Modelling, Processing And Mechanical Properties Of Aspartic Polyurea

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Güncel endüstriyel dünyamızda polimerlerin çok geniş kullanım alanı mevcuttur.Polimerler ve elastomerler bilinen yapı malzemeleri olmalarının yanında,günümüzde birçok endüstüriyel uygulamada mekanik komponentler ve sistemler tasarımında geniş bir kullanım alanına sahiptiler. Bu kadar geniş alanda kullanılmalarının sebebi ise ekonomik olmaları ve diğer geleneksel malzemelerin hata verdiği spesifik, özel uygulamalarda yapılarına özgü karakteristikleri nedeni ileuyum içinde çalışabilmeleridir. Polimerler ve elastomerler ağır çekmeye karşı çok dirençlidirler. Poliürea, pre-polimer ile diizosianat adındaki özel bir sertleştiricinin reaksiyonu neticesinde ortaya çıkan bir tür polimerdir. Elastomerler karmaşık mekanik ve reolojik davranışlar gösterirler. Yük altındaartan küçük gerilme veya zorlanma değerleri ile beraber kırılmadan önce çok böyük deformasyonlara ulaşabilirler. Ayrıca, gerilme va zorlanma değerleri arasında kuvvetli doğrusal olmayan bir ilişki vardır. Hiperelastik modeller malzemenin quasi statik olarak yapıya uygulanırlar. Literatürde, küçük va büyük deformasyonlarda hiperelastik için çeşitli modeller önerilmiştir. Poliüre gerçekten dikkate değer bir kaplama, koruma ve derz dolgusu teknolojisidir ve çok geniş çeşitlilikteki uygulamalarda kullanılabilir. Poliüre kaplamaları ve korozyondan koruma ve aşınma direnci sağlama amacıyla, çoğunlukla beton ve çelik üzerinde kullanılırlar. Sahip oldukları son derece hızlı kuruma süreleri, yüksek esneklik, açık hava şartlarına karşı aşırı direnç ve aşınma mukavemetleri sayesinde, geleneksel malzemelere kıyasla sayısız avantaj sağlarlar. Poliürea, akademinin ve endüstrinin araştırma konuları arasında kendine yer bulmaktadır, çünkü geliştirmek için oldukça müsaittir. Poliamin ile diizosianatin birlikte reaksiyona girerek bu değişimi oluşturmaktadır. Bu çalışmada, poliaspartik poliürea’nın mekaniksel özellikleri üzerine odaklanıldı ve bir sonraki adımda mekanik modellemesi yapıldı. Belirtildiği gibi, poliürea çoğunlukla kaplamalarda kullanılır. Örneğin, spor salonu zeminleri çok sert olmasına rağmen aynı zamanda belirli bir esnekliğe de sahip olması gerekmektedir. Bu noktada poliürea’dan istifade ederek istenilen sonuca varılabilmektedir. Standart stokiyometrik tablolardan rasgele seçim ile tek eksenli sıkışma testi için yedi numune ve tek eksenli çekme testi için yedi numune ürettik. Ayrıca Box-behnken stoikiometrik tablo itibaren 15 numune her tek eksenli testler için hazırlandı. Çeşitli kalıplar üretildi ve test edildi. Sıvı poliüre kalıpların içine döküldü ve katılaşmaya izin verilde sonra istenilen boyutlar şekillerinde kalıplardan çıkartıldı. Bu çalışmada kimyasal parametreleri ve üretim parametreleri değiştirilerek farklı türlerde poliürea üretimi gerçekleştirilmiştir. Poliürea üretimi üç parametrenin değişimi ile gerçekleştirilmiştir. Bu üç parametre; kompozisyon, polimerizasyon karıştırma hızı ve polimerizasyon sıcaklığıdır. Üretim farklı mekanik davranışlar ve üretim parametrelerinin karşılaştırılmasıyla yapılmıştır. Bu çalışma esnasında, reaksiyon sonucu karbondioksit gazının üretilmesi birçok problem yaratmış ve birçok probleme sebebiyet vermiştir. Bu problemin üstesinden gelmek adına katkılar kullanıldı, viskozite düşürüldü, solventler kullanıldı ve formülasyon değiştirildi fakat hiçbir şekilde laboratuvarda bulunan tezgahlar ile köpüklerin üretilmesi engellenemedi. Ayrıca bu çalışmada farklı üretim yöntemleriyle ve kompozisyon oranlarıyla hazırlanmış poliürea örnekleri deneyler ile poliaspartik poliürea üretiminde kullanılmıştır. Malzeme davranışı karakterizasyonu için çalışılan malzemelerle sıkıştırma testleri yapıldı. Uygun üretim yönteminin belirlenmesi ve endüstride kullanılması en uygun ürünü belirlemek için sonlu elemanlar analizi ile elde edilen test verileri kullanıldı. Daha sonra elde edilen veriler uygun bir hiperelastik modeli oluşturmak için ABAQUS yazılımı içine uygulandı. Oluşturulan model bize poliürea’ya ait karmaşık analiz sonuçlarını gösterecektir. En uygun olanlar esneklik, dayanıklılık ve sertlik özellikleridir. Bu özellikleri oluşturmak için standart mekanik testler yapılmıştır. Deney sonuçlarını analiz ettikten sonra mühendislik gerilim ile mühendislik gerinim grafikleri