.

34. 34
Gerilim-Gerinim Eğrileri – Testler
(devamı) :
z Şekilde görüldüğü gibi PMMA ;
düşük test sıcaklığında ► sert ve kırılgan
yüksek test sıcaklığında ► yumuşak ve sağlam
davranır.
z Çekme hızının etkisi de benzer şekildedir, malzeme ;
hızlı çekmede ► sert ve kırılgan
yavaş çekmede ► yumuşak ve sağlam
davranır.

35. 35
Gerilim-Gerinim Eğrileri – Sıcaklığın
Etkisi :
z Sıcaklığın gerilim-gerinim üzerindeki etkisini ifade
etmek için sıcaklığa (T) karşı elastik modül (log E)
grafikleri kullanılır.
z Amorf polistiren için böyle bir eğri örnek olarak
verilmiştir. Eğride başlıca 4 bölge vardır ;
1) camsı bölge
2) derimsi bölge
3) kauçuğumsu ve kauçuğumsu akış bölgesi
4) sıvı hal

36. 36

37. 37
Gerilim-Gerinim Eğrileri – Sıcaklığın
Etkisi :
z Amorf polimerlerde Tg’nin altında E değeri daha
yüksektir. Tg’nin üzerinde, derimsi bölgede, E’de hızlı
düşüş görülür. Kauçuğumsu bölgede E hemen hemen
sabit kalır, sıcaklığın daha da artması ile polimer sıvı
hale geçtiğinde E sıfıra düşer.
z Yüksek kristalinite gösteren polimerlerde, E erime
sıcaklığına kadar sabit kalır ve bu sıcaklıkta hızla
azalarak sıfır olur.
z Yarı kristalin polimerlerde, Tg gözlendiği durumlarda,
kristalinite oranına bağlı olarak Tg civarında düşme olur,
sonra plato değeri gözlenir ve Tm’de E sıfıra düşer.

38. 38
Örnek : Polistiren
A) Yarı kristalin, izotaktik ; B) Hafif çapraz bağlı, ataktik ; C) Amorf

39. 39
Gerilim-Gerinim Eğrileri (devamı) :
z Gerilim-gerinim testlerinin en önemli dezavantajı, farklı
çekme hızı ve farklı çevre koşullarında (sıcaklık, nem)
çok değişik sonuçların elde edilmesidir.
z Bu nedenle, eğriler sunulurken test koşulları kesin olarak
verilmelidir.
z Ayrıca malzemenin son kullanımında bulunacağı ortam
koşullarına göre mekanik özellikler tespit edilmelidir.

40. 40
Mekanik özelliklere polimerik yapının
etkisi :
z Bir çekme testinden elde edilen gerilim-gerinim
eğrilerinin tipi ve buradan hesaplanacak mekanik
özellikler polimerik yapı ile yakından ilgilidir. Aşağıda
bazı yapısal özellikler ve bunların mekanik özellikler
üzerindeki etkisi verilmiştir.
z 1) Molekül ağırlığınının etkisi :
Molekül ağırlığının artması ile polimer zincirleri
arasındaki çekim kuvvetleri artar. Sonuç olarak elastik
modül artar, malzeme sertleşir. Ancak belli bir molekül
ağırlığı üzerinde bir plato değere ulaşılır, E daha fazla
artmaz.

41. 41
Mekanik özelliklere polimerik yapının
etkisi (devamı) :
z 1) Molekül ağırlığınının etkisi (devamı) :
Molekül ağırlığının artması ile, aynı şekilde kopma
gerilimi ve kopmada uzama önce artar daha sonra
fazla değişmez. Belli bir değerden sonra platoya ulaşılır.
Sonuç olarak molekül ağırlığının artması ile malzeme
daha sert (E yüksek) ve dayanıklı (kopmada uzama
yüksek) olur, ancak belli bir değerin üzerinde mekanik
özelliklerde önemli bir değişiklik olmaz.
ÖZET :
Mol.Ağ. ↑ E ↑ Kopma Gerilimi ↑ Kopmada uzama ↑

42. 42
Mekanik özelliklere polimerik yapının
etkisi (devamı) :
z 2) Esnekliğin etkisi :
Moleküler esnekliği azaltan tüm etkiler malzemenin
sertleşmesine yol açar.
ÖZET :
Esneklik ↓ Sertlik (E) ↑
z 3) Polaritenin etkisi :
Polarite ve diğer moleküller arası çekim kuvvetlerinin
artması moleküler hareketliliği düşürür, malzeme daha
sert olur, kopmada uzama azalır.
ÖZET :
Polarite ↑ Sertlik (E) ↑ Kopmada uzama ↓

