Stiren butadien kauçuk ve etilen propilen dien kauçuk karışımlarının ısıl yaşlandırmalarının incelenmesi

Kauçuk bugünkü endüstrinin en önemli maddelerinden biridir. Kauçuklar yüksek esneklik ve dayanım, iyi yırtılma ve aşınma dayanımı, düşük deformasyon ve kolay işlenme gibi özelliklerinin kazandırdığı çok geniş bir kullanım alanına sahip polimerik malzemeler içinde önemli bir sınıftır. En önemli özelliklerinden biri uygulanan kuvvetin kaldırılmasıyla orijinal boy ve şekillerine geri dönebilen yapıya sahip olmalarıdır. Çapraz bağlanmamış ama çapraz bağlanma özelliğine sahip yüksek molekül ağırlıklı moleküllerden oluşurlar. Çapraz bağlanma yani vulkanizasyon, basınç altında, peroksit veya kükürt içeren yapının ısıtma işlemi sayesinde kimyasal yapı değişikliğine uğrayarak geri dönüşümsüz elastik özelliklere sahip bir duruma gelmesi işlemidir. Bu işlem sonrasında çapraz bağ atomları polimer zincirleri arasında kauçuğa direnç verecek ve kauçuğun elastik davranışını sağlayacak çapraz bağları oluşturmuş olur. Vulkanize kauçuğun özellikleri çapraz bağlanma şekline ve yoğunluğuna bağlıdır. Polimer zincirlerini bağlayan çapraz bağ miktarı arttıkça ortaya çıkan yapı yüksek kopma, sertlik, yırtılma değerlerine sahip olur. Bu özelliklerinden dolayı kauçuk türü malzemeler günlük yaşamın içinde her alanda yer almış bir mühendislik malzemesidir. Otomobil sektörü başta olmak üzere hortum, aks körükleri, kapı ve cam fitilleri, ayakkabı, düğme, tarak, yapıştırma solüsyonları, cam silecekleri, contalar ve transmisyon kayışları gibi günlük yaşamdaki birçok araç ve gereçte kullanılmaktadır. Kauçuklar, doğal (NR) ve sentetik kauçuk olmak üzere ikiye ayrılırlar. Poliisopren kauçuk (IR), butil kauçuk (IIR), butadiene kauçuk (BR), akrilonitril-bütadien kauçuk (NBR), polikloropren (CR), silikon kauçuk (Q), etilen-propilen-dien kauçuk (EPDM) ve stiren-bütadien kauçuk (SBR), başlıca kullanılan sentetik kauçuklardandır. Son yıllarda en hızlı gelişen Etilen propilen dien monomer (EPDM) en önemli sentetik kauçuklardan biridir. Yapısındaki çift bağ sayesinde EPDM kauçuklar yüksek doymamış özellikte NR, BR, NBR ve SBR gibi kauçuklarla karıştırılabilirler. EPDM kauçuğu denildiğinde ilk akla gelen özellik düşük camsı geçiş sıcaklığına sahip olmasıdır. Bu nedenle düşük sıcaklık özellikleri iyidir. Yüksek mekanik ve elektriksel özellik, yaşlandırmaya, ozona, polar çözücülere ve ısıya karşı direnci de sahip olduğu özellikleri arasındadır. Malzemenin bir diğer avantajı da dolgu ve yağ alabilme kapasitesine bağlı olarak maliyetinin oldukça düşük olmasıdır. Statik ve dinamik uygulamalarda özelliklerinin çok iyi olması nedeniyle hortum ve profiller basta olmak üzere otomotiv endüstrisi bu kauçuğun önemli bir payını oluşturmaktadır. SBR, stiren ve bütadien monomerlerini emülsiyon veya süspansiyon polimerizasyonu ile kopolimerleştirilerek elde edilen sentetik kauçuk türüdür. Bütadien/stiren oranı genellikle 75/25'tir. E-SBR kauçuklar 250000-800000 arasında ortalama molekül ağırlığı değerlerine sahiptirler. SBR özellikleri polimerizasyon tipine bağlı olarak farklılıklar gösterebilir. Örneğin, çözelti polimerizasyonu ile elde edilen SBR'nin işlenebilmesi E-SBR'den daha zor olmakla birlikte elastomerlerin aşınma mukavemetleri yüksektir ve dinamik çalışma sırasında ısı oluşumu (heat build-up) daha azdır. SBR özelliklerini etkileyen başka bir parametre ise stiren oranıdır. Stiren oranı arttıkça camsı geçiş sıcaklığı artar ve elastikiyet azalır. Bununla birlikte işlenebilmesi daha zor hale gelmesine rağmen mekanik özellikleri daha iyidir. En önemli kullanım alanı araç lastiği üretimidir. Bunun dışında teknik parçaların üretiminde (renkli ve beyaz mekanik eşyalar), hortum, konveyör kayışı, ayakkabı tabanı ve yapıştırıcı imalatlarında kullanılmaktadır. Kauçukların saf halde kullanılması pek mümkün değildir ve katkı maddeleri eklenerek sağlam malzemeler haline getirilmesi gerekir. Bu katkı maddeleri, çapraz bağlanma maddeleri, dolgu maddeleri, plastikleştiriciler, süreç hızlandırıcılar, yaşlanma önleyiciler, koruyucular, şişme