Sentez süreçleri optimize edilmiş biyopoliollerden sert poliüretan köpük eldesi ve köpüklerde formülasyon/yapı/özellik ilişkisi
Production of rigid polyurethane foams from biopolyols with optimized synthesis processes and the formulation/structure/property relationships of the foams
Yazar: EMRE AKDOĞAN
Danışman: PROF. DR. MURAT ERDEM
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizikokimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Alev geciktirici = Flame delayer ; Biyopolioller = Biopolyols ; Fizikokimya = Physical chemistry ; Fizikokimyasal tasarım = Physicochemical design ; Poliüretan = Polyurethane ; Poliüretan köpük = Polyurethane foam

Özet:
Sert poliüretan köpükler (SPK'lar), içerisinde yüzey aktif madde, katalizör ve şişirici ajan bulunan bir formülize poliol karışımında, poliol ve diizosiyanatın reaksiyonuyla üretilen ve bileşenlerinin miktar ve türlerinin farklılaştırılmasıyla performans özellikleri kontrol edilebilen önemli polimerlerdendir. Polimerlerin çoğunda olduğu gibi SPK'ların da petrol temelli bileşenlerden üretilmesi çevre, enerji ve malzeme sürdürülebilirliği açısından sorgulanan başlıca konulardan biri haline gelmiştir. Çevre konusunda artan endişeler, petrolün hızla tükeniyor olması ve bunlarla ilgili yapılan düzenlemelerden dolayı günümüzde birçok araştırmacı ve endüstri kuruluşu, poliüretan üretiminin sürdürülebilirliği için petrol temelli kaynakları yenilenebilir kaynaklarla değiştirmeye odaklanmışlardır.
Bu çalışmada, şeker pancarı küspesi (ŞK) ve ayçiçek yağı (AY) gibi iki farklı biyokütleden, sırasıyla asit katalizli solvotermal sıvılaştırma ve epoksidasyon sonrası halka açma yöntemleriyle biyopolioller sentezlenmiştir. Biyopoliol sentez süreçleri Yanıt Yüzey Yönteminin Merkezi Kompozit Tasarımı ile optimize edilmiş ve elde edilen biyopolioller ayrıntılı olarak karakterize edilmiştir. Biyopolioller ile petrol temelli bir poliol farklı oranlarda harmanlanarak biyo temelli SPK'lar (biyoSPK) sentezlenmiş ve formülasyona bağlı olarak bunların yapı/özellik ilişkileri incelenmiştir. Güç tutuşur özellik kazandırmak için biyoSPK'lara farklı oranlarda genişleyebilir grafit (EG) ve dimetil metil fosfonat (DMMP) katkılanmıştır. Elde edilen tüm köpüklerin ortalama hücre boyutları, kapalı hücre oranları, yoğunlukları, ısıl iletkenlik ve basma mukavemet değerleri belirlenmiştir. Bunun yanında biyoSPK'ların ısıl kararlılıkları termogravimetrik analiz ile güç tutuşurluk özellikleri ise sınırlayıcı oksijen indeks ve konik kalorimetre testleri ile incelenmiştir. Tüm biyoSPK ve kompozitlerin basma mukavemet değerleri 61 ile 260 kPa arasında değişirken, ısıl iletkenlik değerlerinin 27,5 ile 39,3 mW/m.K arasında değiştiği belirlenmiştir. Ayrıca, artan alev geciktirici miktarına rağmen hücresel yapının korunduğu, APK50/10E/10D ve ŞPK/10E/10D köpük kompozitlerinin sınırlayıcı oksijen indeks (LOI) değerlerinin sırasıyla %25,7 ve %24,9'a arttığı belirlenmiştir.

Abstract:
Rigid polyurethane foams (RPUFs) are important polymers whose performance properties can be controlled by varying the amount and types of their components in the reaction of polyol which includes a surfactant, catalyst, and blowing agent with diisocyanate. As with most polymers, the production of SPKs from petroleum-based components has become one of the main problems of mankind in terms of environmental, energy, and material sustainability. The increasing concerns of society regarding environmental protection, the depletion of fossil fuels, and the new regulations that have been made by the governments have been forcing researchers and industry to look for renewable energy resources which can replace petroleum-based compounds in order to sustain the production of polyurethanes.
In this study, biopolyols were synthesized from two different biomasses -sugar beet pulp and sunflower oil- using the methods of acid-catalyzed solvothermal liquefaction and epoxidation reaction followed by ring-opening, respectively. The synthesis processes of biopolyols were optimized using Response Surface Methodology based on Central Composite Design and the obtained biopolyols were characterized in detail. A multi-series of bio-based RPUFs (bioRPUFs) were fabricated with partial substitution of the biopolyols with petroleum-based polyol and their structure/property relationship was investigated depending on the formulations. The flame retardants such as expandable graphite and dimethyl methyl phosphonate were also added to bioRPUFs in different amounts to improve their flame retardancy. The values of average cell size, closed-cell ratio, apparent density, thermal conductivity, and compressive strength for all the foams were detected. Besides, thermal decomposition properties using thermogravimetric analysis and flame retardant properties using the limiting oxygen index and the cone calorimeter tests were determined. While the compressive strength values of all the foams and their composites were in the range of 61 and 260 kPa, the thermal conductivity values were in the range of 27.5 and 39.3 mW/m.K. In addition, with an increasing amount of flame retardants, the cellular structures were preserved and the limiting oxygen index (LOI) values of APK50/10E/10D and ŞPK/10E/10D foam composites increased to 25.7% and 24.9%, respectively.