her numune için hazırlanmıştır. Modellenen numune ile laboratuvarda hazırlanan numunelerin karşılaştırmasından datalar alındı. Bu datalar elimizdeki deneysel dataların yerine kullanılabilir. Modellemeden elde edilen veriler ile gerçek numunenin hakkında çok değerli sonuçlara varılabilir. Numunelerin arasındaki farklar tartışılarak en doğru yönteme modellemek için karar verilmiştir. Tek eksenli çekme veri noktaları düzensiz ve dağınık. Bu sorun malzeme ağı içinde tutarlısızlıki gösterdi. Sebebi’de hapsolmuş kabarcıklar. Ana şebekede yer alan kabarcıklar yapıştırma kuvvetlerin zayıflamıştır. Bu nedenle gerilim şebekeye uygulandığı zaman polimer zincirleri kabarcikların bulunduğu yerden çökmeğe başliyor. Elde edilen sonuçlara göre uygulanan gerilime göre sonuçtaki grafikler dalgalı bir şekilde yükselip ve azaliyor. Poliüre sıkıştırılamaz olduğu belirlendi. Sıkıştırılabilirlik hacim azaltmak için hidrostatik basnç altında bir değer tarif edilmektedir. Materiyal mukavemet denklemlerine göre poisson oranı 0.5 ise, hacim modülü sonsuza gidecek. Bu araştırmada kompozisyon oranı akımı en önemli değişken olduğu sonucuna varılmıştır. Özellikle NH 1420 mukavemet ve uzamada yoğun bir rol gösterdi. Sıcaklığın etkisi ihmal edilebilir değildir. Belirli sıcaklık aralıklarda polimerizasiyonu başlatmak özel bir ürüne sebep olacaktır. Kabarcıkların miktarı, görsel gözlem ve performans sonuçlarına göre azalmaktadır, ancak tamamen ortadan kalkmaz durumla karşılaştık. Ele edilen modeller, tüm deneysel tek eksenli gerginlik verileri tatmin edemedi. Bu konuya göre bazi tahminler yaptık. Karşılaşdığımız eksikler CO$_{2}$ kabarcıklarının olduğuna ifade edilir. Kabarcıkların bulunduğu yer, stres konsantrasyonu ve bunun sonucu olarak çatlak oluşturulması için müsait bir yer almaktadır. Kabarcıkların konsantre olduğu yerler çatlakların büyümesi için en musait yerdir. Buna göre, malzeme testleri kolayca başarısız olabilir. İkinci problem gerinme oranı olduğu anlaşıldı. Tek eksenli çekme testi için 5 mm / dakika arındırılmıştır, ama test sonuçlarına göre uygulandığı çekme oranı yüksek olduğu belirletildi. Kabarcıkların konsantre olduğu yer ve hızlı çekme oranı numunenin çok erken kopmasına sebep olmuştur. Yukarıdaki oluşan problemler nedenile bizim maddemiz gerçek davranışını tek eksenli çekme testinde gostermedi. Sonuçlar ifade ettiğine göre Ogden ve Reduced Polynomial hiperelastik modeleri gerçekleşti. Bu modeller hata çok yüksek basınçlarda bile gerçekleşebilirler. ASTM standartlarına göre basma testi 60\% kadar yapılır. Ogden ve Reduced Polynomial hiperelastik modeleri hatta 60\%’den fazla basmalarda çok dikkatlı sonuçlar gösterdi. Bizim testler poliüre statik yük yönleri için güçlü ve yararlı olduğunu gösterdi. Aynı zamanda tüm testler, oda sıcaklığında ve sürekli gerilme oranlarında yürütüldü. Yapılan testler statiksel sonuçlar için yapılmıştır. Dinamiksel sonuçlara (darbe, patlama ve termal gerilme) varmak için farklı testler yapılması gerekiyor. Dinamiksel testleri için tek eksenli çekme ve basma testleri çok yüksek hız ve yüksek sıcaklıklarda doğru sonuçlara varmak için yapmak zorundayiz. Bir sonraki çalışmalarda viskoelastik davranışları incelemek için viskoelastik testleri yapılması gerekiyor ve bu yapılan testlerin sonuçlarından ve onceki hiperelastik testlerden doğru hiper-viskoelastik modellenmesi yapılacaktır. İmalat protokolü ve mekanik özellikleri ve uygun karşılık gelen modelin malzeme katsayıları sergilendi, ayrıca en iyi numune tabelolarda tanımlandı.Nowadays, polymers are used widely in almost every up-to-date industry. They show high levels of strength-to-weight ratios. Polyurea is a kind of polymer that made of reaction between pre-polymers and specific hardener (diisocyanate). Today’s industries are particularly interested in replacing components of their vehicles and parts with reinforced polymers like polyurea and polyurethan. Polyurea has attracted both academic and industrial interests because of capacity to create a dramatic enhancement in properties at various of compounds of diisocyanate and polyamines. Generally, in current study we tried to derive mechanical properties of aspartic polyurea and then attempted to build a proper mechanical model for fabricated material properties. Polyurea has many applications such as coating. For instance, at sport saloons the floor coating