43. 43
Mekanik özelliklere polimerik yapının
etkisi (devamı) :
z 4) Kristalinitenin etkisi :
Kristallik oranının artması ile moleküler hareketlilik azalır.
Malzeme sertleşir ancak kopmada uzama düşer.
ÖZET :
Kristalinite ↑ Sertlik (E) ↑ Kopmada uzama ↓
z 5) Yönlenmenin etkisi :
Yönlenme yönünde elastik modül (dolaysıyla sertlik) artar
ve kopmada uzama artar. Yönlenmeye dik yönde
malzeme mekanik olarak zayıflar.
ÖZET :
Yönlenme yönünde ► Sertlik (E) ↑ Kopmada uzama ↑

44. 44
Mekanik özelliklere polimerik yapının
etkisi (devamı) :
z 6) Katkı maddelerinin etkisi :
Polimerik malzemelerde kullanılan çeşitli katkı
maddelerinin mekanik özellikler üzerine çok farklı etkileri
vardır ;
Örneğin, Tg değerini düşürmek için kullanılan
plastikleştiriciler, sıcaklığın etkisinde olduğu gibi, elastik
modülü düşürür, yapıyı yumuşatır, kopma gerilimini
düşürür buna karşılık kopmada uzamayı artırır.
ÖZET :
Plastikleştirici ► E ↓ Kopma Gerilimi ↓ Kop. uzama ↑

45. 45
Mekanik özelliklere polimerik yapının
etkisi (devamı) :
z 6) Katkı maddelerinin etkisi (devamı) :
Stabilizatör, boya gibi diğer katkı maddeleri malzemeyi
sertleştirir. Takviye malzemeleri (cam, fiber, mika, silika
vb.) sertliği artırır, polimere üstün mekanik özellikler
kazandırır.

46. 46
Gevşeme ve Sürünme :
z Polimerik malzemelerin mekanik özellikleri zamana
bağımlı olarak değişir.
z Gerilim-gerinim eğrilerinden mekanik özelliklerin
zamanla değişimi belirlenemez. Zamana bağlı
davranışın incelenebilmesi için, gevşeme ve sürünme
testleri uygulanır.
z GEVŞEME TESTİ :
Sabit uzamada tutulan polimerik malzemede gerilimin
zamanla azalmasını ölçen bir testtir. Ancak deneysel
zorluklar ve hata olasılığının fazla olması nedeniyle,
pratik yönden çok önemli değildir.

47. 47
Gevşeme ve Sürünme (devamı) :
z SÜRÜNME TESTİ :
Sabit statik yük altında, polimerik malzemelerde
uzun dönemde kalıcı deformasyonları ölçen bir
testtir. Sıcaklık ve gerilimin sürünme davranışına
etkisi aşağıdaki grafikte gösterilmiştir.
Zaman
Sürünme
uzaması

48. 48
Gevşeme ve Sürünme (devamı) :
z SÜRÜNME TESTİ (devamı) :
Grafikte görüldüğü gibi düşük sıcaklıklarda (veya
düşük gerilim değerlerinde) yavaş sürünen ve kopan
polimer, yüksek sıcaklıklarda (veya yüksek gerilim
değerlerinde) hızlı uzar ve kısa sürede kopar.
Sıcaklık ve uygulanan gerilimin yanı sıra polimerik yapı,
nem vb. sürünme davranışını etkiler ;
1) Yüksek molekül ağırlıklı, kuvvetli birincil ve ikincil
bağların olduğu, çapraz bağlı, yüksek kristallik oranı
gösteren yapılarda sürünme az ve yavaştır.

49. 49
Gevşeme ve Sürünme (devamı) :
z SÜRÜNME TESTİ (devamı) :
2) Yapıda bulunan plastikleştiriciler sürünmeye
yatkınlığı artırır.
3) Nem, birçok polimerik malzemeye plastikleştirici gibi
etki ettiği için sürünmeye yatkınlığı artırır. Bu yüzden
sürünme testlerinde %50 nem civarında çalışılır ve nem
yüzdesi sonuçlarla birlikte raporlanır.

