Çinko borat katkılı CTP kompozit malzemelerin üretimi, mekanik ve kimyasal özelliklerinin incelenmesi
Zinc borate-containing GFRP production and examination of mechanical and chemical properties
Yazar: SİNAN GÖKTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. SERDAR ASLAN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, elektrik sanayinde yoğun olarak kullanılan cam elyaf takviyeli polyester malzemenin, çinko borat katkısı ile üretimi, malzemede meydana gelen mekaniksel ve kimyasal etkileri araştırılmıştır. Yapılan bu işlemde hedef, kullanılan malzemelerin birbirlerinin zayıf olan yönlerini daha fazla iyileştirmek ve istenilen yönde daha fazla özellik katan bir malzeme elde etmektir. Kompozit malzemelerin geliştirilme amacı genellikle belirli bir kullanım için, belirli bir özellik dengesi elde etmektir. Elektrik sanayinde oldukça sık kullanılan cam elyaf takviyeli kompzit malzemelerin tercih edilme sebebi öncelikle, mukavvemetli olması, yoğunluğunun düşük olması, yalıtkan olması ve alev geciktirici özellikte olmasıdır. Polimer matrisli kompozit malzemeler matris olarak polimer ve takviye olarak elyaf kullanılarak üretilen kompozitlerdir. Polimerler matrisli kompozitlerin oda sıcaklığındaki yüksek performansı, maliyetsiz oluşu ve kolay üretilebilmesi kompozitler arasında çok sık tercih edilmesinin nedenidir. Polimerler doğalarının gerektirgiği üzere yanıcı malzemlerdir. Polimerler düşük sınırlı oksijen indeksine sahiptir ve yanma (UL-94) testinde başarılı bir sonuç veremez ve bu sebeble günlük hayatta uygulamaları insan hayatı için büyük bir yangın sorunu ortaya çıkarır. Bu malzemeler sadece polyester ve cam elyaf olarak bu özellikleri tam anlamıyla karşılayamamaktadır. Bu yüzden katkı malzelerine ihtiyaç vardır. Polimerlerin alev geciktirici davranışını yükseltmek, kullanımlarını çoğu uygulamaya yaymak büyük bir zorluktur. Halojenli katkı maddeleri gibi çeşitli alev geciktirici katkı maddeleri, çevre üzerindeki kanıtlanmış veya şüphelenilen olumsuz etkileri nedeniyle aşamalı olarak kullanımdan kaldırılırken, polimerlerin yangına tepkisi ve yangına dayanıklılık performansları açısından güvenlik gereksinimleri şu anda giderek daha zor hale geliyor. Tüm alev geciktiriciler, ısıtma, piroliz, ateşleme veya alev yayılması sırasında yanma sürecine müdahale etmek için kimyasal ve/veya fiziksel bir mekanizma yoluyla buhar fazında veya yoğun fazda hareket eder. Örneğin, dolgu maddelerinin dahil edilmesi esas olarak polimeri seyreltme ve bozunma gazlarının konsantrasyonunu azaltma işlevi görür.
Boratlar, alev geciktirici özelliklere sahip bir inorganik katkı maddesi ailesidir. Bunlar arasında 2ZnO 3B2O3 3.5H2O gibi çinko boratlar en sık kullanılanlardır. 290 ve 450 C arasındaki endotermik bozunmaları (503 kJ/kg) su, borik asit ve bor oksit (B2O3) açığa çıkarır. Oluşan B2O3 350°C'de yumuşar ve 500°C'nin üzerinde akar ve koruyucu bir camsı tabaka oluşumuna yol açar. Oksijen atomları içeren polimerler söz konusu olduğunda, borik asidin varlığı dehidrasyona neden olarak karbonize bir tabaka oluşumuna yol açar. Bu tabaka polimeri ısı ve oksijenden korur. Böylece yanıcı gazların salınımı azaltılır. Çinko Borat; polivinil klorür, polietilen, polipropilen, naylon, epoksi, poliesterler, termoplastik elastomerler ve kauçuklar gibi polimer sistemlerinde alev geciktirici, duman ve parlama baskılayıcı ve anti-ark ajan olarak kullanılmaktadır. Çinko borat ile üretilen plastik malzemeler, daha dayanıklı ve kaliteli ürünlere dönüşür.Termoset reçineler, işlenmesi en basit plastik malzemeler arasındadır. Gerekli olan tek şey aktivatörde karıştırmak, bir kalıba dökmek, soğumaya bırakmak ve ardından kalıptan çıkarmak. Kalıp konturlarının birebir aynısı ısı ve basınç gerektirmeden üretilir. Kalıp, yüzey sızdırmaz ise metal, ahşap, plastik, hatta alçı veya karton gibi hemen hemen her türlü gözeneksiz malzemeden yapılabilir. Daha yüksek bir üretim hızı isteniyorsa, ısıtılmış bir kalıp kullanılabilir. Isı, kürleme sürecini hızlandırır, daha eksiksiz bir kür sağlar ve daha uzun bir kap ömrü sağlayan aktivatörlerin kullanımına izin verir.
