Novel solutions in polyurethane coatings
Poliüretan kaplamalarda yenilikçi çözümler
- Tez No: 1000707
- Danışmanlar: PROF. HAKAN DURMAZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Poliüretan esaslı malzemeler, kaplama ve özel kimyasallar endüstrisinde en çok yönlü ve stratejik açıdan en önemli polimer sınıflarından birini oluşturmaktadır. Sert ve yumuşak segmentlerin üretan bağlarıyla birbirine bağlandığı segmentli moleküler mimarileri sayesinde, mekanik, termal, yüzeysel ve bariyer özellikleri yüksek hassasiyetle ayarlanabilmektedir. Bu özellikleri doğrultusunda poliüretan kaplamalar; endüstriyel ve koruyucu kaplamalar, korozyon koruma sistemleri, yapıştırıcılar, elastomerler, fonksiyonel tekstiller ve ileri kompozit uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, artan düzenleyici baskılar, sürdürülebilirlik gereklilikleri ve uygulamaya özgü performans beklentileri; özellikle uçucu organik bileşikler (VOC) üzerindeki kısıtlamalar ve izosiyanat maruziyetine yönelik endişeler, geleneksel poliüretan kimyasını yeniden şekillendirmekte ve çevre dostu kaplama teknolojilerine geçişi hızlandırmaktadır. Bu doktora tezinin motivasyonu, farklı uygulama alanlarında güvenilir performans gösterebilen, çok fonksiyonlu ve dayanıklı kaplama sistemlerine yönelik artan ihtiyaçtan kaynaklanmaktadır. Gelişen yaklaşımlar arasında, organic-inorganik hibrit kaplamalar, tamamlayıcı fonksiyonların tek bir malzeme platformunda birleştirilmesine olanak tanıyan güçlü bir strateji olarak öne çıkmaktadır. Özellikle silikon-poliüretan hibrit sistemler, polidimetilsiloksanın (PDMS) düşük yüzey enerjisi, yüksek zincir esnekliği ve termal kararlılığı ile poliüretanın mekanik dayanımı, aderansı ve film oluşturma kabiliyetini bir araya getirmektedir. Bu tür sistemlerin; hidrofobiklik, kayganlık, yıkama dayanımı ve çevresel etkilere karşı direnç gibi özellikleri iyileştirdiği literatürde gösterilmiştir. Bununla birlikte, silikon-poliüretan kaplamaların performansı, silikonun poliüretan omurgası içerisinde modifikatör olarak mı yoksa poliüretan segmentlerin silikon ağına entegre edildiği bir yapı olarak mı kullanıldığına güçlü biçimde bağlıdır. Bu farklı yapısal yaklaşımların, çeşitli uygulama alanları boyunca sistematik olarak karşılaştırıldığı çalışmalar literatürde sınırlıdır. Fonksiyonel tekstil apreleri, dayanıklılık, nem yönetimi ve tekrarlı yıkamalara karşı direnç gerektiren en önemli uygulama alanlarından birini oluşturmaktadır. Modern tekstil kaplamalarından; kontrollü ıslanma, etkin nem transferi ve yumuşak tutum gibi konfor odaklı özellikleri uzun süreli performansla birlikte sunmaları beklenmektedir. Ancak konvansiyonel silikon bazlı aprelerin, yıkama sırasında migrasyon veya uzaklaşma eğilimi göstermesi, zamanla fonksiyon kaybına yol açmaktadır. Bu nedenle, lif yüzeylerine yarı kalıcı şekilde bağlanabilen ve nem yönetimi performansını koruyabilen polimer bağlı veya hibrit sistemlere olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Teknik tekstillerin ötesinde, korozyon koruması da fonksiyonel kaplamalar açısından kritik bir araştırma alanıdır. Güncel korozyon araştırmaları; çevre dostu inhibitör sistemleri, hibrit bariyer kaplamalar ve kendini onarabilen veya uyarana duyarlı mimarilere odaklanmaktadır. Bu tür fonksiyonların su bazlı ve hibrit poliüretan sistemlere entegre edilmesi, sürdürülebilir ve yüksek performanslı antikorozyon kaplamalar için umut vadeden bir yaklaşım sunmaktadır. Ancak özellikle hibrit sistemlerde, polimer mimarisi, mikroyapı ve fonksiyonel performans arasındaki ilişkinin ortaya konması hâlen karmaşık ve yeterince araştırılmamış bir konudur. Özellikle tuzlu ortamlara yönelik polimerik inhibitör sistemleri gelişmekte olan bir araştırma alanıdır. Bu bağlamda, koruyucu kaplamaların yalnızca fiziksel bir bariyer oluşturmakla kalmayıp, metal yüzeye güçlü aderans sağlayan ve aktif veya kendini düzenleyen korozyon koruma mekanizmaları sunması beklenmektedir. Bu geniş bilimsel ve teknolojik çerçeve içerisinde, bu tez çalışması; hem fonksiyonel tekstil uygulamaları hem de korozyon koruma gereksinimlerini karşılayabilecek yeni poliüretan esaslı kaplama sistemlerinin geliştirilmesini ve sistematik olarak incelenmesini amaçlamaktadır. Çalışma iki ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, PDMS modifiye poliüretan (PDMS-m-PU), poliüretan modifiye silikon (PU-m-PDMS) ve referans olarak saf bloke poliüretan olmak üzere üç farklı poliüretan esaslı kaplama sistemi, kontrollü prepolimer ve bloke-debloke stratejileri kullanılarak başarıyla sentezlenmiştir. Polimer mimarisi-mikroyapı–fonksiyonel performans arasındaki ilişkiyi nicel olarak ortaya koymak amacıyla çok yönlü ve karşılaştırmalı bir karakterizasyon yaklaşımı ile incelenmiştir. Sentezlenen poliüretan ve hibrit reçinelerin kimyasal yapıları FTIR ve ¹H NMR, ¹³C