Tam Metin - Batman Üniversitesi

Fırat Üniv. Mühendislik Bilimleri Dergisi
24 (2), 119-126, 2012
Fırat Univ. Journal of Engineering
24 (2), 119-126, 2012
Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi
1
2
Bahattin İŞCAN1, Hamit ADİN2, Aydın TURGUT3
Batman Üniversitesi Batman Meslek Yüksek Okulu, 72060, BATMAN
Batman Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, 72060, BATMAN
3
Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü 23119, ELAZIĞ
[email protected]
(Geliş/Received: 26.01.2011; Kabul/Accepted: 28.10.2011)
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 [1].
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 [2]. 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 [3].
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].
Bahattin İşcan, Hamit Adin, Aydın Turgut
Custodio ve arkadaşları [6] 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
2.1.1. 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[11].
Tablo 1.1. Sertleşme öncesi yapıştırıcının fiziksel özellikleri
Renk
Karışım Viskozitesi
Karışımla çalışma süresi
Fonksiyonel Kuruma Süresi
Özgül Hacim
Saflık
Şeffaf
8.000 cps
10 dakika
2 saat
0.91 cm3/gr
%100
Tablo 1.2. Oda sıcaklığında 7 gün bekledikten sonra yapıştırıcının performans değerleri
Yapışma Mukavemeti
T – Soyulma mukavemeti
Sertlik
Elektriksel Darbe Mukavemeti
158 kg/cm2
3-4 kg/cm2
83 Shore D
600 volt/mil
temizliği gerektirmeyen bir yapıştırıcı türüdür.
Welder yapıştırıcının fiziksel özellikleri ve
performans değerleri aşağıda tablolar halinde
verilmiştir [12].
2.1.2. Welder
Sertleştikten sonra geniş bir sıcaklık
aralığında basınç, yük, hava şartları ve neme
karşı mükemmel direnç gösteren ve aşırı yüzey
Tablo 1.3. Sertleşme öncesi yapıştırıcının fiziksel özellikleri
Renk
Viskozite
Özgül Hacim
Karışımla çalışma süresi
Tam kuruma süresi
Saflık
Kırık beyaz
55.000 cps
0.99 gr/cm3
3 dakika
4 saat
%100
120
Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin belirlenmesi
Tablo 1.4. Oda sıcaklığında 7 gün bekledikten sonra yapıştırıcının performans değerleri
Yapışma mukavemeti (Kumlanmış çelikte)
T – Soyulma mukavemeti
Sertlik
Elektriksel Darbe Mukavemeti
210 kg/cm2
35-40 kg/cm2
78 Shore D
600 volt/mil
şartlarına ve solventlere geniş ısı aralığında
mükemmel dayanım gösterir. Boşluk doldurur,
eksik parçaları tamamlar. %100 saf olup solvent
içermez. Oda sıcaklığında sertleşir [11].
2.1.3. 2 Ton Epoxy
Yüksek mukavemetli, büzülmeyen bir
yapıştırıcıdır.
Genelde
yalıtım
amacıyla
kullanılmakta olup darbeye, neme ve suya karşı
dirençlidir. Kristal şeffaflığındadır. Hava
Tablo 1.5. Sertleşme öncesi yapıştırıcının fiziksel özellikleri
Renk
Viskozite
Özgül Hacim
Karışımla çalışma süresi
Tam kuruma süresi
Saflık
şeffaf
8.000 cps
0.93 gr/cm3
8-12 dakika
12 saat
%100
Tablo 1.6. Oda sıcaklığında 7 gün bekledikten sonra yapıştırıcının performans değerleri
Yapışma mukavemeti (çelikte)
T – Soyulma mukavemeti
Sertlik
Elektriksel Darbe Mukavemeti
158 kg/cm2
2-3 kg/cm2
83 Shore D
600 volt/mil
2.3. Numunelerin Hazırlanması
2.2. Yapıştırıcıların Gerilme-Şekil Değiştirme
Özelliklerinin Belirlenmesi
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.
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 [13]. ASTM[14]’de tanımlanan
çekme deneyi uygulanarak gerilme-şekil
değiştirme davranışı tespit edilmiştir.
121
Bahattin İşcan, Hamit Adin, Aydın Turgut
Şekil 2.1. Bulk numune geometrisi
önce Erzurum Atatürk Üniversitesi Makine
Mühendisliği bölümünde geliştirilmiş olan bir
pres kullanılmıştır (Şekil 2.2).