50. 50
Yorulma :
z Polimerik malzemeler, tekrarlanan işlemlerde, değişen
miktar ve sürelerde yük altında kullanılırlar.
z Gerilim veya gerinimin tekrarlanan salınımlar halinde
değiştiği bu durumlarda, gerilim veya gerinim değerleri
kopma değerlerinden çok küçük olsa da, etkinin
birikmesi sonucu malzeme deforme olur ve kopar. Bu
özellik “yorulma” olarak adlandırılır.
z Metallerin yorulma mekanizmaları oldukça iyi
anlaşılmıştır ancak polimerlerde çok karışıktır.

51. 51
Yorulma nedenleri :
a) σ Simetrik
b) σ Asimetrik
c) σ Rastgele (random)

52. 52
Yorulma (devamı):
z Tüm malzemelerde olduğu gibi, polimer malzemeler de,
fabrikasyon işlemler sonucu yapı içinde hatalar içerirler.
z Bu malzemeler salınımlar halinde değişen gerilim veya
gerinim altında kalınca, mikroskopik hatalar zamanla
büyür ve sonunda malzeme yorulur ve kopar.
z Bu tür yorulma “çatlak yürümesi” olarak adlandırılır.
Metallerde yorulma genellikle bu türdür.
z Polimerik malzemelerde, çatlak yürümesi yanı sıra “ısıl
yorulma” da önemli bir yorulma şeklidir.

53. 53
Yorulma (devamı):
z Polimerik malzemelerdeki bu fark viskoelastik
olmalarından kaynaklanır.
z Bu malzemelere uygulanan gerilim sonucu, viskoz
bileşen nedeniyle, mekanik iş ısıya dönüşür.
z “Histeresiz” olarak bilinen bu olay metallerde düşüktür.
z Histeresiz sonucunda ortaya çıkan ısı, polimerler ısıyı iyi
iletemedikleri için, çevreye iletilmez ve malzemede
birikir.
z Kontrol edilemeyen bu sıcaklık artışı, “ısıl yumuşama” ve
dolayısıyla “ısıl yorulmaya” neden olur.
z Termosetler, termoplastiklere göre yorulma
açısından daha dayanıklıdır.

54. 54
Çarpma Direnci :
z Polimerik maddelerin, ani bir darbe şeklinde gelen
çarpmaya karşı dirençleri önemli bir mekanik özelliktir.
Polimerik malzemelerde çarpma ile kırılma iki şekilde
görülür :
z 1) Kırılgan (gevrek) kırılma
z 2) Kırılgan olmayan (sünek) kırılma
Gerinim
Gerilim
Gevrek
Sünek

55. 55
Çarpma Direnci (devamı) :
z KIRILGAN KIRILMA :
Çarpma enerjisini yapı içinde dağıtamayan, yani enerji
absorplama kabiliyeti düşük olan polimerlerde görülür.
Bu tür kırılmada kırılmış yüzeyler düzgündür, önemli bir
deformasyon gözlenmez.
Örnek : Tg’nin altındaki sıcaklıklarda amorf polimerler.
z KIRILGAN OLMAYAN KIRILMA :
Çarpma enerjisini yapı içinde kolayca dağıtan
polimerlerde görülür. Kırılmış yüzeylerde önemli oranda
deformasyon gözlenir.
Örnek : Tg’si oda sıcaklığının çok altında olan polimerler

56. 56
Polimerlerin Elektriksel, Isıl,
Optik ve Kimyasal Özellikleri

57. 57
Polimerlerin Elektriksel Özellikleri :
ELEKTRİKSEL İLETKENLİK :
z Hemen hemen tüm yüksek molekül ağırlıklı polimerler
elektriksel yalıtım özelliğine sahiptirler. Bu özellikleri
nedeniyle elektrik ve elektronik endüstrisinde yaygın
olarak kullanılırlar.
z Polimerik malzemeden elektriğin geçebilmesi için birinci
koşul ; yapıda serbest iyonik veya metalik safsızlıkların
bulunmasıdır.

58. 58
Polimerlerin Elektriksel Özellikleri
(devamı) :
ELEKTRİKSEL İLETKENLİK (devamı) :
z Polimer zincirleri veya bu zincirlere bağlı sabit
yükler elektrik iletimine katılamazlar.
z Bir polimerik malzemeye elektrik alan uygulandığı
zaman, yapıdaki serbest yüklerin hareket edebilmesi
(yani elektriğin iletilebilmesi) için, ikinci koşul ;
polimerik yapıda iletim yollarının var olması gerekir.

