Hidromagnezit-huntit (HH) kullanarak güç tutuşur poli (laktik asit) esaslı kompozit malzeme üretimi ve sinerjik etki çalışmaları
Production of flame retardent based poly (lactid acid) composite material using hidromagnesite–huntite (HH) and synergic effect studies
Yazar: AYŞEGÜL ERDEM
Danışman: PROF. DR. MEHMET DOĞAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Kompozit malzemeler = Composite materials ; Laktik asit = Lactic acid ; Manyezit = Magnesite ; Sinerji = Synergy

Özet:
Bu tez çalışması 3 aşamada yürütülmüştür. İlk aşamada HH (Hidromagnezit/Huntit) miktarının, HH parçacık boyutunun, HH de bulunan yüzey modifikasyonunun PLA'nın güç tutuşurluk ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. PLA HH arasındaki uyumu artırmak için 3 farklı silan kullanılmıştır. ((3-aminopropil 3 etoksisilan (AP), 3-izosiyanatpropil 3 etoksisilan (IP), 3-glisidiloksi 3 metoksisilan (GP)) 2. aşamada daha sünek PLA üretimi için plastikleştirici (asetil tri bütil sitrat) kullanılmış ve plastikleştirici konsantrasyonunun PLA'nın güç tutuşurluk ve mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Son aşamada ise HH'nın güç tutuşurluk etkisini iyileştirmek amacıyla plastikleştirilmiş kompozit malzemeler üzerinden sinerjik etki çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sinerjik etki çalışmalarında mikro yapılı (boroksit, kolemanit, zeolit, perlit, alüminyum fitat ve çinko fitat) dolgular ile nano dolgular (bentonit, organik modifiyeli kil, POSS, Nano silika, Halloysit) kullanılmıştır.
Kompozitlerin üretiminde; çift vidalı ekstrüder, şekillendirme aşamasında enjeksiyon kalıplama cihazı ve sıcak pres kullanılmıştır. Üretilen kompozitlerin termal kararlılığındaki değişim termo gravimetrik analiz (TGA) ile belirlenmiştir. Üretilen kompozitlerin mekanik özelliklerini belirlemek için çekme, darbe ve dinamik mekanik analiz (DMA) testleri uygulanmıştır. Kompozitlerin yanma davranışları sınırlayıcı oksijen indeksi (LOI), düşey yakma testi (UL-94 V), yatay yakma testi (UL-94 HB) ve kütle kaybı kalorimetre (MLC) testleri ile değerlendirilmiştir. Sinerjik etkinin belirlendiği numunelerde mekanistik çalışmalar yapılmış sinerjik etki nedenleri araştırılmıştır. Mekanistik etki çalışmalarında genel olarak TGA, MLC, Fourier dönüşümlü kızıl ötesi spektrometre (FTIR), taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır.
İlk aşamada elde edilen sonuçlara göre ticari ürünlerden Ultracarb LH3 parçacık boyutunun daha küçük olması sebebiyle daha iyi güç tutuşurluk performansı göstermiştir. Düşey yakma testinde en üst yanmazlık seviyesi (V0) ağırlıkça %60 LH3 içeren kompozitte görülmüştür. Silan bağlayıcı ajanların kompozitler üzerindeki mekanik etkisi incelendiğinde kopma mukavemetinde en yüksek artış GP ile silanlanmış HH (LH3)  içeren kompozitte ortaya çıkmıştır. 3 farklı silanın kullanıldığı kompozitlerin güç tutuşurluk özelliklerinde anlamlı farklılık görülmemiştir 2. aşamada ulaşılan sonuçlara göre ilave edilen plastikleştirici miktarı arttıkça kompozitin güç tutuşurluk özelliklerinin düştüğü gözlemlenmiştir. Sünek ve güç tutuşur PLA kompoziti elde etmek için HH miktarının %20 si kadar plastikleştirici kullanımının uygun olduğu görülmüştür.
Son aşama olan sinerjik etki çalışmalarına ait sonuçlarda ise kolemanit ile HH arasındaki en yüksek sinerjik etkileşim ağırlıkça %1 kolemanit ilave edildiğinde gözlemlenmiştir. LOI değerinde 2,7'lik artış ve en üst seviye yanmazlık derecesi (V0) elde edilmiştir. Boroksit ilavesi ile en yüksek sinerjik etkileşim ağırlıkça %5 ve %10 ilave edildiğinde gözlemlenmiştir. LOI değerinde 3,8'lik artış gözlemlenmiştir. Alüminyum fitat ile HH arasındaki en yüksek sinerjik etkileşim ağırlıkça %5 ve 10 alüminyum fitat ilave edildiğinde gözlemlenmiştir. LOI değerinde 4'lük artış ve en üst seviye yanmazlık derecesi elde edilmiştir. Çinko fitat ile HH arasındaki en yüksek sinerjik etkileşim ağırlıkça %3 ve 5 çinko fitat ilave edildiğinde gözlemlenmiştir. LOI değerinde 3,8'lik artış ve UL-94V testinde ise V1 derecesi elde edilmiştir. Perlit ile HH arasındaki en yüksek sinerjik etkileşim ağırlıkça %3 perlit ilave edildiğinde görülmüştür. LOI değerinde 2,5'lik artış elde edilmiştir. Zeolit ile HH arasındaki en yüksek sinerjik etkileşim ağırlıkça %1 zeolit ilave edildiğinde görülmüştür. LOI değerinde 2,7'lik artış elde edilmiştir. Nano dolgularla yapılan çalışmalarda ise LOI ve UL94 test sonuçlarına göre sinerjik etki bulunamamıştır.
