Vollastonitin doğal kauçuk karışımlarındaki yapışma ve mekanik özelliklere etkisi
The effect of wollastonite on adhesive and mechanical properties in natural rubber compounds
- Tez No: 976397
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞEHRİBAN ÖNCEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Doğal Kauçuk, Dolgu Maddesi, Elyaf, Karbon Siyahı, Vollastonit, Natural Rubber, Filler, Rayon, Carbon Black, Wollastonite
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Kocaeli Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Doğal kauçuk (NR), yüksek elastikiyet, mükemmel dinamik dayanım ve üstün yapışma özellikleri ile otomotiv, havacılık ve mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılan stratejik bir polimerdir. Bu avantajlarına rağmen, saf NR'nin mekanik dayanımı ve servis ömrünü arttırmak için dolgu maddeleriyle takviye edilerek performansı artırılmaktadır. En yaygın takviye edici dolgu olan karbon siyahı, mekanik özellikleri iyileştirse de; yüksek enerji tüketimi, fosil kaynaklı oluşu, küçük partikül boyutuna bağlı sağlık riskleri ve çevresel sürdürülebilirlik açısından önemli sınırlamalara sahiptir. Bu bağlamda, doğal kaynaklı ve çevre dostu alternatif dolgu sistemlerinin geliştirilmesi önem kazanmaktadır. Bu tez çalışmasında, doğal kalsiyum silikat yapısına sahip; lifsi morfolojisi ve yüksek sertlik katkısıyla bilinen vollastonit minerali, karbon siyahının tamamen yerine geçmesi amacıyla değil, onunla birlikte kullanılabilecek yardımcı bir dolgu olarak değerlendirilmiştir. Çalışmanın amacı, yüzey modifikasyonu ile aktif hale getirilen vollastonitin farklı oranlarda (3, 6, 9 phr) eklenmesiyle elde edilen NR esaslı kompozitlerde mekanik, reolojik, termal ve yapışma özelliklerindeki değişimleri sistematik olarak ortaya koymaktır. Bu kapsamda yedi farklı formülasyon hazırlanarak; reolojik analiz (ML, MH, t90, ts2, CE, CRI), çekme testi (kopma dayanımı, % modül, uzama), sertlik (Shore A), kalıcı deformasyon (compression set), aşınma direnci ve ısıl yaşlanma gibi performans kriterleri değerlendirilmiştir. Ayrıca termogravimetrik analiz (TGA) ile termal kararlılık belirlenmiş, H-yapışma testi ile kordlara karşı ara yüzey bağ kuvveti ölçülmüş ve temas açısı ölçümleri ile yüzey enerjisi hesaplamalarına dayalı olarak dolgu–matris etkileşimi üzerinden termodinamik yapışma işi hesaplanarak yapışma potansiyeli değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, özellikle 6 phr aktif vollastonit içeren WA6 numunesi, pişme davranışı, kopma dayanımı, düşük kalıcı deformasyon ve yaşlanma direnci açısından optimum performansı sergilemiştir. Aktif vollastonit ilavesi, yüzey modifikasyonu sayesinde dolgu-matris ara yüzey etkileşimini artırmış ve bu durum hem kopma dayanımında hem de H-yapışma testinde (örneğin WA9 numunesinde >85 N) pozitif katkı olarak yansımıştır. Yüzey enerjisi bileşenleri ve temas açısı verileri de, aktif dolgunun yüzeyde dispersif etkileşimleri artırdığını göstermiş; ancak bu teorik yapışma potansiyeli, tüm örneklerde pratik yapışma değerleriyle birebir örtüşmemiştir. Bu durum, yapışma mekanizmasının yalnızca yüzey enerjisi ile açıklanamayacak kadar çok boyutlu olduğunu ortaya koymuştur. Bununla birlikte, aşınma direncinde de vollastonit katkısının özellikle aktif formda iken belirgin iyileşmeler sağladığı; W3 ve WA3 numunelerinin daha düşük oranlı katkıyla dahi yüksek aşınma direnci gösterdiği gözlenmiştir. Termal kararlılık açısından, WA9 numunesi en yüksek bozunma sıcaklıklarına ulaşarak dolgunun ısıl direnç katkısını ortaya koymuştur. Sonuç olarak, vollastonit, karbon siyahı ile birlikte kullanıldığında, doğru oran ve uygun yüzey modifikasyonu ile doğal kauçuk matrisinde mekanik, termal ve yapışma özelliklerini optimize eden etkili bir yardımcı dolgu işlevi görmektedir. Bu çalışma, doğal kaynaklı dolgu sistemlerinin yalnızca performans artırımı değil, aynı zamanda çevresel sürdürülebilirlik ve maliyet etkinliği açısından da yeni nesil kauçuk kompozitlerin geliştirilmesinde önemli fırsatlar sunduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Natural rubber (NR) is a strategic polymer widely used in the automotive, aerospace, and engineering sectors due to its high elasticity, excellent dynamic strength, and superior adhesion characteristics. Despite these advantages, the mechanical performance and service life of pure NR are typically enhanced through reinforcement with fillers. Among these, carbon black (N550) is the most commonly used reinforcing filler owing to its ability to improve mechanical properties. However, it also presents significant drawbacks, including high energy