Poliüretan-Silika aerojel kompozit malzeme üretimi
Polyurethane-silica aerogel composite material production
Yazar: BERAT KEÇECİ
Danışman: PROF. DR. SEVİL YÜCEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Isı yalıtımı = Heat insulation ; Kompozitler = Composites ; Poliüretan = Polyurethane ; Silika jel = Silica gel

Özet:
Silika aerojeller, bilinen en hafif katı malzemeler olmakla birlikte, yüksek gözeneklilik, yüksek yüzey alanı, düşük termal iletkenlik, çok düşük yoğunluk ve dielektrik sabiti gibi sahip olduğu olağanüstü özellikler sayesinde çok çeşitli uygulamalarda muazzam bir potansiyele sahiptir. Yüzeyinde modifikasyona imkan veren fonksiyonel gruplara sahip olması sayesinde silika aerojeller; uzay, inşaat, havacılık, ilaç ve gıda endüstrisi gibi bilimsel ve teknolojik alanlarda kullanılabilecek çeşitli formlarda üretilebilmektedir. Bu sayede son yıllarda silika aerojellerden yararlanmak için silika aerojel ve polimer malzemelerin birleştirilmesiyle kompozit malzemeler üretilmiştir.
Isı yalıtım sektöründe kullanılan ısı iletim katsayısı en düşük malzemeler poliüretan malzemelerdir. Poliüretan, poliol sistemi ile uygun izosiyanatın belirli oranlarda karıştırılmasıyla oluşan ve yalıtım alanında geniş kullanım alanına sahip bir malzemedir. Poliüretan malzemeler farklı yoğunluklarda ve formlarda kullanıma göre üretilebilir. 
Bu çalışmada, sol-jel, çöktürme ve kimyasal buhar birikimi metotları ile hidrofilik, hidrofobik özellikte silika aerojeller üretildi. Üretimler sodyum silikat ve TEOS ön başlatıcıları ile gerçekleştirildi. Poliüretan ise farklı fonksiyonel gruplara sahip polioller (GP400, GP700) ve izosiyanat (pMDI) ile sentezlendi.  Poliüretan sentezi sırasında silika aerojeller belirli oranlarda (%1-20 arası) poliol ile karıştırıldı. Üretime uygun katalizör, surfaktan ve köpürtme ajanı eklenerek ortam sıcaklığında kompozit malzemeler üretildi.
Üretilen kompozit malzemelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemek amacı ile Fourier Dönüşümlü Kızılötesi spektroskopisi,  He piknometresi, taramalı elektron mikroskopisi, termal iletkenlik analizi ile karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirildi. Spesifik yüzey alanlı (216-962 m2/g), yüksek gözenekli (%80-91) ve düşük yoğunluklu (0,22-0,48 g/cm3) hidrofobik ve hidrofilik silika aerojeller elde edildi. FTIR analizi ile ortaya çıkan silika ve üretan bağlarına ait pikler, SEM analizi ile poliüretan kapalı hücrelerinde görüntülenen silika partikülleri, uygulanan yöntem ile kompozit üretiminin başarıyla gerçekleştiğini kanıtlamıştır. Aerojellerin ve kompozitlerin ısıl iletkenlik sonuçları karşılaştırıldığında, silika aerojellerin poliüretanlara eklenmesi ile poliüretanın termal özelliklerini iyileştirdiği ortaya çıkmıştır.

Abstract:
Silica aerogels, the lightest solid materials known, although high porosity, high surface area, low thermal conductivity, low dielectric constant, such as density and extraordinary properties, thanks to which has tremendous potential in a wide variety of applications. Silica surface modification with functional groups that allows for aerojel; as space, construction, aerospace, pharmaceutical and food industry, scientific and technological fields that can be used in various forms can be produced. In this way, composite materials have been produced by combining silica aerogel and polymer materials to take advantage of silica aerogels in recent years.
The materials with the lowest heat conduction coefficient used in the thermal insulation industry are polyurethane materials. Polyurethane is a material that is formed by mixing the appropriate isocyanate in certain proportions with the polyol system and has a wide range of uses in the field of insulation. Polyurethane materials can be produced according to use in different densities and forms.
In this study, hydrophilic, hydrophobic silica aerogels were produced by sol-gel, precipitation and chemical vapor deposition methods. The productions were carried out with sodium silicate and TEOS pre-initiators. Polyurethane was synthesized with polyols with different functional groups (GP400, GP700) and isocyanate (pMDI). During the synthesis of polyurethane, silica aerogels were mixed with polyol in certain proportions (%1-20). Composite materials were produced at ambient temperature by adding the appropriate catalyst, surfactant and foaming agent to the production.
In order to determine the physical and chemical properties of the produced composite materials, characterization studies were carried out with Fourier Transform Infrared Spectroscopy, He pycnometry, Scanning electron microscopy, thermal conductivity analysis. Hydrophobic and hydrophilic silica aerogels with specific surface area (216-962 m2/g), high porosity (80-91%) and low density (0.22-0.48 g/cm3) were obtained. The peaks of silica and urethane bonds revealed by FTIR analysis, silica particles displayed in polyurethane closed cells by SEM analysis, proved that composite production was successfully realized by the applied method. When the thermal conductivity results of aerogels and composites were compared, it was revealed that the addition of silica aerogels to polyurethanes improved the thermal properties of polyurethane.