Kalsiyum karbonat dolgu malzemesinin kaynaklı ve kaynaksız pe100 polietilen boruların mekanik ve fiziksel özelliklerine etkisinin incelenmesi
Optimization of short and long term performance effects of mineral fillers on polyolefin pipe grade materials
Yazar: İLBEYİ KILAVUZ
Danışman: PROF. DR. PAŞA YAYLA
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Plastik borular geçtiğimiz yüzyılın başlarından beri hayatımızda yer almaktadır.  Mekanik özelliklerini iyileştirmesi ve rijitliklerini arttırması sebebiyle atık su hatlarında kullanılan basınçsız plastik borularda uzun süreden beri kalsiyum karbonat, talk gibi dolgu maddelerinin kullanıldığı bilinmektedir.  Ancak bu özelliklere sahip dolgu maddeleri içme suyu, doğalgaz gibi basınçlı boru hatlarında kullanılmamaktadır. 
Çalışmamızda içme suyu borusu yapımında kullanılan PE100 polietilen ile yaygın kullanılan 5?m, 2,15?m, 1,65?m ortalama çapında kalsiyum karbonat dolgu malzemesi hacimce %10, %15 ve %20 oranında ekstrüderde harmanlanmıştır.  Bu malzemeden enjeksiyon kalıplama ile çekme numuneleri ve ekstrüder ile SDR 11 sınıfı borular üretilmiştir.  Saf ve katkılı borulara iç basınç testleri uygulanmış kalsiyum karbonat dolgu malzemesinin iç basınç dayanımını önemli oranda düşürdüğü tespit edilmiştir.  Katkılı ve katkısız PE100 polietilen borular alın kaynağı metodu kullanılarak kaynak yapılmış, kalsiyum karbonat dolgu maddesinin kaynak kabiliyetine etkisi incelenmiş ve dolgulu malzemelerin kaynak edilebilmesinde olumsuz bir etki oluşmadığı tespit edilmiştir.
SEM ve stereo mikroskop ile yapılan görüntü analizlerinde çentik darbe testi numunelerinde katkılı polimerlerin dolgu matris arayüzey bağlanmalarının iyi olmadığı, ekstrüzyonla üretilen numunelerde boşluklar bulunduğu tespit edilmiş, dolgu malzemesinin parçacık çapına göre darbe dayanımını artırıcı veya azaltıcı etki yapabildiği belirlenmiştir.  İç basınç altında çevresel ve eksenel gerilmeye maruz kalan borularda mineral dolgunun gerilme yığılmasına yol açarak çatlak başlangıcına sebep olduğu, bu durumun katkılı borularda hasarın gevrek ve sünek özelliği bir arada göstermesi sonucunu doğurduğu görülmüştür.
Poliolefin plastiklerde önemli hasar mekanizmalarından biri olan çevresel gerilme çatlağı (ESC) görünür bir uyarı olmadan vahim sonuçlara sebep olabilir.  ESCR test numuneleri en yaygın metot olan ASTM-D 1693 ile test edilmiş ve sonuçlar incelenmiştir.  Dolgulu PE100 borularda yavaş çatlak ilerlemesinin izlenmesi için ESCR testleri yerine iç basınç testleri yapılmasının daha tatminkâr sonuçlar verdiği belirlenmiştir.

Abstract:
Plastic pipes are a part of our lives since the beginning of the last century.  It is known that evaluating mechanical properties and increasing rigidity fillers like calcium carbonate and talc are being used in unpressurized pipes used in the waste water lines.  But these fillers are not used in pressurized polyolefin pipes like potable water and natural gas lines.
In our study PE100 polyethylene material used in potable water lines and widely used filler calcium carbonate mean size diameters are 5 ?m, 2,15 ?m, 1,65 ?m  is mixed with %10, %15 and %20 volume fractions.  Injection moulded tensile testing samples and SDR 11 type pipes are prepared using these mixtures.  Unfilled and filled samples are exposed to inner pressure tests.  The addition of calcium carbonate filler has significantly reduced internal pressure strength.  Filled and unfilled PE100 polyethylene pipes were jointed using butt-welding method; effect of calcium carbonate filler on weldability of polyethylene pipes were investigated and no adverse effects are established.
Cavities were detected in the microstructures of extrusion molded samples.  Poor interfacial bonding between matrix and fillers was detected by visual investigations made using SEM or stereo microscope.  Reducing or increasing impact resistance was determined depending on the particle diameter.  Mineral fillers are seen to cause stress concentrations and crack initiations in pressurized pipes exposed to circumferential and axial stresses thus this situation caused both ductile and brittle damage. 
One of the main failure mechanisms of polyethylene which can cause a catastrophic damage is ESC (Environmental Stress Cracking) without any visible warning.  ESCR samples were tested according to ASTM ?D 1693 and results were investigated.  Internal pressure test results were found more satisfactory compared to ESCR testing to observe slow crack growth in filled PE100 pipes.