59. 59
Polimerlerin Elektriksel Özellikleri
(devamı) :
ELEKTRİKSEL İLETKENLİK (devamı)
z Serbest yüklerin hareketi için uygun kanallar ;
z Amorf polimerlerde polimer zincirleri arasındaki boşluklar.
z Kristalin polimerlerde kristal hataları (düzensizlikler).
Amorf yapı Kristal yapı ve hatalar

60. 60
Polimerlerin Elektriksel Özellikleri
(devamı) :
ELEKTRİKSEL İLETKENLİK (devamı) :
z Düşük elektrik iletkenliğinin nedenleri ;
z Polimerik zincirlerin sert ve bükülmez olması
z Zincirler arası etkileşimlerin kuvvetli olması
z Yüksek kristalinite
z Yüksek çapraz bağ yoğunluğu
z Yönlenme
Sonuç olarak ► Boşluk ↓ Elektrik iletimi ↓

61. 61
Polimerlerin Elektriksel Özellikleri
(devamı) :
ELEKTRİKSEL İLETKENLİK (devamı) :
z Sıcaklığın etkisi ;
z Sıcaklığın artması ile elektriksel iletkenlik üstel bir şekilde artar.
z Tg (camsı geçiş sıcaklığı) üzerinde polimerik zincirler önemli bir
hareketlilik kazanır.
z Böylece serbest iyonlar bu yapı içinde çok daha kolaylıkla
iletilebilirler (yani kauçuğumsu bölgede elektrik direnci azdır).
Sonuç olarak ► Sıcaklık ↑ Elektrik iletimi ↑

62. 62
Polimerlerin Elektriksel Özellikleri
(devamı) :
ELEKTRİKSEL İLETKENLİK (devamı) :
z Nem etkisi ;
z Özellikle polar ve gözenekli yapılar önemli oranda su (nem)
absorplar.
z Su, serbest iyonların yapıda çok kolay difüze olmalarını
(yayınımını) sağlar.
z Böylece nem miktarı ile elektrik direnci önemli oranda düşer.
Sonuç olarak ► Nem ↑ Elektrik iletimi ↑

63. 63
Polimerlerin Elektriksel Özellikleri
(devamı) :
ELEKTRİKSEL İLETKENLİK (devamı) :
z Dolgu maddelerinin etkisi ;
z Polimerik malzemelerin elektrik dirençleri, elektrik iletimine
yardımcı olan dolgu maddelerinin ilavesi ile de düşürülebilir.
z Polimerik malzemelerde statik yüklenme bazı uygulamalarda
yangın çıkmasına yol açacak kadar tehlikeli boyutlara ulaşabilir.
z Bu tür uygulamalarda, elektrik direncinin düşürülmesi için yapıya
iletken dolgu maddeleri ilave edilir.
Örnek :
Otomobil motorlarında kaplama maddesi olarak kullanılan
silikon kauçuğunun elektrik direncini düşürmek ve yangın
tehlikesini önlemek için yapıya karbon karası ilave edilir.

64. 64
Polimerlerin Elektriksel Özellikleri
(devamı) :
YÜZEY İLETKENLİĞİ :
z Elektrik iletimi sadece polimer malzemenin hacmı içinden
olmaz.
z Özellikle yüksek nemlilikte, polimerik malzemenin hacım
iletkenliği düşük olsa da, yüzey iletkenliği önem kazanır.
z Malzemenin yüzeyi temiz, düzgün ve kuru ise yüzey
iletkenliği çok düşüktür.
z Malzemenin yüzeyi kullanım sırasında kolaylıkla kirlenir
ve özellikle yapı polar ise yüzeyde su absorpsiyonu olur,
bu su havadaki iletkenleri çözerek yüzey direncinin hızla
düşmesine yol açar.
z Yüzey iletkenliğinin düşürülmesi için yüzey hidrofobik
malzemelerle (çeşitli vakslar, silikonlar vb.) kaplanır.

