Alev geciktirici 9,10-dihidro-9-oksa-10-fosfafenantren 10-oksit (DOPO) ile fonksiyonelleştirilmiş epoksi reçine sisteminin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of flame retardant epoxy resin functionalized with DOPO
Yazar: FATMA ZEYNEP ARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. ALTUĞ MERT SEVİM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Epoksi reçineler, mekanik özellikleri, boyutsal kararlılığı, uygun kimyasal ve termal direnci sayesinde kaplamalar, kompozit malzemeler, yapıştırıcılar ve enjeksiyonlu kalıplama malzemelerinde kullanılmaktadır. Ancak epoksi malzemeler iyi özeliklerinin yanında kolay alevlenebilir oluşundan dolayı havacılık, otomotiv ve yapı sektöründe bazı standartlarla belirlenmiş kısıtlamalara tabidir. Mukavemet gibi özelliklerine zarar vermeden alev direncinin geliştirilmesi gerekir, bu doğrultuda istenen alev direnci özelliklerinin sağlanması için epoksiye katkılama ajanlarının optimum oranlarda eklenmesi gerekmektedir. Toksik özellikleri değerlendirilerek, çevre dostu ürünlerle alev direncinin sağlanması üzerine son yıllarda çalışmalar artmıştır. Alev direnci sağlanırken mekanik özelliklerin korunmasına yönelik yapılan bu çalışmada ilk olarak amonyumpolifosfat (APP) ile epoksilerde alev direnci geliştirilmeye çalışılmıştır. APP'nin epoksi reçine sisteminde alev direnci sağlayabilmesi için % 30' un üzerinde katkılama yapılır. Mukavemet değerlerinin yüksek katkılama oranlarında korunamaması, çalışmanın yakın konsantrasyonlarda yüksek verim sağlayan 9,10-Dihidro-9-Oksa-10-Fosfafenraten 10-Oksit (DOPO) ve türevleri ile sürdürülmesini gerekli kılmıştır.
Hazırlanan deney prosedüründe öncelikli olarak mevcut epoksi reçine sisteminde DOPO' nun katkılanabileceği optimum miktar belirlenmiş, UL 94 dikey yanma testine göre %30 katkılama ile V1 seviyesinde yanma direnci elde edilebildiği görülmüştür. Azot (N) yapısı içeren amin ve aldehitlerle ligand sentezleri yapılarak organik yapıya dahil edilmiş, DOPO türevi bileşenlerin(6-(((4-hidroksifenil)amino (piridin-4-ilmetil)dibenzo)okza fosfin 6 oksit), 6-(((4-hidroksifenil)amino (piridin-2-ilmetil)dibenzo)okza fosfin 6 oksit), 6-((4-dimetilamino)fenil(4-hidroksifenil)amino)metil dibenzo okza fosfin 6 oksit) reaksiyonda hem alev geciktirici hem katalizör etkisi göstermesi beklenmiştir. Molekülün epoksi yapısına doğrudan dahil edilmesiyle yanma direnci sağlanırken, mukavemet değerlerinin korunması da hedeflenmiştir.
Sentez sonucunda elde edilen en iyi numune ile metal komplekslerinin sinerjist etkisi sağlanmak üzere bakır, çinko ve kobalt ile reaksiyon gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında sentezlenen DOPO türevi bileşenin epoksi içerisindeki yanma direnci ve mukavemet değerleri modifiye edilmemiş epoksi reçine sistemiyle kıyaslanmıştır.

Abstract:
Epoxy resins are widely used in coatings, composite materials, adhesives, and injection molding materials due to their superior mechanical properties, dimensional stability, chemical resistance, and thermal resistance. However, due to their high flammability, there are certain restrictions for their usein industries such as aviation, automotive, and construction. To enhance flame resistance without compromising other properties like strength, additives must be incorporated into epoxy resins in optimal concentrations. In recent years, there has been an increasing interest on developing environmentally friendly products while ensuring flame resistance by assessing their toxic properties.
In this study, the first approach involved improving flame resistance in epoxy resins by adding ammonium polyphosphate (APP). To achieve flame resistance in epoxy resin systems, APP concentration should exceedover 30 %. However, the mechanical properties were not preserved at high concentrations of additives, which required further research with more effective chemicals such as 9,10-Dihydro-9-Oxa-10-Phosphaphenanthrene 10-Oxide (DOPO) and its derivatives.
In the experimental procedure, the optimal DOPO concentration in existing epoxy resin system was first determined. It was found that 30% addition of DOPO achieved flame resistance at the V1 level in the UL 94 vertical burning test. DOPO derivative components, which included structures with nitrogen, amines, and aldehydes, were synthesized and incorporated into the organic structure. It was expected that these components would exhibit both flame retardant and catalytic effects in the reaction. By directly integrating the proposed flame retardant additives into the epoxy structure, the goal was to achieve flame resistance while maintaining strength values.
The best sample obtained from the synthesis was subjected to reactions with copper, zinc, and cobalt to achieve a synergistic effect with metal complexes. Within the scope of the study, the flame resistance and strength values of the synthesized DOPO derivative component were compared to those of the unmodified epoxy resin system.