Güç tutuşur su bazlı poliüretan sentezi ve polyester kumaş kaplaması olarak incelenmesi
Synthesis of flame retardant waterborne polyurethane and investigation its use in polyester fabric coating
Yazar: CANAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. HASAN BASRİ KOÇER
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Lif ve Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Polimer kaplama = Polymer coating

Özet:
Her geçen gün yüksek performanslı, kolay uygulanabilir ve çevreci polimerik malzeme arayışı artmaktadır. Su bazlı poliüretanlar belirtilen özellikteki malzemelerin başında yer almaktadır. Yapıları gereği yanıcı olduklarından dolayı, güç tutuşur su bazlı poliüretan elde edilebilmesi; ana zincire kovalent bağ ile güç tutuşur bileşenlerinin katılması ya da fiziksel olarak karışım sağlanması ile mümkündür. Fiziksel olarak karışımda istenen güç tutuşurluk (FR) performansına ulaşılabilmesi için yüksek oranda FR katkısının kullanımı ve dispersiyon sorunları karşımıza çıkmaktadır. Çalışma kapsamında prepolimer ve aseton yöntemi birlikte kullanılarak ana zincire eklenen FR poliol ve polyester poliol yardımıyla su bazlı güç tutuşur poliüretanlar katkısız, %1, 5, 10, 100 FR poliol içeriği olmak üzere sentezlenmiştir. Sentezlenen poliüretanlar %100 polyester kumaşa yaklaşık 100 g/m2 kuru madde miktarı ile havada bıçak yöntemi kullanılarak kumaşın her iki yüzüne de kaplandıktan sonra; FT-IR, mekanik özellikleri, güç tutuşurluk testleri, termal davranışları, tuşe özellikleri, ışık haslığı, yüzey analizi ve aşınma özellikleri incelenerek karşılaştırılmıştır. Güç tutuşur testleri olarak ticari açıdan son kullanıcı firmaların perdelik kumaşlarda yoğunlukla talep ettiği BS EN ISO 15025, IMO (FTP code part 7), NF P 92 503 ve 504 testleri kaplamalı kumaşa uygulanmış, yapılan testlerde FR poliol içermeyen poliüretan kaplama tüm testlerden kalırken, güç tutuşur poliol içeren kaplamalar BS EN ISO 15025 ve IMO testlerinden geçmiştir. Yapılan testler arasında daha zor olan NF P 92 503 ve 504 testinin ilk aşaması olan 504'ten sadece %100 FR poliol içeren kaplama geçerken, tüm kaplamalar 503 ve 504 testlerinden kalmıştır. Sentezlenen poliüretanların film halinde termal davranışları incelendiğinde, FR poliol katkısı %10 içeren sentezden itibaren bozunmanın belirgin bir şekilde daha düşük sıcaklıkta başladığı ve kalan madde miktarının sentezdeki FR poliol miktarı arttıkça arttığı görülmüştür, bu da hızlı bozunmanın etkisi ile yüzeyde kül tabakası oluştuğunu ve bu tabakanın güç tutuşurluk testlerinde olumlu katkı sağladığını göstermiştir. Kaplanmış kumaşların yüzey analizleri SEM ile yapılmış ve yaklaşık 70 μm kalınlıkta homojen bir kaplamanın yapıldığı, 5000 devir abrasyon testi sonrasında bile kaplamanın aşınmadığı görülmüştür. Ayrıca EDS analizi ile FR poliolün fosfor ve brom tabanlı olduğu hakkında fikir sahibi olunmuştur. Kumaş mukavemetinden etkilenmemesi için film halinde yapılan mukavemet testlerinde %500'e kadar uzama değerinde %100 FR poliol içeren sentez dışındakilerde kopma gözlemlenmemiş ve FR poliol miktarı arttıkça gerilme azalırken benzer uzama özelliği görülmüştür, ancak %100 FR poliol içeren filmde %49,06'da kopma gözlemlenmiştir. Kaplamalı kumaşların tuşe değerleri Handle O-Meter cihazı ile sayısal olarak ölçülerek FR poliol oranı arttıkça atkı ve çözgü yönünde sertlik değerlerinin arttığı görülmüştür ve bu da mukavemet testleri ile örtüşerek polyester poliolün yapıya esneklik kattığını göstermektedir. Son olarak kaplamalı kumaşlar ışık haslığı testine tabi tutulmuş ve mavi yün skalaya göre (mavi yün skalaya göre en iyi değerlendirme 8) FR poliol katkısız ve %1 katkılı 7, diğerleri ise 6 olarak değerlendirilerek geçer not almıştır. Tüm test sonuçları göz önünde tutularak %1 FR poliol katkılı poliüretan kaplamanın optimum nitelikte olduğu belirlenmiştir. Bu tez çalışması kapsamında çevreci, güç tutuşur su bazlı poliüretan polyester kumaş kaplaması üretilmiş, güç tutuşur özelliği ana zincire aktif monomerin bağlanması ile çok düşük bir katkı oranında (%1) sağlanmış ve ticari açıdan testler ile değerlendirilmiştir.
