Sürdürülebilir kaynaklardan güç tutuşur termoplastik poliüretan biyokompozit malzeme üretilmesi
Production of ignite thermoplastic polyurethane biocomposite materials from sustainable resources
Yazar: JAN SENA ALTINAY
Danışman: PROF. DR. MEHMET DOĞAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SÜMEYYE ÜSTÜNTAĞ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Termoplastik poliüretan (TPU) iyi fiziksel, mekanik ve termal özellikleri sayesinde birçok farklı alanda kullanılmaktadır. Son yıllarda sürdürülebilir kaynaklardan elde edilen alkollerin ve izosiyanatların kullanılması ile üretilen biyobazlı TPU kullanımı giderek artmaktadır. Birçok özelliği geleneksel TPU'lar kadar iyi olan biyobazlı TPU'nun yüksek yanıcılık özelliği halen problem teşkil etmektedir. Bu tez çalışması kapsamında biyobazlı katkı malzemeleri kullanarak güç tutuşur ekoTPU kompozitlerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda güç tutuşur katkı maddesi olarak, anyonik karakterli doğal ürün olan fitik asit (PA) ile katyonik polietilenimin (PEI) polielektrolit kompleksi (PA-PEI) ana güç tutuşurluk maddesi olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda doğal bir ürün olan nanokil (NC) ise sinerjik etki ajanı olarak kullanılmıştır. Kompozitlerin üretimi çift vidalı ekstrüderde gerçekleştirilmiştir. Numuneler ise enjeksiyonlu kalıplama ve sıcakta presleme yöntemi ile üretilmiştir. Kompozitlerin yanma davranışları sınırlayıcı oksijen indeksi (LOI), düşey yakma testi (UL-94 V) ve kütle kaybı kalorimetresi (MLC) testleri kullanılarak ölçülmüştür. Kompozitlerin yanma davranışlarının anlaşılması için termogravimetrik analiz (TGA), TGA/Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometre (FTIR), FTIR, Alan Emisyonlu Taramalı Elektron Mikroskopu (FE-SEM)/ enerji dağılım X ışını spektrometresi (EDX) analizleri yapılmıştır. Üretilen kompozitlerin mekanik özellikleri çekme testi ile incelenmiştir. İlave edilen PA-PEI miktarı arttıkça LOI değerinde artış, maksimum ısıl salınım oranında (pHRR) ve toplam ısıl salınım oranında (THE) azalma gözlemlenmiştir. PA-PEI'nin katı fazda kısmi şişebilen kül tabakası oluşturarak güç tutuşurluk etkisi gösterdiği anlaşılmıştır. PA-PEI ve NC birlikte kullanıldığında en iyi güç tutuşurluk performansı gözlemlenmiştir. En yüksek UL-94 V derecesi olan V0, %28 LOI değeri, en düşük pHRR (70±4 kW/m2), ve THE (57±2 MJ/m2) değerleri 37 PA-PEI ve %3 NC kullanımında gözlemlenmiştir. NC kullanımı oluşan kül tabakasının miktarını, bütünlüğünü ve yüksekliğini artırarak külün bariyer etkisini artırmıştır. PA-PEI ilavesi TPU'nun kopma mukavemetini artırırken, eriyebilir özelliği nedeniyle esnekliğini kaybetmemesini sağlamıştır.

Abstract:
Thermoplastic polyurethane (TPU) is one of the most used polymers thanks to its good physical, mechanical and thermal properties. However, like most polymers, it is produced mostly from petrochemical substances. Biobased TPUs have been produced with alcohols and isocyanates obtained from sustainable sources. Although the most of the properties are as well as fossil based ones, the high flammable character is still a problem. In this study, it is aimed to develop flame retardant ecobased TPU composites using bio-based additives. For this purpose, a polyelectrolyte complex synthesized from anionic natural product phytic acid (PA) and cationic polyethyleneimine (PEI) was used as main flame retardant additive. Nanoclay was also used as natural adjuvant filler. Composite materials were produced using twin screw extruder. Samples were produced using injection molding and hot press methods. The burning behavior of composites was measured using limiting oxygen index (LOI), vertical burning test (UL-94 V), and mass loss calorimeter (MLC). In order to understant the burning behaviours of composites, thermogravimetric analysis (TGA), TGA/Fourier transform infrared spectrometry (FTIR), FTIR, field emission scanning electron microscope (FE-SEM)/Energy dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) analyses were also performed. Mechanical properties were examined with the tensile testing. With increasing PA-PEI content, there is a gradual enhancement in LOI values alongside reductions in both peak heat release rate (pHRR) and total heat evolved (THE) values. PA-PEI acts in the condensed phase through the formation of moderate intumescent residue structure. When PA-PEI and NC are used together, the highest UL-94 V rating of V0, LOI value of 28%, the lowest peak heat release rate (pHRR) (70±4 kW/m2), and total heat evolved (THE) (57±2 MJ/m2) values are achieved. NC primarily exhibits an adjuvant effect by increasing the amount, compactness, and intumescent function of the residue in the condensed phase. Tensile test results indicate that PA-PEI addition improves the tensile strength without deteriorating its flexibility due to its fusible character.