65. 65
Polimerlerin Isıl Özellikleri :
ISIL İLETKENLİK :
z Polimerlerin ısıl iletkenliği çok düşüktür.
z Özellikle köpük formunda hazırlanmış polimerlerde ısıl
iletkenlik çok daha düşük değerlerdedir.
z Polimerlerin ısıl iletkenliklerinin düşük olması ısıl
yorulmaya yol açar.
z Isıl yorulmanın azaltılması için polimerik malzemelere
katkı maddeleri, örneğin aluminyum, bakır vb. metal
tozları veya çeşitli fiberler (fiberglas) ilave edilir.

66. 66
Polimerlerin Isıl Özellikleri (devamı) :
ISIL İLETKENLİK (devamı) :
z Katkı maddelerinin ilavesi ile polimerik malzemelerin ısıl
iletkenlikleri 10 kat veya daha fazla artırılabilir.
Örnek :
Malzeme Isıl İletkenlik Katsayısı
(cal/cm.s.oC)x10-4
Epoksi 4 - 30
Epoksi (dolgulu) 800 - 2500

67. 67
Polimerlerin Isıl Özellikleri (devamı) :
ISIL İLETKENLİK (devamı) :
z Polimerlerin ısıl iletkenliği molekül ağırlığı ve yapısal
özellikleri ile yakından ilgilidir ;
(Mol. Ağırlık)½ α Isıl İletkenlik (Mw = 100,000 bölgesinde)
Kristalinite ↑ Isıl İletkenlik ↑
Yönlenme ↑ Isıl İletkenlik ↑ (yönlenme yönünde)

68. 68
Polimerlerin Isıl Özellikleri (devamı) :
ISIL GENLEŞME :
z Polimerik malzemelerin doğrusal genleşme katsayıları,
metallere göre, çok daha büyüktür.
z Polimerlerin ısıl genleşmeleri yapıya inorganik dolgu
maddeleri ilave edilerek önemli oranda düşürülebilir.
Örnek :
Polistirene %60 fiberglas ilavesiyle ısıl genleşme katsayısı
yarıya düşürülebilir.
z Polimerlerin yüksek genleşme katsayıları genellikle
plastik malzemelerin işlenmesinde önemli bir
problemdir.

69. 69
Polimerlerin Isıl Özellikleri (devamı) :
ISIL GENLEŞME (devamı) :
z Isıl genleşme polimerlerin Tg ve Tm sıcaklıklarının
altında ve üzerinde farklılık gösterir.
z Yapının ve molekül ağırlığının ısıl genleşmeye etkisi ;
% Kristalinite ↑ Isıl Genleşme Katsayısı ↓
Çapraz Bağ Yoğunluğu ↑ Isıl Genleşme Katsayısı ↓
Yönlenme ↑ Isıl Genleşme Katsayısı ↓ (yönlenme yönünde)
Molekül Ağırlığı (Mw) ↑ Isıl Genleşme Katsayısı ↓

70. 70
Polimerlerin Isıl Özellikleri (devamı) :
Malzeme Isıl İletkenlik Katsayısı
(cal/cm.s.oC)x10-4
Isıl Genleşme Katsayısı
(cm/cm.oC)x10-5
METALLER 200 – 10,000 1 – 3
Çelik 1,500 1.2
Aluminyum 4,850 2.4
POLİMERLER 2 - 8 2 - 20
Polietilen 8 17
Polistiren 1.6 - 3.7 7
Polistiren köpük 0.6 -
Polivinilklorür 3 - 4 19
Fenolformaldehit 4 - 7 3

71. 71
Polimerlerin Isıl Özellikleri (devamı) :
ISIL DİRENÇ :
z Polimerik malzemelerin ısıl dirençleri, emniyetle uzun
süre kullanılabilecekleri sıcaklık ile ifade edilir.
z Birçok polimerik malzeme, özellikle yüksek sıcaklıklarda
ısıl olarak yaşlanır, yani fiziksel görünüşünü kaybeder,
mekanik dayanıklılığı düşer.
Örnek :
Selülozik esterler, eterler, doğrusal vinil polimerler
100oC’nin üzerinde pek kullanılmazlar.
z Bunun yanı sıra, silikonlar, naylonlar, son yıllarda
geliştirilen birçok polimer yüksek ısıl direnç gösterir.
z Dolgu maddeleri (cam vb.) ile polimerlerin ısıl dirençleri
artırılır.