Anahtar kelimeler: Su bazlı, poliüretan, güç tutuşur, kaplama.

Abstract:
Nowadays, the search for high-performance, easy-to-apply, environment-friendly polymeric materials is increasing. Water-based polyurethanes are at the top of the specified materials. Due to their combustible structure, for handling flame retardant waterbased polyurethanes, it is possible to incorporate the flame retardant (FR) components into the main chain by covalent bonds or to provide a physical mixture. In order to achieve the desired FR performance in the mixture physically, the use of high amounts of FR and dispersion problems are encountered. In the scope of the study, novel waterbased flame retardant polyurethanes containing FR polyol and polyester polyol at the main chain were synthesized by combined prepolymer with acetone process as additive-free, 1, 5, 10 and 100% FR polyol content. These new polyurethanes are coated on both sides of the fabric using air blade method with 100 g/m2 dry add on content to 100% polyester fabric. Then, FT-IR, mechanical properties, flame retardant tests, thermal behavior, touch properties, light fastness, surface analysis and wear properties were tested and compared. BS EN ISO 15025, IMO (FTP code part 7), NF P 92 503 and 504 tests as demanding flame retardant tests by end-user firms for the curtain fabrics were applied to the coated fabrics. FR polyol-free polyurethane coating samples failed all tests, while the others with FR polyol passed BS EN ISO 15025 and IMO tests. On the other hand, the samples containing 100% FR polyol passed the NF P 92 504 test, but rest of them could not pass the NF P 92 503 and 504 tests. When the thermal behavior of the synthesized polyurethanes was examined, it was seen that the decomposition of the polyuretane containing 10% FR polyol began significantly lower temperature compared with those containing lower amounts of FR polyol. The amount of the solid residue increased as the percentage of FR polyol increased, in accord with the success in the flame retardant tests by forming the char layer. The surface of coated fabrics were examined with SEM and it was seen that a homogeneous coating with a thickness of 70 μm was achieved, and the coating was not damaged even after 5000 cycle in the abrasion test. The tensile strength was measured in the film form to avoid the fabric strength and elongation up to 500%, the failure in the strength of all the samples except for that with 100% FR polyol was not observed. As the amount of FR polyol increased, the strain decreased while similar elongation was observed. However, breaking at 49.06% elongation was observed for the film containing 100% FR polyol. In the coated fabrics, the touching values were measured numerically with a Handle O-Meter, and the stiffness value in the weft and warp direction increased as the FR polyol ratio increased. and these results are consistent with those obtained by strength tests, indicating that the presence of polyester polyol adds flexibility to the structure. Finally, coated fabrics were tested for light fastness and FR polyol free and the sample with 1% FR polyol are rated as 7 (the best being 8 according to the blue wool scale), while the others are rated 6. These values are quite sufficient. Considering the all test results, the sample containing 1% FR polyol was recommended as the most suitable one. In the scope of this thesis, a green, flame retardant water based polyurethane coated polyester fabric was prepared. Flame retardancy was achieved at a very low percentage of FR polyol due to bonding to the back bone of the polymer as evaluated with commercial tests.
Keywords: Waterborne, polyurethane, flame retardant, coating.