Biyobazlı polimer kompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of biobased polymer composites
Yazar: SÜHEYLA KOCAMAN
Danışman: PROF. DR. GÜLNARE AHMETLİ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, ilk olarak bisfenol-F tipi ticari epoksi reçine (ER), ağırlıkça % 50 oranında epoksitlenmiş soya yağı akrilatı (ESYA) ile modifiye edilerek yeni bir biyobazlı epoksi matris hazırlanmıştır. Matrisin kürlenme, mekanik (çekme uzaması, çekme dayanımı, sertlik), su sorpsiyonu ve kaplama özellikleri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Bu epoksi sisteminde ESYA ve farklı kürleştiriciler (sebasik asit-SAs, metil nadik anhidrit-MNA, ftalik anhidrit-FtA, maleik anhidrit-MA, süksinik anhidrit-SA, sikloalifatik poliamin Epamine PC 17, m-ksilendiamin-MXDA, 2-metilimidazol-Mİ ve poliamit Crayamid) ilk kez kullanılmış ve matris üzerindeki etkileri incelenmiştir. Modifiye edilmiş epoksi reçinelerin (M-ER) karakterizasyonunda FTIR, SEM, AFM, DSC teknikleri kullanılmış ve temas açıları ölçülmüştür. M-ER'lerin kürlenme derecelerinin % 78.67-98.10 aralığında, camsı geçiş sıcaklıklarının ise 46.37-169.54 ºC aralığında değiştiği gözlenmiştir. M-ER'lerde en yüksek çekme dayanımı değerleri MNA ve MXDA kürleştiricileri için sırasıyla 58 MPa ve 53 MPa olarak elde edilmiştir. Kaplamaların korozyon özelliklerinin belirlenmesi sırasında daha düşük su tutma ve 90º'nin üzerinde temas açısı değerlerine sahip olan MNA, SA, Epamine, FtA ve MXDA ile kürleştirilmiş M-ER'ler kullanılmıştır. Sonuçlar; anhidritle kürleştirilen M-ER'lerin asidik, aminle kürleştirilen M-ER'lerin ise bazik ortamlara daha dayanıklı olduklarını ortaya koymuştur. 
Çalışmanın ikinci kısmında diğer kürleştiricilere göre daha iyi mekanik özellikler gösteren MNA ve MXDA kürleştirici olarak kullanılmıştır. Buna ek olarak biyobazlı kompozit malzemeler elde etmek için farklı doğal takviye malzemeleri (muz kabuğu (MK), fındık kabuğu (FK), deniz kabuğu (DK) ve hindistan cevizi kabuğu (HCK) ) kullanılmıştır. ESYA ile modifiye ER sisteminde muz kabuğu ve fındık kabuğu takviyeleri ile oluşturulan kompozitlerin daha düşük mekanik özelliklere sahip olduğu gözlenmiştir. Literatürde ilk kez Plazma Destekli Kimyasal Buhar Biriktirme (PECVD) yöntemi ile HCK yüzeyine, hidrofobik PHFBA-poli(hekzaflorobutil akrilat) ince polimer filmi kaplanmış ve takviye malzemesi olarak kullanılmıştır. Ayrıca, HCK bir alkali kimyasal (NaOH) ile modifiye edilmiştir. Kompozitlerin mekanik, termal ve su sorpsiyonu özelliklerine farklı oranlardaki (ağırlıkça % 10-50) takviye malzemelerinin, alkali yöntemiyle modifikasyonun ve polimerle kaplama işleminin etkisi incelenmiştir. Kompozitlerin yapısı, SEM, XRD, TGA, mekanik testler ve temas açısı ölçümü ile karakterize edilmiştir. Sonuçlar, floropolimerle kaplı HCK takviyesinin, kompozitlerin mekanik, su tutma, termal ve yanma özelliklerinin diğer takviye katkılı kompozitlere göre daha üstün olduğunu göstermiştir. 
Çalışmanın son kısmında ise literatürde ilk defa sebasik asit bazlı yeni bir epoksi reçine (ESA) sentezlenmiştir. ESA'nın kimyasal yapısı FTIR ve 1H NMR ile incelenmiştir. ESA ile (ağırlıkça % 50) modifiye edilen epoksi matris sisteminde işlem görmemiş, alkali modifiye ve PHFBA ile kaplanmış HCK takviye malzemesi olarak kullanılmıştır. Bu kompozitlerin mekanik, termal ve su sorpsiyonu özelliklerinin, ER-ESYA matrisli kompozitlere göre daha yüksek olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, firstly a novel bio-based epoxy matrix was prepared by modifying bisphenol-F type commercial epoxy resin (ER) with a bio-based acrylated epoxidized soybean oil (AESO) at a ratio of 50 wt.%. The curing, mechanical (elongation at break, tensile strength, hardness), water sorption and coating properties of the matrix were investigated in detail. For the first time in this epoxy system, AESO and various curing agents (sebacic acid-SAc, methyl nadic anhydride-MNA, phthalic anhydride-PhA, maleic anhydride-MA, succinic anhydride-SA, cycloaliphatic polyamine Epamine PC 17, m-xylenediamine-MXDA, 2-methylimidazol-MI and polyamide Crayamid) were used and their effects on the matrix were observed. During the characterization of the modified epoxy resins (M-ERs) FTIR, SEM, AFM and DSC techniques were used and contact angle was measured. The curing degrees of M-ERs were observed to change between 78.67-98.10 % while glass transition temperatures of them varied in the range of 46.37-169.54ºC. Highest tensile strengths of M-ERs were obtained as 58 MPa and 53 MPa using MNA and MXDA, respectively. During the determination of the corrosion properties of the coatings, M-ERs cured with MNA, SA, Epamine, PhA and MXDA that had low water sorption and contact angles higher than 90º were used. The results showed that M-ERs cured with anhydrides were more durable in acidic conditions while that with cured with amines were more durable in basic conditions.   
In the second part of the study, MNA and MXDA, that presented better mechanical properties compared to the other curing agents were used as the curing agents. Moreover, various natural reinforcement materials (banana peel, nutshell, sea shell and coconut shell) were used to obtain bio-based composite materials. Lower mechanical properties were observed with the AESO modified ER composites reinforced with banana peel and nutshell. For the first time in the literature, surface of the coconut shell was coated with hydrophobic PHFBA-poli(hexaflorobutyl acrylate) thin polymer film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) method and was used as the reinforcement material. Moreover, the coconut shell was modified with an alkali chemical (NaOH). Effects of alkali modification, polymer coating and amounts of reinforcement materials (10-50 wt.%) on the mechanical, thermal and water sorption properties of the composites were investigated. Structure of the composites was characterized with mechanical tests, SEM, XRD, TGA and contact angle measurement The results showed that floropolymer coated coconut shell reinforcement material was more effective in the mechanical, water sorption, thermal and fire resistance properties of the composites. 
In the last part of the study, for the first time in the literature, a sebacic acid-based novel ER was synthesized. and its chemical structure was investigated using FTIR and 1H NMR. Untreated, alkali-treated (alkali-modified) and PHFBA coated coconut shell was used as the supporting material in the ESA-modified (50 wt.%) epoxy matrix system. Mechanical, thermal and water sorption properties of these composites were observed to be superior to the ER-AESO matrix composites.