Malzemeyi üretmek için el yatırması + soğuk press yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde kalıp iki taraflı olduğu için üretilen malzemenin iki yüzü de parlak olarak çıkmaktadır.Numunelere %10,%15,%20,%25 oranlarda çinko borat eklenerek malzeme üzerinde mekaniksel ve kimysal özellilerine etkisi incelenmiştir.
Numunelerin çekme dayanımı özelliklerini belirlemek için ISO 527 – 1'e uygun çekme testi, eğme dayanımı özeliklerini belirlemek için ISO 178'e uygun eğme testi, darbe dayanımı özelliklerini belirlemek için ISO 179'e uygun darbe testi yapılmıştır. Yanma özellikleri UL94 yatay ve dikey yanma testi ile belirlenmiştir.
Sonuç olarak cam elyaf takviyeli kompozit malzemeye eklenen çinko borat, %10 eklendiğinde çekme dayanımında ve eğme dayanımında artış meydana gelmiştir. Oran artıkça çekme dayanımı düşmüştür. %15 oranında eklendiğinde darbe dayanımında en yüksek sonuç elde edilmiştir. Yanma özellikleri ise yatay yanma testine göre yavaş yanan (HB) malzeme olarak sınıflandırılmıştır. Dikey yanma testinde standartların (V0,V1 ve V2) hiçbirini karşılamamıştır.

Abstract:
In this study, the production of glass fiber reinforced polyester material, which is used extensively in the electrical industry, with the addition of zinc borate, and its mechanical and chemical effects on the material were investigated. The aim of this process is to improve the weak aspects of the materials used and to obtain a material that adds more properties in the desired direction. The purpose of developing composite materials is usually to achieve a certain balance of properties for a particular use. Glass fiber reinforced composite materials, which are frequently used in the electrical industry, are preferred primarily because they are durable, have a low density, are insulating and have flame retardant properties. Polymer matrix composite materials are composites produced using polymer as matrix and fiber as reinforcement. The high performance, cost-effectiveness and easy production of polymers matrix composites at room temperature are the reasons why they are frequently preferred among composites. Polymers are, by their very nature, flammable materials. Polymers have a low limited oxygen index and cannot give a successful result in the combustion (UL-94) test, and therefore their applications in daily life pose a great fire problem for human life. These materials cannot fully meet these features as only polyester and glass fiber. Therefore, additives are needed. Raising the flame retardant behavior of polymers, extending their use to most applications, is a major challenge. While various flame retardant additives, such as halogenated additives, are being phased out due to their proven or suspected adverse effects on the environment, safety requirements in terms of polymers' fire response and fire resistance performance are currently becoming more stringent. All flame retardants act in the vapor phase or condensed phase through a chemical and/or physical mechanism to interfere with the combustion process during heating, pyrolysis, ignition or flame propagation. For example, the inclusion of fillers mainly functions to dilute the polymer and reduce the concentration of decomposition gases.
Borates are a family of inorganic additives with flame retardant properties. Among these, zinc borates such as 2ZnO 3B2O3 3.5H2O are the most commonly used. Endothermic decompositions (503 kJ/kg) between 290 and 450 C release water, boric acid and boron oxide (B2O3). The formed B2O3 softens at 350°C and flows above 500°C, leading to the formation of a protective glassy layer. In the case of polymers containing oxygen atoms, the presence of boric acid causes dehydration, leading to the formation of a carbonized layer. This layer protects the polymer from heat and oxygen. Thus, the emission of flammable gases is reduced. Zinc Borate; It is used as a flame retardant, smoke and glare suppressant and anti-arc agent in polymer systems such as polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, nylon, epoxy, polyesters, thermoplastic elastomers and rubbers. Plastic materials produced with zinc borate turn into more durable and quality products.Thermosetting resins are among the simplest plastic materials to process. All that is required is to mix in the activator, pour into a mold, let it cool, and then remove it from the mold. It is produced exactly the same as the mold contours without the need for heat and pressure. The mold can be made of almost any non-porous material such as metal, wood, plastic, even plaster or cardboard if the surface is sealed. If a higher production rate is desired, a heated die can be used. The heat accelerates the curing process, provides a more complete cure, and allows the use of activators that provide a longer pot life.
Hand lay-up and cold press methods are used for processing. In this method, since the mold is two-sided, both sides of the produced material come out bright. 10%, 15%, 20%, 25% zinc borate was added to the samples and its effect on the mechanical and chemical properties of the material was investigated.
Tensile test in accordance with ISO 527 – 1 was performed to determine the tensile strength properties of the samples, bending test in accordance with ISO 178 was performed to determine the bending strength properties, impact test in accordance with ISO 179 was performed to determine the impact strength properties. The combustion characteristics were determined by the UL94 horizontal and vertical combustion test.
As a result, when 10% zinc borate was added to the glass fiber reinforced composite material, an increase in tensile strength and bending strength occurred. As the ratio increased, the tensile strength decreased. The highest result in impact resistance was achieved when 15% was added. The burning properties are classified as slow burning (HB) material according to the horizontal burning test. It has not met any of the standards (V0, V1 and V2) in the vertical burning test.