72. 72
Polimerlerin Optik Özellikleri :
ŞEFFAFLIK ve RENKLENME :
z Elektriksel ve ısıl özellikler gibi polimerlerin optik
özellikleri de moleküler, atomik, iyonik, elektronik yapıları
ile yakından ilgilidir.
z Polimerik malzemelerin görünür ışık bölgesindeki
özelliklerini belirleyen, yapı içindeki elektronların
konsantrasyonu ve hareketliliğidir.
z Işık bir malzemenin üzerine geldiği zaman ;
z 1) Bir bölümü yüzeyden yansır,
z 2) Bir bölümü yapı içine girer ve genellikle ısı enerjisine
dönerek absorplanır,
z 3) Kalan bölümü malzemeden geçer.

73. 73
ŞEFFAFLIK ve RENKLENME (devamı) :
z Metal kristalin malzemelerde ;
z Yüksek elektron yoğunluğu gelen ışığın büyük bir bölümünün
yansımasına yol açar.
z Elektron yoğunluğu ve hareketliliği nedeniyle, yapıya giren ışık
elektronlar tarafından absorplanır ve bu da elektron akışına yol
açar. Bunun sonucu olarak metalik kristalin malzemelerde yüksek
opasite görülür.
z Polimerlerde durum metallerden tamamen farklıdır ;
z Bu yapılarda elektron hareketliliği çok düşüktür.
z Bu nedenle görünür ışık absorpsiyonu elektronların ancak
titreşimine neden olacak kadardır. Elektron akımı oluşmaz ve bu
nedenle polimerlerin çoğu şeffaftır.
Polimerlerin Optik Özellikleri (devamı) :

74. 74
Polimerlerin Optik Özellikleri (devamı) :
ŞEFFAFLIK ve RENKLENME (devamı) :
z Polimerlerin şeffaf olmaları, görünür bölgede ışık
absorpsiyonunun düşük olduğunu ifade eder ve görünür
optik özellik olarak şeffaftırlar.
z Ancak ultraviyole ve infrared bölgesinde absorpsiyon
gösterebilirler.
z Polimerler ışığı az da olsa absorpluyorsa ve bu
absorpsiyon seçimli ise yapıda renklenme gözlenir.
z Doymuş alifatik yapılarda ;
z Elektronlar kuvvetlice bağlıdır ve bu yapılarda molekülleri
uyarmak için yüksek miktarda enerji gerekir.
z Bu nedenle, bu maddeler ancak UV bölgede absorpsiyon
yaparlar, şeffaf ve renksizdirler.

75. 75
Polimerlerin Optik Özellikleri (devamı) :
ŞEFFAFLIK ve RENKLENME (devamı) :
z Eğer yapıda fazla miktarda, “C=C” , “C=O” , “N=N” ,
“N=O” gibi doymamış gruplar varsa ;
z Elektronlar daha az enerji ile hareketlendirilebilir.
z Bu nedenle, bu maddeler görünür ışık bölgesinde seçimli
absorpsiyon yaparlar ve dolayısıyla renklenme gösterirler.

76. 76
Polimerlerin Optik Özellikleri (devamı) :
MATLIK ve PARLAKLIK :
z Matlık ve parlaklık malzemenin yüzey koşulları ile
ilgilidir.
z Yüzeyi çok düzgün ve homojen olan yapılar mat
gözükür. Bu malzemelerde yansıyan ışık yüzeyden değil
de adeta malzemenin içinden geliyor gibidir. Bu nedenle
yüzey görünmez ve mat görüntü elde edilir.
z Bunun tersine, malzeme yüzeyi pürüzlü ve heterojen
ise yansıma ışık saçılma şeklinde kendini gösterir.
Böylece yüzey görünür ve parlaktır.

77. 77
Polimerlerin Optik Özellikleri (devamı) :
OPTİK KARARLILIK :
z Optik kararlılık polimerik malzemelerin kullanım
süresince optik özelliklerindeki değişmeleri ifade eder.
z Mekanik ve kimyasal özelliklerindeki değişmeler optik
özelliklerinde de değişmelere yol açar.
z Örneğin, çeşitli etkilerle polimerlerin kimyasal
yapılarındaki bozunmalar ve değişimler ;
z Şeffaflığa veya renk değişikliklerine
z Matlık veya geçirgenliğin değişmesine
neden olur.
z Polimer malzemelerin optik yaşlanmaları, pratik
uygulamalarda (pencere camı vb.) önemli bir
problemdir.

