Şok emici şekil hafızalı poliüretan zemin kaplamaları geliştirilmesi
Development of shock absorbing shape memory polyurethane floor coating
Yazar: KORAY ULUDÜZ
Danışman: PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
İlk olarak 1937 yılında Otto Bayer tarafında sentezlenen poliüretan; izosiyanat ve poliolün eşit mol oranlarında reaksiyona girmesiyle oluşan çok özel bir polimer türüdür. Poliüretanlar, omurgalarında çok sayıda üretan grupları içermesinin yanı sıra üretan bağlarına ek olarak alifatik ve aromatik hidrokarbonlar, esterler, eterler, amidler, üre ve izosiyanürat grupları içerebilirler.
Poliüretanlar, kullanıcılarına birçok fayda sunmaktadır. Poliüretanların sunduğu en büyük faydalar; düşük sıcaklıklarda yüksek şok sönümleme, kolaylıkla köpük oluşturabilme, aşınmaya, yırtılmaya, oksidasyona, neme ve bakterilere karşı dirençli olmalarıdır. Bu faydalar sayesinde poliüretanlar, elektrikli aletler, otomotiv, yapı ve inşaat, kompozit ahşap, zemin kaplama, mobilya, denizcilik, medikal ve ambalaj gibi çok yaygın kullanım alanları sağlamaktadır.
Yetişkinlerde, çocuklarda, sporcularda ve özellikle yaşlılarda düşmeler; yaralanma, kalça çıkıkları, kemik kırılmaları ve diz hasarlarına yol açmaktadır. Düşmeler 65 yaş üstü yaşlılarda oldukça sık rastlanan kaza türüdür. Kazalardan sonra yaşlı insanların kemik kırıkları, doku hasarları, kas zedelenmeleri gibi iyileşme süreçleri çok yavaş olamakta hatta bazı durumlarda mümkün olmamaktadır. Dünya'da 65 yaş üzeri insanların sayısı 2004 yılı itibari ile 448 milyon civarındadır. Dünya nüfusunun % 10'u 65 yaş ve üzeri yaşlardaki nüfusu oluştururken bu değer 2050 yıllında % 16 seviyesinde olması beklenmektedir. Kalça kırığı olan 65 yaş ve üzeri hastaların yaklaşık % 25'in bir yıl içerisinde yaşamını yitirdiği ve % 50'den fazlasının ise sakat kalma, yatağa mahkûm olma gibi problem yaşadığı ve hayat kalitelerinin düştüğü gözlemlenmiştir. Kanada da bir yıl içerisinde yaklaşık 23.000 vaka görülmekte ve buna bağlı tedavi masrafı yaklaşık 1 milyar dolar civarında olduğu belirtilmiştir. Ülkemiz gibi gelişmekte olan ülkelerde bu değerler oldukça yüksektir.
Gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde son yıllarda tedavi maliyetlerini azaltmaya yönelik çalışmalara hız verilmiştir. Beton bir zemine düşme ile kıyaslandığında, yumuşak zemine düşme sonrası kalça kırıkları, doku zedelenmeleri, kemik kırılmaları gibi hasarların ortaya çıkma riski daha azdır. Dünya ülkeleri düşmelerin sıklığını ve muhtemel hasarları azaltmaya, kemik kırılma vakalarını ortadan kaldırmaya yönelik tedbirler almaktadır. Bu tedbirler ışığında düşme sonucu kemik, kalça ve doku hasarlarının ortaya çıkma olasılığın yüksek olduğu zeminlerin darbe emici kaplamalar ile kaplaması son yıllarda hız kazanmış ve literatürdeki çalışma sayısının da doğru orantılı olarak arttığı görülmüştür.
Son yıllarda kaplama endüstrisinde, özellikle zemin kaplama uygulamalarında poliüretanlar; mükemmel darbe/şok emicilik, düşük sıcaklıkta esneklik, tokluk, kimyasal ve korozyon direnci ve mekanik mukavemet sağlama gibi özelliklerinden dolayı yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.
Bu çalışmada, zemin kaplama melzemesi hazırlamak amacıyla nem ile kürlenen 12 farklı formülasyonda poliüretan prepolimer sentezi gerçekleştirilmiş ve elde edilen örneklerin karakterizasyonları yapılmıştır.
