Grafit ile güçlendirilmiş etilen propilen dien monomer (EPDM) karışımlarının servis ömrünün belirlenmesi
Determination of service life time of ethylene propylene diene monomer (EPDM) reinforced with graphite
Yazar: EZGİ ERBEK CÖMEZ
Danışman: DOÇ. DR. HALİT LEVENT HOŞGÜN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Etilen propilen dien kauçuğu = Ethylene propylene mold rubber ; Vulkanize kauçuk = Vulcanized rubber

Özet:
Kauçuk malzemeler vulkanizasyonun bulunmasıyla beraber günümüzde birçok alanda sıkça kullanılmaya başlanmıştır. Bu malzemeler otomotiv, beyaz eşya, uçak ve roket sanayi, demir yolu ve inşaat gibi sektörlerde önemli bir yere sahiptirler. Kauçuk parçaların bu denli kullanımı servis ömrünün ve kauçuk çeşitliliğinin önemini de arttırmaktadır. Her kauçuk tipinin kendine özgü özellikleri bulunmaktadır ve kullanım alanlarına göre özel malzeme ilaveleriyle bu özellikler daha da geliştirilebilmektedirler. Etilen Propilen Dien Monomer (EPDM) kauçuğu özelliklerinden dolayı en çok kullanılan kauçuklar arasındadır ve özel malzemeler kullanılarak eksik yönlerinin iyileştirilebilmesi mümkün olan bir kauçuk türüdür. 
Bu çalışmanın amacı EPDM kauçuk kullanılarak oluşturulmuş EPDM karışımına toz grafit malzemenin ilavesinin hem mekanik özelliklerine hem de servis ömrüne etkisinin araştırılmasıdır. Bunun için çalışma kapsamında dört farklı türde karışım oluşturulmuştur. Karışım reçetelerine özel malzeme olarak toz grafit (EPDM GP) ve toz grafitin modifikasyonları (fosforik asit modifikasyonu (EPDM GP-PA) ve ısıl işlem modifikasyonu (EPDM GP-HT)) 10 phr miktarında eklenmiş, saf karışım reçetesiyle (EPDM 0) karakterizasyon özellikleri, mekanik değerleri ve servis ömürleri karşılaştırılmıştır. Bu bağlamda ilk önce grafit ve modifikasyonlarının karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Karakterizasyon analizleri için X-ışın kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu analizi (SEM) ve azot adsorpsiyon/desorpsiyon analizi (BET) yapılmıştır. Daha sonra kauçuk karışımlarının reolojik değerleri, viskoziteleri, sertlikleri, kopma mukavemetleri, modül değerleri, uzamaları, yoğunlukları, külleri ve çapraz bağ yoğunlukları analiz edilmiştir. Ayrıca karışımlara 100 °C, 130 °C ve 160 °C'de sıcak havada yaşlandırma testleri yapılmıştır. Yaşlandırmalar 100 °C için 7 ayrı sürede (72h, 144h, 288h, 384h, 624h, 1440h ve 2400h), 130 °C için 7 ayrı sürede (48h, 72h, 144h, 288h, 384h, 624h ve 960h) ve 160 °C için de 7 ayrı sürede (12h, 24h, 72h, 96h, 120h, 144h ve 168h) yapılmıştır. Yaşlandırma sonunda tüm karışımların mekanik değerlerindeki ve çapraz bağ yoğunluklarındaki değişimler incelenmiştir. Yaşlandırma sonunda ilk değerinden %50 değişim gösteren uzama verileri baz alınıp Arrhenius eşitliği kullanılarak tahmini servis ömürleri hesaplamaları için denklemler oluşturulmuştur. Oluşturulan denklemlerden 110 °C, 120 °C, 130 °C, 140 °C ve 150 °C'deki servis ömürleri hesaplanmıştır.
