Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Anabilim Dalı

2017

Acoustic properties of styrene butadiene rubber-isocyanate composition reinforced with carbon nanotubes and silicon oxide nano-powder

Silikon oksit nano tozları ve karbon nanotüpleri ile güçlendirilmiş stiren bütadien kauçuk-izosiyanat kompozisyonunun akustik özellikleri

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 467257

Tezi Bul
Özet:

Ses iletim kaybı özelliğini arttırmak için nano partikül olarak CNTs (karbon nanotüp) kullanılması daha önce de araştırılmış ve CNTs (karbon nanotüp) eklenmesinin sistemin akustik absorpsiyonun bütün aralık değerlerinde pozitif yönde katkı sağladığı görülmüştür. Çok düşük oranlarda, örneğin % 0.01 gibi değerlerde dahi CNTs eklenmesi görece olarak çok düşük bir etkiye sahip olurken, % 0.1 gibi CNTs eklenmesi akustik özelliklerin kayda değer bir şekilde yükselmesini sağlamaktadır. Ses dalgaları iki ana mekanizma ile absorbe edilmekte olup bunlardan bir tanesi mekanik sürtünme ile, diğeri de direkt termal enerji dağılımına maruz kalmasıdır. Polimerler içerisinde nano partikül bulunması, özellikle de CNTs bulunması, mekanik enerji dağılımında ve özellikle loss modülünde kayda değer artış ile birlikte kuvvetli bir sönümleme etkisine sahip olacağı bilinmektedir. Bu tez çalışmasında özellikle silikon oksit nano tozları ve karbon nanotüpler ile güçlendirilmiş kauçuk-izosiyanat kompozisyonunun akustik özellikleri araştırılmış olup % 5'i geçmeyecek şekilde farklı oranlara sahip 10'dan fazla numunenin birbirleri ile kıyaslanacak şekilde akustik ölçümleri yapılmıştır. Araştırmanın başında kauçuk-izosiyanat oluşumunu sağlşayacak şekilde stiren bütadien ve izosiyanat malzmeleri temin edilmiştir. Birinci bölümde, deney aşamasında kullanılan karbon nanatüpler 40 ile 60 µm çapında ve 200 µm uzunuğunda olup 85-90 % saflık değerine sahip olmaktadırlar. Deney sırasında kullanılacak olan karbon nanotüplerin etkileşimini arttırmak için hidrojen peroksit (H2O2) kullanılarak ultrasonik banoyoya sokulmuştur. İlk aşamalarda 1.5 gram karbon nanotüp 35% H2O2'nin 500 ml'si ile ultrasonik banyoya sokulmuştur. Fonksiyonalitesi arttırılan karbon nanotüpler daha sonra oluşan solüsyon hidrojen peroksit'ten arındırılacak şekilde iki kez saf su ile yıkanıp filtreden geçirilmiştir. Bir sonraki aşamada ise 80°C sıcaklıktaki fırında yaklaşık 8 saat tutularak kurutulması sağlanmıştır. 1:10 oranında karıştırılacak izosiyanat ve kauçuk malzemelerinden, kauçuk hassas tartı üzerinde tartıldıktan sonra genel ağırlığa göre sırasıyla %0.25, %0.5, %0,75 ve %1 oranında olacak şekilde karbon nanotüpler karıştırılmıştır. İzosiyanat ve kauçuk ilk önce mekanik karıştırıcı içerisinde yaklaşık 10 dakika boyunca 2000 dakika devir ile karıştırılmaktadır. Böylece izosiyanat ve kauçuk iyi bir şekilde karıştırılmış olmaları sağlanır. Burada özellikle daha homojen bir karışım için ilk başta yüksek hızda değil daha düşük dakika devir değerlerinden başlanarak karışım hızlandırılmıştır. Bir sonraki aşamada artık iyi bir şekilde karışmış izosiyanat ve kauçuk karışımı içerisine nano malzeme dökülmesidir. Hassas terzide kütlece %0.25, %0.5, %0,75 ve %1 oranında olacak şekilde ayarlanan nano malzeme kauçuk-izosiyanat karışımı içerisine dökülür. Tekrar mekanik karıştırıcıda 10 dakika sürecek şekilde 2000 dakika devir hızında karıştırılır ve karışımın homojen bir şekilde karışması sağlanır. Karıştırma işlemi plastik kaplarda yapılmakta ve daha sonra hidrolik basınç ile pimli silindirik kaplarda sıkıştırılıp 1 gün süreyle basınçlı şekilde bekletilmektedir. Benzer şekilde aynı aşamalar nano-silika malzemeler için de gerçekleştirilmiştir. Yüzde bakımında oranları %0.2, %0.5, %0.75 ve %1 olacak şekilde toz formunda nano-silika malzemeler karıştırılmıştır. Deneylar sırasında iki farklı tipte silikon oksit nano tozları kullanılmıştır. Bunlardan bir tanesi p-tipli olarak adlandırılmış gözenekli ve 60-70 µm çapında nano-silika olup bir diğeri s-tipli olarak adlandırılmış küre şeklinde ve bir öncekinden daha büyük çaplı olacak şekilde 15-20 µm çap aralığına sahip nano-silikadır. Her ikisi de toz formunda olup çeşitli kimyasal işlemlerden geçirilmiş ve sıvı formunda getirilmiş nano-silikalar da kullanılmıştır. Özellikle toz formunda nano-silikalar ihtiva eden kauçuk-izosiyanat yapısı deney sırasında çok daha dengeli sonuçlar vermiş olup sıvı formundaki nano-silikalar deney sonuçları dışında tutulmuştur. Karbon nanotüptekinin benzeri bir şekilde toz formundaki p-tip ve s-tip nano-silika tozlar ilk önce kauçuk ile karıştırılmış MDI (izosiyanat)'a eklenerek karıştırılmaktadır. Bir önceki numunelerde de olduğu gibi aynı çap genişliğine sahip olacak şekilde farklı oranlarda kauçuk bazlı malzemeler üretilmiştir. Her bir üretilen numunenin temiz bir sonuç verebilmesi için ses düzeneği içerisine yerleştirilmeye uygun boyutlara sahip olması gerekmektedir. Bunun için kalıp içerisinden çıkarılan her numune daha sonrasında özel su jeti ile kesilmiştir. İlk aşamada kalınlık değerlerinin aynı olması sağlanacak şekilde numune miktarı saptanmıştır ve 125gr kauçuk, 12,5 gr izosiyanat ile yaklaşık 10mm kalınlıkta malzemeler basınç alıtnda bekletişmiştir. Sonraki aşamada ise 100 mm çapa sahip numuneler elde edilmesi için su jeti ile kesim yapılmıştır. Böylece 10 mm kalınlığa ve 100 mm çapa sahip pürüzsüz numuneler elde edilmiştir. Bu şekilde elde edilen 12 adet numune daha sonrasında Brüel & Kjaer 4206 akustik test sistemi içerisinde sırasıyla ölçülmüştür. Ses transmisyon kaybı (sound tranmission loss) ölçülen her bir numune daha sonra birbirleri ile kıyaslanmıştır. Her bir numune önce akustik test sistemi içerisindeki uygun yere yerleştirilmekte daha sonra sessiz ortamda oluşan ses transmisyon kaybı ölçülmektedir. Oluşturulan grafikler sonucu üretilmiş farklı oranlardaki 12 numunenin birbiri ile kıyaslanması gerçekleşmiştir. Üretim sırasında karşılaşılan ve sonuçlarda da kendisini belli eden bir durum şu şekildedir. Karıştırılan karbon nanotüp miktarı %0.75'i geçmesiyle birlikte poliol ve izosiyanatın birbiri ile etkişelimi kötü yönde olmakta ve yeterli bir şekilde kabaramamasının yanında homojen bir dağılım elde edilememektedir. Elde edilen grafikler yorumlandığı zaman özellikle 250 Hz değerine kadar kütlece % 0.75 ve % 0.5 karbon naotüpe sahip numunenin daha iyi bir akustik özelliğie sahip olduğu görülmektedir. Diğer yandan kütlece %1, % 2 ve %5 karbon nanotüpe sahip numuneler ise bütünlüklerini koruyamamıştır. Nano-silikalar, hem p-tip hem de s-tip nano silikalar %0.25, %0.5, %0.75 ve %1 oranında olacak şekilde karıştırılmış olup yapılan akustik testler sonucunda en iyi değerlere kütlece %1 p-tip silikaya sahip karışım ve %1 s-tip silikaya sahip karışım olduğu görülmektedir. %1 üzeri silika eklenmesi yine malzemenin bütünlüğünün bozulmasına yol açmıştır. En iyi sonuçlar 200hz'de görülürken 250Hz üstünde katkısız referans numunenin daha iyi sonuç verdiği görülmüştür.