NMR spektroskopisi ile doğrulanmış; üretan bağlarının oluşumu, silikon segmentlerin etkin entegrasyonu ve serbest izosiyanat gruplarının tamamen bloke edildiği gösterilmiştir. Moleküler ağırlık dağılımları jel geçirgenlik kromatografisi (GPC) ile belirlenmiş; termal geçişler ve deblokaj davranışları DSC ve TGA analizleri ile değerlendirilmiştir. Dispersiyon sistemlerinde partikül boyutu ve kolloidal stabilite dinamik ışık saçılımı (DLS) ile incelenirken, kaplama morfolojisi ve elementel dağılım SEM-EDX analizleri ile ortaya konmuştur. Elde edilen veriler, silikon segment içeriği, faz ayrımı derecesi, hidrofobik/hidrofilik denge ve film oluşum mekanizmasının; nem transferi, yüzey enerjisi, aderans ve bariyer özellikleri üzerinde belirleyici rol oynadığını göstermiştir. Elde edilen polimerler %100 pamuk dokuma ve %100 polyester örme kumaşlara uygulanmış; SEM-EDX analizleri ile homojen kaplama dağılımı, lif yüzeylerinde kalıcı tutunma ve yaklaşık 0,8 ve üzeri toplam nem yönetimi (OMM) değerleri elde edildiği doğrulanmıştır. Böylece hibrit poliüretan sistemlerde moleküler tasarım parametrelerinin makroskobik performans kriterlerine doğrudan yansıdığı deneysel olarak kanıtlanmıştır. Tezin ikinci odak noktası korozyon korumasıdır. Bu bölümde, poli(stiren-ko-maleik anhidrit) yapısının TRIZMA ile modifikasyonu yoluyla yeni bir polimerik korozyon inhibitörü sentezlenmiş, kimyasal yapıları FTIR ve ¹H NMR, ¹³C NMR spektroskopisi ile doğrulanmıştır. VOC uyumlu su bazlı bir poliüretan sentezlenerek FTIR ve ¹H NMR, ¹³C NMR spektroskopisi ile yapı doğrulanmıştır. Ardından korozyon inhibitörü su bazlı poliüretan dispersiyon matrisine başarıyla entegre edilmiştir. Korozyon koruma çalışmalarında ise %3,5 NaCl ortamında gerçekleştirilen elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve Tafel polarizasyon analizleri, polimerik inhibitör içeren sistemlerde belirgin bir yük transfer direnci (Rct) artışı, korozyon akım yoğunluğunda (icorr) düşüş ve %95'in üzerinde inhibisyon verimi elde edildiğini göstermiştir. Ayrıca SEM yüzey incelemeleri ve adsorpsiyon izoterm analizleri, inhibitörün metal yüzey üzerinde kompakt ve sürekli bir koruyucu film oluşturarak hem bariyer etkisi hem de aktif adsorpsiyon temelli koruma mekanizması sağladığını doğrulamıştır. Elde edilen tüm sonuçlar birlikte değerlendirildiğinde, geliştirilen su bazlı hibrit poliüretan platformlarının düşük VOC içeriği, yüksek dayanım ve çok fonksiyonlu performans kriterlerini eş zamanlı olarak karşılayabildiği deneysel olarak ortaya konmuştur. Sonuç olarak bu çalışma, ileri poliüretan kimyasına ilişkin temel bilimsel katkılar sunarken; aynı zamanda hem fonksiyonel tekstiller hem de korozyon koruma uygulamaları için yeni nesil, çok fonksiyonlu kaplama sistemlerinin tasarımına yönelik pratik ve yol gösterici çıktılar ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Polyurethane-based materials are among the most versatile and strategically significant classes of polymers in the coatings and specialty chemicals industries. Their segmented molecular architecture, consisting of hard and soft domains connected through urethane linkages, enables precise tailoring of mechanical, thermal, interfacial, and barrier properties. As a result, polyurethane coatings are widely employed in industrial and protective coatings, corrosion protection, adhesives, elastomers, functional textiles, and advanced composite systems. However, increasing regulatory pressure, sustainability requirements, and application-driven performance demands are reshaping conventional polyurethane chemistry and driving the development of novel coating architectures. Restrictions on volatile organic compounds (VOCs) and growing concerns regarding isocyanate exposure have accelerated the transition toward environmentally responsible technologies. The motivation for this Ph.D. thesis arises from the growing demand for multifunctional, durable coating systems that perform reliably across diverse application domains. Among emerging approaches, organic-inorganic hybrid coatings represent a powerful strategy for combining complementary functionalities within a single material platform. Silicone-polyurethane hybrids, in particular, exploit the low surface energy, flexibility, and thermal stability of polydimethylsiloxane (PDMS) together with the mechanical strength, adhesion, and film-forming ability of polyurethane. Such systems have demonstrated enhanced hydrophobicity, lubricity, washing durability, and resistance to environmental stress. Importantly, the performance of silicone-polyurethane coatings is highly dependent on the mode of silicone incorporation, whether as a modifier within the polyurethane backbone or as a polyurethane segment integrated into a silicone-dominated architecture. A systematic evaluation of these structural