Poliüretan sentezinde, poliol olarak ortalama molekül ağırlıkları 2000, 1000 ve 450 g/mol olan polieter bazlı polipropilen glikol (PPG), zincir uzatıcı olarak 1,4 bütandiol ve polimer yapıda dallanmayı sağlayıcı olarak gliserin kullanılmıştır. Aromatik ve alifatik izosiyanat olarak sırasıyla toluen diizosiyanat (TDI) ve izoforone diziosiyanat (IPDI) kullanılmıştır. Sentezleri gerçekleştirilen ürünler cam zemin üzerine 0,3-0,9 mm kalınlık aralığında dökülerek 2 gün boyunca 30°C etüvde bekletilerek havadaki nem yardımıyla kürlenmeleri sağlanmıştır. Kürlenme sonucu elde edilen poliüretan filmlerin, reometre, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopi analizleri gerçekleştirilmiştir.
Yapılan testler ve değerlendirilmeler sonucunda ortalama poliol kütlesi azaldıkça polimer zincirlerinin hareketliliğinin ve sönümleme faktörü (tan delta) değerinin arttığı belirlenmiştir. Ayrıca, aromatik yapılı poliüretan polimerlerin yapısında dallanma meydana geldikçe sönümleme faktörü değeri artarken, alifatik yapılı poliüretan polimerlerde bu durumun tam tersi olduğu görülmüştür. Örneklerin bükülme testi ile şekil hafıza özellikleri incelenmiş ve üç örneğin şekil geri dönme oranı ve şekil sabitleme oranı % 100 olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Polyurethane, first synthesized by Otto Bayer in 1937; It is a very special type of polymer formed by the reaction of isocyanate and polyol in equal molar ratios. Polyurethanes can contain aliphatic and aromatic hydrocarbons, esters, ethers, amides, urea and isocyanurate groups, in addition to urethane bonds, as well as containing numerous urethane groups in their backbones. They offer many benefits to their users. The biggest benefits offered by polyurethanes are high shock absorption at low temperatures, easily form foam, and resistant to abrasion, tear, oxidation, moisture and bacteria. Thanks to these benefits, polyurethanes provide very common areas of use such as electrical appliances, automotive, building and construction, composite wood, flooring, furniture, marine, medical and packaging.
A polyurethane coating is a polyurethane layer applied to the surface of a substrate for the purpose of protecting it. These coatings help protect substrates from various types of defects such as corrosion, weathering, abrasion and other deteriorating processes. Polyurethane itself is a type of polymer that is connected to a chemical compound group known as carbamates. This polymer material is also thermosetting in nature; in other words, it burns rather than melts when heated. Another characteristic of polyurethane coatings is its customizability. These coatings can be formulated to be glossy, muted, opaque or transparent.
The characteristics and properties of polyurethane floor coatings make them ideal for numerous applications, including airports, hospitals, car parks, freezing chambers, malls and other busy commercial areas. Many polyurethane coatings require no additional processing to cure. They are simply applied and cure upon exposure to moisture in the air. They can be sprayed or rolled onto a base material.Polyurethane coatings are used for many different applications, including wood floors, metals and on top of other coatings.
Falls in adults, children, athletes and especially the elderly causes injury, hip dislocations, bone fractures and knee injuries. Falls are a very common type of accident among the elderly over 65 years of age. Recovery processes of elderly people after accidents such as bone fractures, tissue damage, muscle injuries are very slow and in some cases not possible. The number of people over the age of 65 in the world is around 448 million as of 2004. While 10% of the world's population is 65 years of age and over, this value is expected to be 16% in 2050. It has been observed that approximately 25% of patients aged 65 and over with hip fractures die within a year, and more than 50% have problems such as being disabled, being confined to bed and their quality of life has decreased. Approximately 23,000 cases are seen in Canada in a year and the treatment cost related to this has been stated to be around 1 billion dollars. These values are quite high in developing countries like our country.