ajanları, renklendiriciler ya da özel amaçlar için kullanılan malzemelerdir. Katkı maddelerinin eklenmesiyle, mekanik özelliklerin iyileşmesi, fiyatın düşmesi, iyi işlenebilme gibi özelliklerde artış gözlenir. Kauçuk özelliklerinin iyileştirilmesinde kullanılan etkili bir yöntem daha vardır, iki kauçuk türünün fiziksel karışımı yani "blend" oluşumudur. En az iki polimerin kimyasal bağ olmadan fiziksel karışımlarına blend adı verilir. Bu polimer karışım metodunun sonucunda genellikle iyileştirilmiş ısıl ve mekanik özelliklere sahip, daha düşük maliyetli ürün elde etmek hedeflenir. Tek başlarına kullanıldıklarında, etilen propilen dien kauçuk türünün ısı dayanımı, stiren bütadiene kauçuğun ise mekanik özellikleri kauçuk endüstrisinde kendilerine ait kullanım alanları yaratmıştır. Yapılan araştırmalarda, bu iki kauçuk türünün fiziksel karışımının gelişmiş ısıl dayanımı ve mekanik özellikleri sergilemesi beklenmiştir. Bu çalışmada, etilen propilene dien monomer kauçuk (EPDM) ve stiren bütadien kauçuk (SBR) türleri değişik oranlarda fiziksel olarak karıştırılmış ve ısıl yaşlandırma sonucu mekanik özellikleri incelenmiştir. Çalışmada 50 phr yağ içeren EPDM (EPDM 4465) ve yağ içermeyen EPDM (EPDM 4460) olmak üzere iki tip EPDM kullanılmıştır. 10 adet karışım EPDM 4465 ile 10 adet karışım 4460 ile laboratuvar tipi banbury karıştırıcısında daha sonra da laboratuvar tipi kauçuk milinde hazırlanmıştır. Her iki set için de aynı kauçuk reçetesi kullanılmış olup peroksit ile vulkanizasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Karışımların camsı geçiş sıcaklıkları (Tg) ve pik sıcaklıkları diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile belirlenmiştir. Yeterli sıcaklık aralığı sağlanamadığı için DSC eğrilerinde Tg gözlemlenememiş, pik alanından faydalanılarak kristallenme dereceleri hesaplanmıştır. Karışımların pişme zamanı ve pişme karakteristikleri, 150 oC sıcaklıkta, reometre cihazı (MDR) ile belirlenmiştir. Reometre ile kauçuk karışımının vulkanizasyonu sırasındaki akma davranışı ve minimum viskozite (ML), maksimum tork değeri (MH), malzemenin yayılmaya başladığı süre (ts1), ön pişme süresi (ts2), ML-MH aralığındaki tork değerinin % 90'ını elde edebilmek için geçen süreyi ifade eden optimum pişme süresi (t90) gibi kauçuk malzemenin pişme davranışı hakkında önemli bilgiler veren değerler elde edilmiştir. Karışımların pişme süreleri içerisinde bulunan SBR miktarına göre 23 ile 24 dakika arasında değişmektedir. ML ve MH değerleri EPDM kauçuğun değerleri ile karşılaştırıldığında 80:20 (EPDM:SBR) oranlı karışım hariç azalma göstermektedir. Karışımların vulkanizasyon işlemi, reometrede belirlenen pişme süreleri doğrultusunda hidrolik preste 150 °C'de gerçekleşmiştir. Örnekler 2 mm kalınlığında plakalar halinde hazırlandı. Hazırlanan örnekler ASTM D412 standardına göre kesme aletiyle papyon şeklinde kesildi. Numunelerin bir kısmı 125 oC ve 168 saat etüvde bekletilerek ısıl yaşlandırma işlemleri gerçekleştirildi. Yaşlandırma öncesi ve sonrası örneklerin mekanik özellikleri (kopma dayanımı, kopmadaki uzama değerleri) 500 mm/dk çekme hızıyla gerçekleşen çekme testiyle belirlendi. Karışımlardaki SBR miktarlarına bağlı olarak kopma dayanımında ve kopmada uzama değerlerinde değişiklikler gözlemlenmiştir. Yaşlandırma öncesi ve sonrası testlerinde elde edildiği üzere EPDM miktarı azaldıkça karışımların kopma dayanımı ve uzama değerlerinde düşüş görülmüştür. Karışımlardaki SBR miktarı arttıkça yaşlandırma sonrası kopma dayanımı ve uzama değerlerindeki düşüş yüzdesinde artış belirlenmiştir. Sertlikler Shore A tipi sertlik ölçüm cihazı ile belirlendi. SBR eklenmesi ile sertlik az oranda artış göstermiştir. Aşınma dayanımı EN ISO 4649 standartlarına uygun şekilde aşınma dayanımı test cihazında belirlendi. Karışım içindeki SBR miktarı %50 olana kadar artan aşınma dayanımı, SBR miktarı çoğunluktayken düşüş göstermiştir. Bütün testler sonucu geliştirilmiş ve en iyi test değerlerine sahip olan blend, her iki EPDM için de 80:20 oranlı EPDM/SBR karışımı olduğu belirlenmiştir.