Anahtar Kelimeler:	PLA, Huntit/Hidromagnezit, eko/yeşil kompozit, güç tutuşurluk, sinerjik etki.

Abstract:
The thesis was carried out in three main steps. In the first step, the effect of HH amount, particle size and the type of surface modification were investigated on the flammability and mechanical properties of PLA composites. In the second step, plasticizer (acetyl-tributyl-citrate) was used to produce more ductile PLA and the effect of plasticizer concentration was analyzed on flame retardancy and mechanical properties of PLA. In order to increase compatibility between PLA and HH, three different silane coupling agents 3- Aminopropyltriethoxysilane (AP), 3-Triethoxysilylpropyl isocyanate (IP), 3-Glycidyloxypropyl trimethoxysilane (GP) were used. In the last stage, synergistic effect studies were carried out on plasticized composite materials in order to improve the flame retardancy effect of HH. In synergistic effect studies, micro-structured fillers (boroxide, colemanite, zeolite, perlite, aluminum phytate and zinc phytate) and nano fillers (bentonite, organic modified clay, POSS, nano silica, halloysite) were used.
In the scope of the thesis, the composite materials are produced using twin screw extruder. The mechanical and flammability test samples were produced via injection molding machine. The mass loss calorimeter test samples were produced using compression molding process. The thermal stability properties of the composites were characterized by thermal gravimetric analysis (TGA). The mechanical properties of the composites were examined using tensile testing, impact test and dynamic mechanical analysis (DMA). The fire retardant properties of the composite were determined via vertical (UL-94V) and horizontal burning tests (UL-94 HB), limiting oxygen index (LOI) and mass loss calorimeter tests (MLC). The detailed mechanistic studies were made on the formulations that show synergistic interaction in order to explain why and how they showed synergistic effect. During the mechanistic effect studies, TGA, MLC, Fourier transform infrared spectrophotometer (FT-IR) and scanning electron microscopy (SEM) are used.
According to the results obtained at the first stage, Ultracarb LH3 from commercial products showed better flame retardancy performance due to its smaller particle size. In the vertical burning test, the highest flammability level (V0) was observed in the composite containing 60 wt% LH3. When the mechanical effect of silane bonding agents was examined on the composites, the highest increase in tensile strength occurred in the composite containing GP silanized HH (LH3). There was no significant difference on the flame retardancy properties of the composites in which 3 different silanes were used. According to the results obtained in the second stage, the fire performance of the composite reduces as the added amount of plasticizer increases. It is concluded that the plasticizer content must be 20 wt% of HH content in order to produce ductile flame retardant PLA composite.
In the last part of the thesis, synergistic effect studies were performed on plasticized PLA composites in order to improve the flame retardant performance of HH. The highest synergistic interaction between colemanite and HH was observed with the use of 1wt% colemanite. LOI value increases 2.7 unit and the highest UL-94 V rating of V0 is achieved. The highest synergistic interaction between boron oxide and HH was observed with the use of 5 and 10 wt % boron oxide. LOI value increases 3.8 unit whereas UL-94 V rating remained same. The highest synergistic interaction between aluminium phytate and HH was observed with the use of 5 and 10 wt% aluminum phytate. LOI value increased 4 units and the highest UL-94 V rating of V0 was achieved. The highest synergistic interaction between zinc phytate and HH is observed with the use of 3 and 5 wt% zinc phytate. LOI value increases 3.6 units and V1 rating was achieved in UL-94 V test. The highest synergistic interaction between perlite and HH was observed with the use of 3wt% perlite. LOI value increased 2.5 units wheras the UL-94 V rating remained unchanged. The highest synergistic interaction between zeolite and HH was achieved with the use of 1wt% zeolite. LOI value increased 2.7 units. In studies with nano fillers, no synergistic effect was found according to LOI and UL94 test results.
Keywords: 	Poly (lactic acid), Huntite-Hydromagnesite, eco/green composite, flame retardancy, synergic effect.