Çevre dostu su bazlı poliüretan nanokompozit verniklerin geliştirilmesi ve film özelliklerinin incelenmesi
Development of eco-friendly water-based polyurethane varnish and investigation of film properties
Yazar: SONGÜL DUZAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN TAMER
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Bitkisel yağlar = Plant oils ; Poliol = Polyols ; Poliüretan = Polyurethane ; Selüloz = Cellulose ; Vernik = Varnish ; Çapraz bağlama = Cross linking

Özet:
Ahşap malzemelerin uzun yıllar sorunsuz bir şekilde kullanılabilmesi, estetik açıdan güzelliğinin, renginin ve doğal görünümünün korunması ve geliştirilmesi için çeşitli vernik ve kaplama malzemeleri kullanılmaktadır. Günümüzde yüzey kaplama endüstrisinde ticari olarak kullanılan önemli polimer sınıflarından birini oluşturan su bazlı poliüretanlar (WPU), oda sıcaklığında film oluşturabilme, üstün performans özellikleri sunma ve yapısal kontrol edilebilirlik avantajları ile minimum uçucu organik bileşen gereksinimlerini karşılayan çevre dostu bir malzeme olarak özellikle yüzey kaplama ve yapıştırıcılar alanında önem kazanmıştır. Son zamanlarda, çevresel kaygılar, dünya ham petrol stoklarındaki hızlı azalış ve artan ham petrol fiyatları sebebiyle, yenilenebilir ve düşük maliyetli olmaları ve kolaylıkla modifiye edilebilmelerinden dolayı bitkisel kaynaklı yağlardan elde edilen poliollerin poliüretan üretiminde kullanımı sürdürülebilir gelişme için çok önemlidir. Diğer taraftan, su bazlı poliüretanların zayıf özelliklerinin iyileştirilerek kaplama uygulamalarında daha uzun süreli koruma ve dayanıklılık sağlamak amacıyla yeni ürün formülasyonlarının geliştirilmesi büyük önem arz etmektedir.
Bu tez çalışmasında, bitkisel kaynaklı bir poliol kullanılarak, nanokristalin selüloz (NCC) ile takviyelendirilmiş kendi kendine çapraz bağlanabilen, üstün mekanik özelliklere sahip çevre dostu su bazlı poliüretan vernik malzemelerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında üzüm çekirdeği yağından tiyol-en reaksiyonu ile hidroksil sayısı 210 KOH/mg olan ve molekül ağırlığı 2075 g mol-1 olan poliol (UCYOL) eldesi gerçekleştirilmiş olup yapısı FTIR ve 1H-NMR analizleri le ortaya konulmuştur. Elde edilen poliol ve izosiyanat olarak izoforon diizosiyanat (IPDI) kullanılarak bir diamin zincir uzatıcı olan [3-(2-aminoetil) amino propil] trimetoksisilan (AEAPTMS) varlığında kendi kendine çapraz bağlanan su bazlı poliüretan dispersiyonları (WPU) hazırlanmıştır. İstenilen özelliklerde kararlı WPU dispersiyonlarının elde edilebilmesi için optimum sentez koşullarını belirlemek amacıyla öncelikle bir seri deney yapılmıştır. Poliol/izosiyanat oranı 1/3 olarak sabit tutulmuş ve tüm deneyler için bu oran kullanılmıştır. 
NCC içeren WPU nanokompozitlerinin hazırlanmasında WPU matris ile NCC arasındaki etkileşimi arttırmak için, NCC nanotanecikleri AEAPTMS ile modifiye edilmiştir (SNCC). Modifikasyon işleminin elde edilen son ürün özellikleri üzerindeki etksini araştırmak için, 3 farklı oranda NCC ve SNCC içeren WPU dispersiyonları hazırlanmıştır. Fonksiyonlu nanotanecik içeriğinin elde edilen WPU dispersiyonlarının ve filmlerinin fiziksel, mekanik ve termal özelliklerine etkisi çeşitli karakterizasyon metotları kullanılarak detaylı olarak incelenmiştir. Genel olarak, SNCC ilavesinin WPU filminin çekme dayanımını, hidrofobikliğini, su direncini ve termal stabilitesini arttırdığı gözlenmiştir. 
Çalışma sonunda elde edilen çeşitli su bazlı poliüretan dispersiyonların vernik olarak kullanılabilirliklerini test etmek üzere WPU dispersiyonlarına vernik yardımcı maddeleri olan ıslatıcı, köpük kesici, yapışma arttırıcı ve yardımcı çözücü eklenerek su bazlı vernik formülasyonları hazırlanmıştır. Elde edilen su bazlı vernik filmlerinin yüzey görünümü, su direnci, anti-adezyon özelliği ve kurşun kalem sertliği gibi özellikleri belirlenmiştir.

Abstract:
Various varnishes and coating materials are used to ensure that wooden materials can be used without any problems for many years and to preserve and improve their aesthetically beautiful colors and natural appearance. Water-based polyurethanes (WPU), one of the essential polymer classes commercially used in the surface coating industry today, are an environmentally friendly material that meets the minimum volatile organic component requirements with the advantages of film-forming at room temperature, offering superior performance properties and structural controllability.
Recently, due to environmental concerns, a rapid decrease in world crude oil stocks and increasing crude oil prices, the use of polyols obtained from vegetable oils in polyurethane production is very important for sustainable development because they are renewable, low cost and easily modified. On the other hand, it is of great importance to develop new product formulations in order to improve the weak properties of water-based polyurethanes and provide longer-term protection and durability in coating applications.
In this thesis, it was aimed to develop environmentally friendly, plant-derived polyol-based and nanocrystalline cellulose (NCC) reinforced water-based polyurethane varnish materials with superior mechanical properties. In the first stage of the study, polyol (UCYOL) with a hydroxyl number of 210 KOH/mg and a molecular weight of 2075 g mol-1 was obtained by the thiol-ene reaction from grape seed oil, and its structure was revealed by FTIR and 1H-NMR analyses. Self-crosslinking water-based polyurethane dispersions (WPU) were synthesized in the presence of a diamine chain extender [3-(2-aminoethyl) amino propyl] trimethoxysilane (AEAPTMS) using the resulting polyol and isophorone diisocyanate (IPDI) as the isocyanate. In order to obtain stable WPU dispersions with desired properties, firstly, a series of experiments were carried out to determine the optimum synthesis conditions. The polyol/isocyanate ratio was kept constant as 1/3, which was used for all experiments.
In order to increase the interaction between the WPU matrix and NCC in the preparation of NCC-containing WPU nanocomposites, NCC nanoparticles were modified with AEAPTMS to give SNCC-containing WPUs. WPU dispersions containing three different ratios of NCC and SNCC were prepared to investigate the effect of the modification process on the final product properties. The impact of functional nanoparticle content on the physical, mechanical and thermal properties of the obtained WPU dispersions and films was investigated in detail using various characterization methods. In general, it was observed that the addition of SNCC increases the tensile strength, hydrophobicity, water resistance and thermal stability of the WPU film.
In order to test the usability of various water-based polyurethane dispersions obtained at the end of the study as varnish, water-based varnish formulations were prepared by adding auxiliary varnish agents such as wetting agent, defoamer, adhesion promoter and additional solvent to WPU dispersions. The surface appearance, water resistance, anti-adhesion properties and pencil hardness of the obtained water-based varnish films were determined.