UV ışığıyla sertleşebilen fonksiyonel polimer-nanokompozit malzemelerin geliştirilmesi
Development of UV-curable functional polymer nanocomposite materials
Yazar: MERT ÇINAR
Danışman: PROF. DR. SEVİM KARATAŞ ; DOÇ. DR. GÖKHAN ÇAYLI
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Organik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Film kaplama = Film coating ; Kompozit polimerler = Composite polymers ; Radikal polimerleşme = Radical polymerization ; Rijit poliüretan = Rigid polyurethane

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, kendini onarma özelliği kazandırılmış bir seri poliüretan akrilat (PUA) ve onların silika (SiO2) esaslı nanokompozit kaplama malzemeleri geliştirilmiştir. Bunun için; Quadruple hidrojen bağları üzerinden fiziksel çapraz bağlanma yeteneğine sahip Üreidopirimidinon grupları (UPy), UV ile sertleşebilen ester bazlı PUA reçinesi bünyesinde birleştirilmiştir. İlk aşamada, izosiyanat fonksiyonlu yapı blokları; UPy gruplarını oluşturan NCO-MIC ve UV-ışığına duyarlı bir monomer olan NCO-HEMA sentezlenmiştir. İkinci aşamada ise ilk olarak, biyobazlı itakonik asit (IA) ve alil glisidil eter'in (AGE) halka açılma reaksiyonu ile hidroksil sonlu doymamış ester monomeri (UnE-OH) sentezlenmiş ve ardından izoforon diizosiyanat (IPDI) ile reaksiyona sokularak UV-sertleşebilen hidroksil sonlu üretan oligomeri (U-OH) elde edilmiştir. Üçüncü aşamada ise U-OH oligomeri; sentezlenen yapı blokları ile çeşitli oranlarda reaksiyona sokularak fonksiyonellik kazandırılmış ve bir dizi UV-sertleşebilen UPy içeren PUA reçineleri elde edilmiştir. Sentezlenen yapı blokları ve reçinelerin kimyasal yapıları 1H NMR ve FT-IR spektroskopi teknikleri kullanılarak aydınlatılmıştır. Ayrıca, sol-jel yöntemiyle silika (SiO2) esaslı nanoparçacıklar sentezlenmiştir. Çalışma kapsamında bir seri UV-sertleşebilen UPy içeren PUA ve onların SiO2 esaslı hibrit nanokompozit formülasyonları hazırlanmış ve UV ile sertleştirildikten sonra kaplama malzemelerinin çeşitli özellikleri incelenmiştir. Dinamik mekanik analiz, daha yüksek UPy içeriğine sahip örneklerin cam geçiş sıcaklığının (Tg) arttığını, bununla birlikte çekme-kopma testine göre mekanik özelliklerin büyük ölçüde değişmeden kaldığını ortaya koymuştur. Ayrıca, hibrit nanokompozitler saf PUA'lara kıyasla daha iyi termal özellikler göstermiştir. Tüm kaplamalar görünür bölgede iyi bir ışık geçirgenliği sergilemiştir. Polimerik malzemelerin kendini onarma özelliği, pleksiglas panelleri bir jilet yardımı ile çizerek ve ardından 90°C'de 10 dakika ısıtma işlemi uygulanarak optik mikroskop ile gözlemlenmiştir. Örnekler arasında, en yüksek UPy içeriğine sahip kaplama, en etkili kendini onarma davranışı göstermiştir.

Abstract:
In this study, a series of polyurethane acrylates (PUA) and their silica (SiO2) based nanocomposite coating materials with self-healing abilities have been developed. For this purpose, Ureidopyrimidinone groups (UPy) with the ability to form quadruple hydrogen bonding via physical crosslinking have been effectively integrated into the UV-curable ester-based PUA resin. First, isocyanate functional building blocks, UPy groups (NCO-MIC), and an acrylate-based photosensitive monomer (NCO-HEMA) were synthesized. Secondly, a UV-curable unsaturated ester monomer (UnE-OH) was synthesized and then reacted with isophorone diisocyanate (IPDI) to obtain a UV-curable hydroxyl-terminated urethane oligomer (U-OH). In the next step, U-OH oligomer was functionalized by reacting with various ratios of synthesized building blocks. Subsequently, a series of UV-curable UPy-containing PUA resins were obtained. Structural characterizations of the resins were carried out using 1H NMR and FT-IR spectroscopy. Additionally, SiO2 based nanoparticles were synthesized via the sol-gel process. Within the scope of the study, a series of UV-curable UPy containing PUA and SiO2 based hybrid nanocomposite formulations were prepared, and their synergistic effects on coating properties were investigated. Dynamic mechanical analysis revealed that samples with higher UPy content had increased glass transition temperature (Tg), while tensile-elongation tests showed that mechanical properties remained largely unchanged. Research also showed that hybrid nanocomposites exhibited better thermal properties compared to pure PUAs. All coatings exhibited good light transmittance in the visible region. The self-healing property was evaluated using an optical microscope by scratching plexiglass panels with a razor blade and then heating at 90°C for 10 minutes. Among the samples, the coating with the highest UPy content showed the most effective self-healing behavior.