Karakterizasyon analizleri sonucunda grafit ile modifikasyonları karşılaştırılmış, XRD analizi sonucunda modifikasyonların malzemenin kristal yapısını etkilemediği, SEM analizi ile morfolojik yapılarının benzer olduğu, BET analiziyle ise modifikasyonların grafite göre yüzey alanı, gözenek boyutu ve hacminde değişiklik yarattığı gözlemlenmiştir. Yapılan mekanik değer incelemesinde grafit ve modifikasyonlarının kauçuğun mekanik değerlerine olumlu etki ettiği görülmüştür. Grafitin karışıma katılmasıyla karışımın yanma eğiliminin arttırdığı ancak fosforik asit modifikasyonlu grafitin karışıma katılmasıyla karışımın yanma eğiliminin azalttığı, iyileştiği görülmektedir. Bununla beraber karışıma grafitin eklenmesi çapraz bağ yoğunluklarını (CLD) da arttırmaktadır ancak fosforik asit ile modifiye edilmiş grafitin eklenmesiyle bağlar arasında açılma görülmüştür. Yaşlandırma sonrası uzama değerlerindeki %50 değişim baz alınarak oluşturulan tahmini servis ömrü denklemlerinden karışımların içinden en yüksek servis ömrü EPDM GP-PA karışımında çıkmıştır. Tüm karışımların servis ömürleri birbirleriyle karşılaştırıldığında ise karışıma grafit veya modifikasyonlarının katılması karışımın servis ömrünü uzattığını göstermiştir.

Abstract:
Rubber materials have been widely used in many fields since the discovery of vulcanization. These materials have an important place in sectors such as automotive, white goods, aircraft and rocket industry, railway and construction. The extensive use of rubber parts increases the importance of service life and rubber diversity. Each type of rubber has its own unique properties, and these properties can be further improved with special material additives depending on their usage areas. Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM) rubber is one of the most commonly used rubbers due to its properties, and it is a type of rubber that can be improved by using special materials to address its shortcomings.
The aim of this study is to investigate the effect of adding graphite powder to the EPDM mixture created using EPDM rubber on both its mechanical properties and service life. For this purpose, four different types of mixtures were created within the scope of the study. Graphite powder (EPDM GP) and modifications of graphite powder (phosphoric acid modification (EPDM GP-PA) and heat treatment modification (EPDM GP-HT)) were added to the mixture recipes in a quantity of 10 phr as special materials, and their characterization properties, mechanical values, and service lives were compared with the pure mixture recipe (EPDM 0). In this context, first, the characterization analyses of graphite and its modifications were performed. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy analysis (SEM) and nitrogen adsorption/desorption analysis (BET) were performed for characterization analyses. Then, the rheological values, viscosities, hardnesses, tensile strengths, modulus values, elongations, densities, ashes, and crosslink densities of rubber mixtures were analyzed. In addition, aging tests were performed on the mixtures in hot air at 100 °C, 130 °C, and 160 °C. Aging was performed for 7 different periods for 100 °C (72h, 144h, 288h, 384h, 624h, 1440h, and 2400h), 7 different periods for 130 °C (48h, 72h, 144h, 288h, 384h, 624h, and 960h), and 7 different periods for 160 °C (12h, 24h, 72h, 96h, 120h, 144h, and 168h). Changes in the mechanical values and crosslink densities of all mixtures were examined after aging. Equations were created using the Arrhenius equation based on the elongation data that showed a 50% change from the initial value after aging for the calculation of estimated service life. Service lives at 110 °C, 120 °C, 130 °C, 140 °C, and 150 °C were calculated from the equations created.
As a result of the characterization analyses, graphite and its modifications were compared, and it was observed that the modifications did not affect the crystal structure of the material according to XRD analysis, their morphological structures were similar according to SEM analysis, and the modifications created changes in the surface area, pore size, and volume of the graphite according to BET analysis. In the mechanical value examination, it was observed that graphite and its modifications had a positive effect on the mechanical values of the rubber. It was observed that adding graphite to the mixture increased the tendency of the mixture to burn, but the addition of phosphoric acid-modified graphite to the mixture reduced this tendency and improved it. In addition, adding graphite to the mixture also increased the crosslink densities (CLD), but opening between the bonds was observed with the addition of graphite modified with phosphoric acid. The mixture with the highest service life was found to be EPDM GP-PA mixture from the estimated service life equations created based on the 50% change in elongation values after aging. When the service lives of all mixtures were compared with each other, it was shown that adding graphite or modifications to the mixture extended the service life of the mixture.