consumption during production, fossil-based origin, health risks associated with its ultrafine particle size, and challenges in environmental sustainability. Therefore, the development of eco-friendly, natural alternative filler systems has gained increasing importance. In this thesis, wollastonite, a naturally occurring calcium silicate mineral with fibrous morphology and stiffness-enhancing characteristics, was investigated not as a direct substitute for carbon black, but as a co-filler that could complement its performance. The aim was to systematically evaluate how different amounts (3, 6, and 9 phr) of surface-modified (active) and unmodified wollastonite affect the mechanical, rheological, thermal, and adhesion properties of NR-based composites. To this end, seven different NR compounds were prepared and subjected to a comprehensive series of tests including rheological analysis (ML, MH, t90, ts2, CE, CRI), tensile testing (tensile strength, modulus at 100%, elongation at break), Shore A hardness, compression set, abrasion resistance, and thermal aging resistance. Additionally, thermogravimetric analysis (TGA) was performed to assess thermal stability, H-pull adhesion tests were conducted to evaluate interfacial bonding strength with cords, and contact angle measurements with surface energy calculations were used to estimate thermodynamic work of adhesion and characterize filler–matrix interfacial interactions. The results revealed that the WA6 compound, containing 6 phr of active wollastonite, demonstrated the most balanced performance in terms of curing behavior, tensile strength, reduced permanent deformation, and resistance to aging. The addition of surface-modified wollastonite enhanced the interfacial bonding between the filler and rubber matrix, which translated into improvements in both tensile strength and adhesion performance (e.g., >85 N in the WA9 compound according to H-adhesion test results). Contact angle data and surface energy calculations also indicated an increase in dispersive interactions on the filler surface; however, the theoretically calculated adhesion potential did not always correlate perfectly with experimental adhesion results. This outcome underscores the complex and multifactorial nature of adhesion mechanisms, which cannot be solely explained by surface energy parameters. Moreover, significant improvements in abrasion resistance was observed, particularly with the active wollastonite-containing compounds. Even at lower filler loadings, samples such as W3 and WA3 exhibited notable abrasion resistance. From a thermal standpoint, WA9 showed the highest decomposition temperatures, demonstrating the positive contribution of wollastonite to thermal stability. In conclusion, wollastonite, when used in conjunction with carbon black at appropriate loadings and with effective surface treatment, serves as an efficient co-filler that enhances mechanical, thermal, and adhesion properties in NR composites. This study highlights the potential of natural, environmentally benign fillers not only to boost performance but also to contribute to cost-effectiveness and sustainability in the development of next-generation rubber materials.
Benzer Tezler
- Floroelastomer (FKM) esaslı kauçuk hamurlarında arayüzey etkileşiminin geliştirilmesi
Enhancing interfacial adhesion of fluoroelastomer (FKM) based rubber compounds
TUĞBA AKYILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAĞDAGÜL KARAAĞAÇ
- Burdur ili mermer sektörünün kurumsal ve ekonomik yapısı
İnstitutional and economic structure of marble sector in burdur
AHMET SARITAŞ
- Doğal vollastonitin yüksek performanslı harç üzerine etkileri
The effects of natural wollastoni̇te on high performance mortars
BEYTULLAH MALKOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
İnşaat MühendisliğiNiğde Ömer Halisdemir Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE ÖZNUR ÖZ
- Sentetik vollastonitin harçların temel mekanik özelliklerine etkisi
The effect of synthetic of wollastonite on basic mechanical properties of mortars
SÜMEYYE ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
İnşaat MühendisliğiNiğde Ömer Halisdemir Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HASAN ERHAN YÜCEL
- Sentetik vollastonit üretimi ve sır yapımında kullanılabilirliğinin araştırılması
The Investigation on producing synthetic wollastonite and its usage potential in glaze making
SÜLEYMAN AKPINAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
Seramik MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiSeramik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ KARTAL