78. 78
Polimerlerin Kimyasal Özellikleri :
z Polimerlerik malzemelerin diğer malzemelere, örneğin
metallere göre en önemli avantajları arasında kimyasal
ataklara çok az duyarlı olmaları gelir.
z Nem Etkisi :
Metaller atmosferik korozyona uğrar. Buna karşılık
nemin birçok polimer üzerinde etkisi yoktur (hidrofilik
polimerler hariç).
z Asitlerin Etkisi :
Plastikler, asitler gibi metalleri çok kolay korozyona
uğratan kimyasallara dayanıklıdır.
Flor içeren polimerler (PTFE vb.) kimyasal olarak son
derece inert malzemelerdir.

79. 79
Polimerlerin Kimyasal Özellikleri
(devamı) :
z Çevre ile Etkileşim :
Polimerler kimyasal çevre ile çok farklı mekanizmalarla,
değişik hız ve derecelerde etkileşirler.
Bu etkileşim ;
z Kimyasal reaksiyon
z Solvatizasyon
z Absorpsiyon
z Plastikleştirme
z Çevre ile birlikte gerilim etkisi
şeklinde olabilir.

80. 80
Polimerlerin Kimyasal Özellikleri
(devamı) :
z Çevre ile Etkileşim (devamı) :
z Kimyasal reaksiyon
Polimer zinciri üzerindeki aktif grupların çevre ile
etkileşmesidir.
Kimyasal reaksiyon sonucu zincir kesilmesi ve dolayısıyla
molekül ağırlığında düşme gözlenir.
Örnek :
Zincir üzerindeki esterler ve amidler kolayca hidroliz olur ve
kimyasal bozunma ortaya çıkar.
CH3COOC2H5 + H2O ↔ CH3COOH + C2H5OH
etil asetat (ester) asetik asit etanol

81. 81
Polimerlerin Kimyasal Özellikleri
(devamı) :
z Çevre ile Etkileşim (devamı) :
z Kimyasal reaksiyon (devamı)
Reaksiyon hızına göre bu etki kısa veya uzun sürede
kendini gösterir.
Kimyasal reaksiyonla bozunma polimerin mekanik
özelliklerindeki değişmeler ölçülerek izlenir.
Çekme testleri ► kısa dönemli etkileşimleri belirler.
Sürünme testleri ► uzun dönemli etkileşimleri belirler.

82. 82
Polimerlerin Kimyasal Özellikleri
(devamı) :
z Çevre ile Etkileşim (devamı) :
z Solvatizasyon
Polimerik malzemeler (eğer çapraz bağlı değillerse) iyi
çözücülerle etkileştikleri zaman solvatize olurlar. Daha
sonra şişerek boyutları değişir ve sonunda yeteri kadar
etkileşirlerse çözünürler.
Ancak polimerler çok uzun zincirli moleküller oldukları için,
bu çözünme prosesi çok uzun zaman alır.

83. 83
Polimerlerin Kimyasal Özellikleri
(devamı) :
z Çevre ile Etkileşim (devamı) :
z Absorpsiyon, Plastikleştirme
Eğer çözücü polimer için iyi bir çözücü değilse, çözücü az
da olsa polimerik yapıda absorbe olur ve bir plastikleştirici
gibi hareket eder.
Örnek :
Suyun naylonda absorpsiyonu polimeri çözmez fakat
plastikleştirir.
Plastikleşen polimerin yapısı yumuşar, Tg’si düşer,
setliği, dayanıklılığı, sürünme direnci azalır.

84. 84
Polimerlerin Kimyasal Özellikleri
(devamı) :
z Çevre ile Etkileşim (devamı) :
z Çevre ile birlikte gerilim etkisi
Burada kimyasal atak tek başına etkin değildir. Gerilim ve
kimyasal çevre birlikte etkilerse bozunma oluşur.
Genellikle malzemenin yüzeyinde uygulanan gerilim
(bükülme vb.) malzeme yüzeyinde çatlaklar oluşturabilir.
Bu çatlaklardan sızan kimyasal ajan etkisini gösterip burada
bozunmayı başlatır.

85. 85
Polimerlerin Kimyasal Özellikleri
(devamı) :
z Kimyasal Direnç :
Kimyasal direncin belirlenebilmesi için genellikle tüm bu
etkiler birlikte incelenir.
Kimyasal direnç üzerinde sıcaklığın etkisi önemlidir.
Artan sıcaklıkla kimyasal direnç düşer.
Ayrıca kimyasal ajanın konsantrasyonu da önemlidir.