Summary:

In this study, the main aim is about enhancing acoustic properties of styrene butadiene rubber with small amount of carbon-nanotubes and silicon oxide nanopowders which were added to the styrene butadiene rubber -isocyante composition. The acoustic properties are tested with the additon of small amount of carbon-nanotubes and silicon oxide nanopowders (S-type, P-Type) to the rubber-isocyante composition. By adding CNTs and/or nano-silica in the form of powder at different concentrations up to 5% within the rubber-isocyante composition to improve the sound absorption were investigated in the frequency range up to 1250Hz. In this thesis, both CNT and nano-silica particles are added with different quantities to the rubber-isocyante composition. The properties, specially the sound transmission loss and sound absorption, are studied for all the prepared samples and results are investigated to come up with the best nanocomposites that can be applied for our sound absorption application at the desired operating frequency. For rubber-isocyante nanocomposites, a fixed weight percentage of CNTs (up to 5 wt%) was first mixed with the rubber at 2000 rpm for 10 min using an overhead stirrer equipment. Mixing was started from a speed of about 100 rpm and it was gradually increased to 2,000 rpm for 10 min when the CNT is added to rubber-isocyante solution. The amount of CNT added was 0.25, 0.5, 0,75 and 1 percent of the total weight. Same procedure is applied fot the silicon oxide nano-powder. The small amount of silicon oxide nanopowders (S-type, P-Type) added was 0.25, 0.5, 0,75, 1 percent of the total weight. Firstly, the isocyanate was added to the styrene butadiene rubber which has granul diamater smaller than 2mm and stirred for 5 min at 2000 rpm at room temperature in plastic mould. The rubber-isocyante mixture, which were molded into another cylndrical plastic volume and were pressurized in that volume, were screwed, and were kept at room temperature for 1 day before characterization. Secondly, sound transmission loss (STL), determined with an impedance tube, was used to characterize our fabricated samples soundproofing properties. The testing was performed according using a Brüel & Kjaer 4206 acoustic test system comprising an impedance tube, speaker, three microphones and a digital frequency analyzer to measure the sound tranmission loss. Sound transmission loss measurement of the samples were determined using large impedance tube. The basic test results showed that addition of 1 wt.% s-type Silicon Oxide Nano-powder and 1 wt.% p-type Silicon Oxide Nano-powder composition improved sound transmission loss up to %20 percent than that of pure rubber-isocyante sample. The accumulation of excess CNTs and nano-silica aggregate in void space of a cell can act as a barrier to influence the movement of the sound wave inside a cell. It should be stressed that the presence and distribution of nano-particles has a huge role to play in the nanocomposite especially at the higher particle loading.