Farklı oranlarda grafen içeren elastomerlerin mekanik, dinamik ve termal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical, dynamic and thermal properties of graphene-containing elastomers in different amounts
Yazar: GÖZDE KURU
Danışman: PROF. DR. FEZA GEYİKÇİ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Butadien = Butadiene ; Doğal kauçuk = Natural rubber ; Grafen = Graphene ; Kauçuk = Rubber

Özet:
Kauçuk reçetesinde kauçuk karışımlarının kuvvetlendirilmesi, işlenebilme özelliklerinin geliştirilmesi, karışım maliyetinin düşürülmesi veya karışımın renklendirilmesi amacıyla çeşitli dolgu maddeleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada
geleneksel dolgu maddeleri yerine oldukça önem kazanan grafen dolgu malzemesi olarak kullanılmıştır.  Bu çalışma kapsamında grafenin varlığının ve miktarının mekanik, dinamik, aşınma ve termal özelliklere etkisini incelemek adına sekiz reçete oluşturulmuştur. Grafenin bütadien kauçuk ve bütadien kauçuk/doğal kauçuk (BR/NR) karışımında 0, 1, 3, 5 phr (per hundred rubber yani "yüz kısım kauçuk") kullanılmasıyla mekanik, dinamik, aşınma ve termal özellikleri üzerine etkisi araştırılmıştır ve karışıma grafen ilavesiyle bu özelliklerin iyileştirilmesi hedeflenmiştir.  Hazırlanan her karışım için RPA kullanılarak pişme karakteristikleri belirlenmiştir. Grafen ilavesi ve miktarının çapraz bağ yoğunluğu, depolama modülü, kopma mukavemeti, kopma uzaması, tan delta, rijitlik modülüsü, sertlik, aşınma kaybı, TGA kullanılarak termal bozunma sıcaklığı ve FTIR cihazı kullanılarak elde edilecek spektrumlara etkisini analiz etmek üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Ayrıca grafenin karışım içerisindeki dağılımını incelemek için SEM analizi yapılmıştır. Yapılan testler sonucunda 5 phr grafen ilavesiyle bütadien kauçuk ve bütadien kauçuk/doğal kauçuk karışımlarının çapraz bağ yoğunluğunda sırasıyla %12,85 ve %22,63 artış görülmüştür. Bütadien kauçuk ve bütadien kauçuk/doğal kauçuk karışımlarına aynı miktarda grafen ilavesiyle depolama modülü sırasıyla %10 ve %17,25, kopma mukavemeti sırasıyla %61,5 ve %239 artmıştır. Kopma uzaması karışıma 5 phr grafen eklendiğinde bütadien kauçukta %23,75, bütadien kauçuk/doğal kauçuk karışımında %49 artmıştır. 5 phr grafen ilavesiyle rijitlik modülüsü bütadien kauçukta %18,57, bütadien kauçuk/doğal kauçuk karışımında %24,78 artmıştır. Bütadien kauçuklu reçetelerde sertlik 5 phr grafen yüklemesiyle %6, bütadien kauçuk/doğal kauçuklu karışımlarda %14,6 artmıştır. FTIR sonucunda ise karışımlara grafen ilavesiyle genel olarak piklerin şiddetlerinde azalma görülmüştür. 5 phr grafen ilavesiyle termal bozunma sıcaklığı bütadien kauçuk karışımında 371,83 °C'den 391,44 °C'ye yükselmiştir. Bütadien kauçuk/doğal kauçuk karışımında ise bu değer 320,57 °C'den 343,06 °C'ye yükselmiştir. Grafen miktarı arttıkça bütadien kauçuk ve bütadien kauçuk/doğal kauçuk karışımlarının aşınma kaybının azaldığı tayin
edilmiştir.

Anahtar Sözcükler: Bütadien kauçuk, Doğal kauçuk, Grafen

Abstract:
Various fillers are used in rubber formulation to strengthen the rubber compounds, improve processing properties, reduce cost and color the compound. In this study graphene was used as filler instead of traditional fillers. Many properties of compounds can be improved by adding small amount of graphene to polymers.  Within the scope of this study, eight formulations were prepared to examine the effect of presence and amount of graphene on mechanical, dynamic, abrasion and
thermal properties. The effect of graphene on mechanical, dynamic, abrasion and thermal properties of butadiene rubber and butadiene rubber/natural rubber (BR/NR) compound by using 0, 1, 3, 5 phr (per hundred rubber) has been investigated and it is aimed to improve these properties by adding graphene to compound.  For each prepared compound, the vulcanization characteristics were determined using RPA. Studies were carried out to analyze effect of graphene amount and addition on crosslink density, storage modulus, tensile strength, elongation at break, tan delta, stiffness modulus, hardness, abrasion loss, thermal degradation temperature using TGA and spectra to be obtained using FTIR. In addition, SEM analysis was performed to examine the distribution of graphene. As a result of the tests, with the addition of 5 phr graphene, the crosslink density of butadiene rubber and butadiene rubber/natural rubber compound increased by 12,85% and 22,63%, respectively. By adding same amount graphene to butadiene rubber and butadiene rubber/natural rubber, the storage modulus increased by 10% and 17,25%, and the tensile strength increased by 61,5% and 239%, respectively.
Elongation at break increased by 23,75% in butadiene rubber and 49% in butadiene rubber/natural rubber when 5 phr graphene was added. With addition of 5 phr graphene, stiffness modulus increased 18,57% in butadiene rubber and 24,78% in butadiene rubber/natural rubber. The hardness increased by 6% with 5 phr graphene loading with butadiene rubber, and 14,6% with butadiene rubber/natural rubber. As a result of FTIR, with addition of graphene, a decrease in the peak intensity was observed in general. With addition of 5 phr graphene, the thermal decomposition temperature increased from 371,83 °C to 391,44 °C in the butadiene rubber. In the butadiene rubber/natural rubber, this value increased from 320,57 °C to 343,06 °C. It has been determined that the abrasion loss of butadiene rubber and butadiene rubber/natural rubber decreases as the amount of graphene increases.

Keywords: Butadiene rubber, Natural rubber, Graphene