Fosfor grupları içeren epokside soya yağı esaslı poliollerin sentezi ve alev geciktirici özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of phosphorus containing epoxidized soybean oil polyols and examination of their flame retardant properties
Yazar: DENİZ YERLEŞTİ
Danışman: PROF. DR. TARIK EREN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Günlük hayatımızda kullandığımız ve çevremizde gördüğümüz malzemelerin büyük çoğunluğunu polimerler, plastikler oluşturmaktadır. Kullanım alanlarının çokluğu ve efektiflikleri nedeniyle polimerler günümüz araştırma dünyasının en popüler araştırma konularındandır. Geniş endüstriyel kullanımı olan sentetik polimerlerin ham maddeleri petrol türevleridir. Petrokimyasal hammaddelerinin kullanımlarının birçok dezavantajı bulunmaktadır. Bunlardan başlıcaları; petrol kaynaklarının gün geçtikçe azalması, üretim maliyetleri, taşıma maliyetleri ve en önemlisi yenilenebilir bir kaynak olmadıklarından çevreye verdiği olumsuz etkiler sayılabilir. Tüm bu dezavantajlar bilim insanlarını yeni, yenilenebilir, bitki yağı esaslı, kolay temin edilebilir, ucuz alternatifler aramaya itmiştir ve bitki yağı esaslı polimerlerin kullanımı artmıştır. Ayrıca, bitkisel yağların uzun yağlı asit zincirleri, epoksi, üretan ve polyester reçineler gibi bazı kırılgan reçine sistemlerine arzu edilen esneklik ve tokluğu kazandırmaktadır. Soya yağı da ucuz olması ve kolay temin edilebilmesi nedeniyle bitki esaslı polimer sentezinde oldukça fazla kullanılan bir yağdır. Polimer eldesinde genellikle soya yağının kimyasal oksidasyonu ile elde edilen ve ticari olarak da temin edilebilen epoksi modifiye hali kullanılmaktadır. Bitkisel kaynaklar, yenilenebilir kaynaklardan elde edilen malzemeler için önemli bir hammaddedir.
Günlük hayatımızda kullandığımız polimerler ile diğer bir önemli problem ise polimerlerin yanma özelliklerinin iyi olmamasıdır. Alev geciktirici katkı malzemeleri ile polimerlere alev geciktirici özellik katılmaktadır. Bugün, halojenli bileşikler endüstride alev geciktirici katkı malzemesi olarak yoğun olarak kullanılmaktadır. Bromlu, klorlu alev geciktiriciler nispeten efektif olmalarına karşın çevreye ve insan sağlığına büyük zararlar vermektedirler. 
Sağlık ve çevre faktörleri yeni tür alev geciktirici malzemeler üretilmesini gerekli kılmıştır ve son yıllarda dikkatler halojen içermeyen alev geciktirici malzemelerin üretimi üzerine kaymıştır. Ayrıca uzun süre alev geciktirici özellikte olan, polimer matris kovalent bağlı alev geciktiriciler üzerine çalışmaların yoğunlaştığı görülmektedir. Özellikle fosfor içerikli alev geciktiriciler alev geciktirme özelliklerinin iyi olması, toksik gaz oluşturmamaları gibi sebeplerden ötürü halojen içeren alev geciktiricilerin yerini almaya başlamış ve bilim insanlarının ilgisini çeken bir konu olmuştur. 
Bu çalışmada epokside soya yağı, fosfor içerikli tetraol bileşiği (DYM) ile reaksiyona giren soya yağı esaslı yeni alev geciktirici poliol (ESBO-DYM) sentezlenmiş olup, bu polioller poliüretan köpük formülasyonunda kullanılmış ve bunların alev geciktirici özellikleri incelenmiştir. Poliüretanların yanmazlık testleri kapsamında TGA analizleri, LOI (limit oksijen indeksi) değerleri de incelenmiştir. Sentezlenen poliüretanların ayrıca mekanik özellikleri ve hücre yapıları da incelenmiş bu kapsamda örneklerin SEM analizleri ve çekme-basma dayanımları yapılmıştır. Yapılan köpük çalışmasında fosfor miktarı arttıkça malzemenin ısıl dayanım özellikleri arttığı görülmüştür. Poliüretan köpük formülasyonunda fosfor içeren soya yağı esaslı poliol (ESBO-DYM) %5, %15, %25, %50, %75, %100 (poliol miktarı olarak) kullanıldığında LOI sonuçları %18.3, %18.8, %18.8, %21.8, %22.3, %22.9 bulunmuştur. TGA analizinde 40°C'den 700°C'ye ısıtılan ESBO-DYM poliüretan köpük örnekleri %3.47-4.87 arasında kalıntı bırakırken standart poliol ile hazırlanan poliüretan köpük örneği tamamen bitmiştir. Sonuç olarak ısıl dayanımları yüksek, fosfor içeren yağ esaslı poliüretan malzemeler elde edilmiştir.
 