Çalışmada kullanılan yapıştırıcıların basınç
ve sıcaklık altında kürleşmesinden dolayı hem
bulk hem de çeşitli yapıştırma bağlantı tiplerinin
üretilmesine olanak sağlayacak şekilde daha
Tablo 2.1. Yapıştırıcıların kürleşme zamanları ve özellikleri
Yapıştırıcı
Kürleşme Sıcaklığı
(°C)
Kürleşme Zamanı (dk.)
Soğutma Ortamı
Epoxy
100
120
Açık hava (40°C)
Welder
100
240
Açık hava (40°C)
2 Ton Epoxy
93
720
Açık hava (25°C)
*
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
22oC olan ortamda saklanmıştır.
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[15], 3-5 mm kalınlıkları
arasında hazırlanmış bulk numunelerden daha
doğru ve tekrarlanabilir veriler elde edildiğini
belirtmişlerdir.
Çalışmamızda
kullanılan
yapıştırıcıların kalınlığı 5 mm alınmıştır.
122
Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin belirlenmesi
Şekil 2.2. Bulk numune hazırlarken kullanılan sıcak pres makinesi[16]
kadar %50 den fazla şekil değiştirebilen
malzemelerde
yer
değiştirmeler
çene
pozisyonuna göre belirlenebilir [15].
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 527-2’de tavsiye
edilen 1 mm/dk ‘lık şekil değiştirme hızıyla
yüklenmiştir.
Çalışmamızda
kullanılan
yapıştırıcıların elastisite modülü denklem (2.1)
kullanılarak hesaplanmıştır.
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
E=
σ 2 −σ1
ε 2 − ε1
(2.1)
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
123
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 0 Δl
=
l0
l0
P ⋅ (1 + ε ) P ⋅ (1 + ε )
σ=
=
A0
b1 ⋅ h
ε=
3. 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.
(2.2)
(2.3)
Poisson oranı bulk numunelerdeki enine
şekil değiştirmenin boyuna şekil değiştirmeye
oranlanmasıyla bulunmuştur (Tablo 2.2).
(a)
(b)
124
Bazı Yapısal Yapıştırıcıların Mekanik Özelliklerinin belirlenmesi
(c)
Şekil 2.4. Yapıştırıcıların gerilme-şekil değiştirme diyagramı (a: Epoxy, b: Welder, c: 2 ton Epoxy)
yapıştırıcılarda
elastik
şekil
değiştirme
görülmüştür.
Campilho
ve
arkadaşları
yapıştırıcı
malzemelerin bulk numune testlerinde elde
edilen değerlerin aritmetik ortalamasının
alınması gerektiğini belirtmişlerdir [17]. 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.
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 0.8698, 0.8789 ve
0.9935’tir. Yani her biri yaklaşık birer doğru
oldukları için yapıştırıcılar akma noktasına
ulaşmadan
kopmuştur.
Dolayısıyla
Tablo 2.2. Yapıştırıcıların mekanik özellikleri
Yapıştırıcı
Test Metodu
Birim
Epoxy
Elastisite modülü
ISO 178
( MPa )
1680.55
Poisson oranı
ISO 527
( --- )
0.28
Welder
1924.57
0.30
2 Ton Epoxy
1581.38
0.28
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;
4. 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
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 0.8698, Welder’de 0.8789 ve
2 ton epoxy’de ise 0.9935) olarak elde edilmiştir.
Bu nedenle her üç yapıştırıcıda da elastik şekil
değiştirme gözlenmiştir.
3- 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.
4. Kaynaklar
9. Lees DE and Hutchinson AR, (1992), Mechanical
characteristics of some cold-cured structural
adhesives, Int. J. Adhesion and
Adhesive,
12(3):197–205.
10. 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):67–76.
11.http://www.poliya.com.tr/docs/poliya_polipigment
_color_catalog.pdf.
12.http://www.metsan-store.com/DEVCON
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):1A0101.
14. 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, 363-372.
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,
915-920.
3. Vinson, J.K., (1989), Adhesive Bonding of
Polymer Composites. Polymer Engineering and
Science, 29(19), 1325-1331.
4. Jeandrau, J.P., (1991), Analysis and Design Data
for Adhesively Bonded Joints. Int. J. Adhesion
and Adhesives, 11(2), 71-79.
5. 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, 35703582.
7. Lilleheden L. (1994), Mechanical properties of
adhesives in situ and in bulk, Int J. Adhesion and
Adhesive 14(1),31–7.
8. Jeandrau JP. (1986), Intrinsic mechanical
characterization of structural adhesives, Int. J.
Adhesion and Adhesive, 6(4):229–31.
126