EPDM Kauçuk Bileşiklerinde Si-kerf'in Dolgu Maddesi Olarak Kullanımı: Mekanik ve Termal Özellikler

Abstract

Bu tez çalışmasında, güneş paneli üretiminde oluşan silikon kerf (Si-kerf) atığının, etilen-propilen-dien monomer (EPDM) esaslı kauçuk bileşiklerinde takviye edici dolgu malzemesi olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. Sürdürülebilirlik hedefleri doğrultusunda yapılan bu çalışmada, Si-kerf'in farklı oranlarda kullanıldığı bileşiklerin reolojik davranışları, mekanik özellikleri, termal dayanımları ve yaşlanma sonrası performansları incelenmiştir. ASTM ve SAE J20 standartlarına uygun olarak yürütülen deneysel çalışmalarda, numuneler çekme testi, sertlik, yaşlanma dayanımı, şişme analizi ve çapraz bağ yoğunluğu ölçümleriyle karakterize edilmiştir. Ayrıca, hacimsel şişme yöntemi kullanılarak çapraz bağ yoğunluğu hesaplanmış, Flory-Rehner denklemi ile sayısal değerler elde edilmiştir. SEM ve EDX analizleri, Si-kerf parçacıklarının EPDM matrisi içinde yüzey modifikasyonuna ihtiyaç duymadan iyi dağılabildiğini ve dolgu-polimer etkileşiminin yeterli olduğunu göstermiştir. Elde edilen bulgular, geri kazanılmış silikanın özellikle %10–20 oranlarında kullanıldığında, CB100 referans bileşiği ile yakın hatta üstün mekanik ve termal performans sergilediğini göstermektedir. %20 Si-kerf ve %80 karbon siyahı içeren CB80–Skf20 formülasyonu, çekme dayanımı, çapraz bağ yoğunluğu ve termal yaşlanma performansı açısından en dengeli sonucu vermiştir. Bu çalışma, Si-kerf'in kauçuk endüstrisinde çevreci ve ekonomik bir alternatif olarak değerlendirilebileceğini göstermektedir.

This study investigates the potential of silicon kerf (Si-kerf), a byproduct of photovoltaic wafer slicing, as a sustainable alternative to conventional fillers like carbon black (CB) and commercial silica (CS) in ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber compounds. The aim was to evaluate the performance of Si-kerf-containing compounds in terms of their physico-mechanical, thermal, morphological, and rheological properties and to assess their suitability under standard conditions such as SAE J20 and ASTM protocols. Experimental formulations with varying filler ratios were subjected to tensile testing, hardness, aging resistance, and swelling analysis. Crosslink density was calculated using the Flory-Rehner equation based on equilibrium swelling in hexane. Morphological characterization via SEM and EDX confirmed that Si-kerf particles, comprising a crystalline silicon core and an amorphous SiO₂ shell with a residual PEG-like layer, dispersed well in the non-polar EPDM matrix without requiring surface modification. The results demonstrated that Si-kerf-filled compounds achieved comparable, and in some cases superior, properties relative to the CB100 reference compound, particularly in terms of thermal stability, mechanical integrity, and processability. Among all formulations, the compound containing 80 phr CB and 20 phr Si-kerf (CB80–Skf20) showed the best overall balance in tensile performance, crosslink density, and thermal aging resistance. These findings indicate that Si-kerf is a technically and environmentally viable reinforcing filler for EPDM, offering both performance and sustainability advantages while supporting circular economy goals in polymer engineering.