Anahtar Kelimeler: Yanmazlık, alev geciktirici, poliol, poliüretan, fosfor

Abstract:
The majority of materials which we use in our daily life are mainly polymers and plastics. Because of their versatility and effectiveness, polymers are the most popular research topic of the current research of the World. Raw materials of synthetic polymers are petroleum derivatives and there are many disadvantages for petrochemical feedstocks, such as energy, production, and transportation cost and  nonrenewable resource. Consequently, much attention has been focused on the development of polymeric materials from renewable resources such as vegetable oils. Vegetable oil is one of the repretentative feedstock for petroleum based polymer because of their biodegradability, renewability and low price. Furthermore, the long fatty acid chains of vegetable oils impart desirable flexibility and toughness to some brittle resin systems such as epoxy, urethane and polyester resins. Plant resources are an important raw material for the materials obtained from renewable sources. Soybean oil is one of the most abundant and low-cost vegetable oils available in most parts of the World. Epoxidized soybean oil (ESO) can be derived by chemical oxidation of soybean oil and is commercially available.
Another problem of polymers' are flammability. Flame-retardant additives are often used and necessary for the finished commercial polymer based materials. Today, halogenated compounds for flame retardancy are mainly used in the industry. Halogenated organic molecules, such as brominated or chlorinated compounds, are particularly effective flame retardants. However, they cause environmental and health hazards that are restricting their continued use in the industry. Due to health and environmental causes new flame retardant compounds are significant. Halogen-free flame retardants for polymeric materials have attracted increasing attention in recent years. It is also seen that the works centered around the Flame retardants which covalently bonded to the polymer matrix. Especially, phosphorus-containing flame retardants give off less toxic combustion products, influence the reaction in the condensed phase, and become an important replacement for halogen flame retardants.
This research focuses on the design and synthesis of novel polymer materials through the incorporation epoxidized soybean oil and phosphorus containing tetraol product (DYM) into the polymer structure to be used as non-flammable and biodegrable polyols. The synthesized polyols (ESBO-DYM) used in rijit polyurethane formulation. 
TGA analyzes and LOI (limit oxygen index) values of polyurethanes were also examined within the scope of non-flammability tests. The mechanical properties and cell structure of the synthesized polyurethanes were also examined with SEM analysis. By the amount of phosphorus increased in the foam, the thermal stability properties of the material are also increased. LOI results were found %18.3, %18.8, %18.8, 21.8%, 22.3%, 22.9% when using %5, %15, %25, 50%, 75%, 100% (as polyol amount) of soybean based polyol (ESBO-DYM) containing phosphorus in the polyurethane foam formulation. Respectively in the TGA analysis ESBO-DYM polyurethane foam samples heated from 40 ° C to 700 ° C, and resulted in 3.47-4.87% char, while the polyurethane foam sample prepared with the standard polyol was completely depleted. This work is centered around the synthetic challenges of creating new well defined systems and their potential for advancing in the field of ultra high flame retardancy with an improvement performance for new applications.  

Keywords: Flame retardant, flame retardant, polyol, polyurethane, phosphorus.