must have maximum stiffness beside flexibility. Somewhere else may be there is a need to have a good strength beside sufficient softness against impact loads. During this research the major problem was the creation of gas foams. By studying the stoichiometry and chemometric observations of the reaction it was obtained that these foams were made of carbon dioxide. There were many methods to omit these foams such as using anti-foam additives, carbon dioxide absorber additives, decreasing viscosity and using bubble evacuation system (vacuum). According to our available facilities and tools, we were just able to use anti-foam additives and unfortunately we were unable to omit this malfunction completely, but by controlling process conditions we reduced the amount of bubbles to the lower level. We performed two kinds of experimental test on various polyurea samples. Also different fabrication methods and composition ratio have been used to fabricate modified aspartic polyurea. Uniaxial tension and uniaxial compression tests were performed to characterize the behavior of the materials. In order to choose the appropriate manufacturing protocol and the suitable enhancement for industrial usage a parametric analysis utilized to choose best material in aspect of strength and mechanical properties. Then the extracted data were imported into ABAQUS to capture a suitable hyperelastic model. The evaluated model gave us the ability of future and complex analysis of polyurea in the several mechanical conditions. We were able to produce different kind of polyurea by interfering and changing initial chemical and manufacturing parameters. We aimed on exchanging three parameters of polyurea. These parameters were composition, polymerization mixing speed and polymerization temperature. We attempted to produce different mechanical behavior and measured these parameters to select and compare them with their manufacturing parameters. The best ones contained suitable property of flexibility, strength and stiffness. To achieve these features, after manufacturing several unique samples, the standard mechanical tests carried out. After analyzing the experimental procedures in the result chapter the engineering stress vs, engineering strain curves represented for each sample. By performing data curve fitting process the material coefficients extracted. These coefficients can be recorded as material properties and they would be used instead of raw experimental data. For instance, to analyze a composite plate made of two layers of steel and polyurea there won’t be need to insert uniaxial test data to our finite element analyzer machine and these elicited material coefficients would be adequate. As a discussion, we debated about selecting best manufacturing parameters among outputs. By comparing differences between each sample we chose the appropriate manufacturing protocol. It was resulted that polyurea was mechanically strong, specifically in terms of strength to weight. The results showed that the materials have interesting behavior when they uniaxialy compressed, in other word polyurea had very high compressive strength and after unloading the material showed its viscoelastic nature. Polyurea was able to support million times its own weight. we concluded that the polyurea can be utilized to applications that requires high compressive strength and high strain values. The results expressed that the Yeoh and Ogden hyperelastic models can predict the elastic mechanical behaviour of polyurea samples even under large strain compression. Also it is notable that the Observations through the tests showed that the polyurea was strong and useful for static load aspects, also whole tests carried out in room temperature and constant strain rates, so then for those applications which are under dynamic loads or in intense load conditions (impact, explosion and thermal stress-strain problems), extended tests are required. In other words, dynamic mechanical analysis should take place for understanding strength and strain at various strain levels and temperatures. In the next studies the viscoelastic behaviors also should be considered and relative parameters should be obtained then joint with available hyperelastic parameters in this study to build up a very constitutive hyper-viscoelastic model.Yüksek LisansM.Sc