approaches, especially across different application domains, remains limited in the literature. Functional textile finishing represents one of the important application area where durability, moisture management, and resistance to repeated laundering are essential. Modern textile coatings are expected to deliver comfort-related properties such as controlled wetting, moisture transport, and softness while maintaining long-term performance. Conventional silicone finishes often suffer from migration or removal during washing, leading to a loss of functionality. Consequently, polymer-bound or hybrid systems that ensure semi-permanent fixation to fiber surfaces are increasingly sought. Beyond technical textile, one of the important functional coating research area is corrosion. Recent research trends in corrosion protection emphasize environmentally friendly inhibitor systems, hybrid barrier coatings, and self-healing or stimuli-responsive architectures. Integrating such functionalities into waterborne and hybrid polyurethane systems presents a promising route toward sustainable, high-performance anticorrosion coatings. However, correlating polymer architecture, microstructure, and functional performance especially when hybrid systems are employed remains a complex and underexplored challenge. Polymeric inhibitor systems are still developing area for saline environments. Protective coatings serve as the primary defence against corrosion by providing barrier properties, strong adhesion to metal substrates, and, in advanced systems, active inhibition or self-regulating functionality. Within this broad scientific and technological context, the present thesis aims to develop and systematically investigate novel polyurethane-based coating systems capable of addressing both textile functionalization and corrosion protection requirements. The study focuses on two chapters: In the first part, three polyurethane-based coating systems, PDMS-modified polyurethane (PDMS-m-PU), polyurethane-modified silicone (PU-m-PDMS), and a reference pure blocked polyurethane were successfully synthesized using controlled prepolymer and blocking-deblocking strategies. Their chemical structures were verified by FTIR and 1H NMR, 13C NMR analyses, confirming urethane formation, effective siloxane incorporation, and complete consumption and blocking of free isocyanate groups. Deblocking mechanisms were characterized by thermal analysis. The synthesized polymers were applied to 100% cotton woven and 100% polyester knitted fabrics, where SEM-EDX analyses confirmed homogeneous coating distribution, durable retention on fiber surfaces, and overall moisture management (OMM) values of approximately 0.8 or higher. The second focus of the polyurethane coating is corrosion. This study highlights that over 95% inhibition efficiency is possible in 3.5% NaCl Solution with a novel polymeric inhibitor. A novel polymer was synthesized by modifying Poly(styrene-co-maleic anhydride) with TRIZMA. This polymer was successfully integrated into a VOC-compliant waterborne polyurethane matrix. Electrochemical and surface analysis confirmed its high efficiency and film formation mechanism. Overall, this work provides fundamental insight into advanced polyurethane chemistry while offering practical guidance for the design of next-generation, multifunctional coatings suitable for both functional textiles and corrosion protection in demanding industrial environments.
Benzer Tezler
- Yeni nesil mekanik aort kapakçığı geliştirilmesi:polimer kaplamaların mekanik dayanımve yüzey özelliklerine etkisi
Development of a next-generation mechanical aortic heart valve: Effects of polymer coatings on mechanical strength and surface properties
RABİA GÜZİDE AL
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
BiyomühendislikSakarya ÜniversitesiBiyomedikal Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERBÜLENT TÜRK
DOÇ. DR. HAMİD ASADİ
- New type of f- and p- containing polymeric materials viametal free click reactions
Metalsiz klik tepkimeleri ile flor ve fosfor içeren yeni tippolimerik malzemeler
GÖKHAN SAĞDIÇ
Doktora
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UFUK SAİM GÜNAY
PROF. DR. EMRAH ÇAKMAKÇI
- Synthesis and applications of supramolecules and macromolecules containing multiple triazole units
Çoklu triazol üniteleri içeren supramolekül ve makromoleküllerin sentez ve uygulamaları
ÖZGE ÖZÜKANAR
Doktora
İngilizce
2023
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM VOLKAN KUMBARACI
- Synthesis and characterization of waterborne and phosphorus containing flame-retardent polyurethane coatings
Fosfor içeren yanmaz özellikli suda yayınık poliüretan boya sentezi ve karakterizasyonu
FUNDA ÇELEBİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEYLA ARAS
PROF. DR. GÜNGÖR GÜNDÜZ