In recent years, efforts to reduce these treatment costs have been accelerated in developed and developing countries. Compared to falling on a soft ground, falling on a concrete floor, the risk of damage such as hip fractures, tissue injuries, bone fractures after falling on a soft floor is less. World countries take measures to reduce the frequency of falls and possible damages, and to eliminate bone fractures. In the light of these precautions, the coating of floors with shock-absorbing coatings where the possibility of bone, hip and tissue damage as a result of falling is high has gained speed in recent years and it has been observed that the number of studies in the literature has increased in direct proportion.
In recent years, in the coating industry, especially in floor coating applications, polyurethanes have been widely used due to its properties such as excellent impact / shock absorption, low temperature flexibility, toughness, chemical and corrosion resistance and mechanical strength. The first reported steps towards the discovery of the shape-memory effect were taken in the 1930s. According to Otsuka and Wayman, Arne Ölander discovered the pseudoelastic behavior of the Au-Cd alloy in 1932. Greninger and Mooradian (1938) observed the formation and disappearance of a martensitic phase by decreasing and increasing the temperature of a Cu-Zn alloy. The basic phenomenon of the memory effect governed by the thermoelastic behavior of the martensite phase was widely reported a decade later by Kurdjumov and Khandros (1949) and also by Chang and Read (1951). The inherent capability to deform and reform in a predefined environment is a unique property existing in shape memory polyurethane. The intrinsic shape memory ability of the polyurethane is due to the presence of macro domains of soft and hard segments in its bulk, which make this material a potential candidate for several applications. The unique capability to deform in predefined conditions and recover back to its original shape upon being triggered by different stimuli such as heat, radiation, pH, hydration, mechanical, magnetic, and electrical influences, etc. SMP possesses two phases viz. frozen phase or net hard phase and reversible or switching soft phase. In case of polyurethane (PU), they may have reversible amorphous or crystalline phase. PU has a unique structural characteristic because of the presence of inherent incompatibility due to microphase in-homogeneity in its chain molecules. It possesses a wide-ranging temperature for shape recovery, high recoverable strain (up to 400%), inherent soft-hard segments, high control on the softening and retraction temperatures with good biophysical properties [8–11]. Further, the properties including switching transition temperature like glass transition temperature (Tg) or melting temperature (Tm) can be tuned much easily by proper choice and using suitable composition of the components during polymerization process. The shape memory ability makes polyurethane a strong candidate for several applications such as self-tightening sutures, sensors, self-healing, implants, actuators, wearable electronics, etc. It was first developed by Shunichi Hayashi and his group. Shape memory ability can broadly be used for the purpose of electromagnetic shielding, self-healing, pressure bandages, cardiovascular implants, bone tissue engineering, etc.
In this study, polyurethane prepolymers in 12 different formulations cured with moisture were synthesized by prepolymer method in order to prepare flooring material and the samples obtained were characterized. In polyurethane synthesis, polyether
based polypropylene glycol (PPG) with an average molecular weight of 2000, 1000 and 450 g / mol as polyol, 1,4 butanediol as a chain extender and glycerin as a branching agent in polymer structure were used. Toluene diisocyanate (TDI) and isophorone disiocyanate (IPDI) were used as aromatic and aliphatic isocyanates, respectively. The synthesized products were poured on the glass surface in a thickness range of 0.3-0.9 mm and kept in an oven at 30 ° C for 2 days, and cured with the help of moisture in the air. Rheometry, differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier conversion infrared (FTIR) spectroscopy techniques were used for characterization of polyurethane films.
A shape recovery test of the SMPC hinge was performed with many cycles of folding and deploying, to examine the possibility of space applications. Bending test was applied all the polyurethane prepolymer in 12 different formulations cured with moisture were synthesized by prepolymer method. The shape recovery rate and shape fixation rate data of the all samples were obtained.
After evaluating all data, it was determined that the mobility of the polymer chains and the damping factor (tan delta) value increased with decreasing molecular weigth of polyol. In addition, while the value of damping factor increases with branching occurs in the structure of aromatic polyurethane polymers, the opposite situation was observed in aliphatic polyurethane polymers. The bending tests were performed for investigation of shape memory behavior of the polyurethane films. The shape recovery rate and shape fixation rate of three samples were obtained as 100%.