Sol-jel yöntemiyle sentezlenen izosiyanatsız poliüretan (nipu) esaslı hibrit kaplamaların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of isocyanate-free polyurethane (nipu)-based hybrid coatings synthesized by sol-gel method
- Tez No: 1022019
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖMER KESMEZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Akdeniz Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışmada, geleneksel poliüretan (PU) sentezinde yaygın olarak kullanılan, toksik fosgen temelli üretim süreçleri ve ciddi toksikolojik riskleri nedeniyle uluslararası düzenlemelerin odağında yer alan izosiyanat bileşenlerine yeşil ve sürdürülebilir bir alternatif geliştirmek amacıyla, sol-jel yöntemiyle sentezlenen izosiyanatsız poliüretan (NIPU) esaslı organik-inorganik hibrit şeffaf kaplama sistemleri tasarlanmıştır. Yeşil kimya ilkeleri doğrultusunda, düşük toksisite ve yüksek atom ekonomisi avantajları nedeniyle beş üyeli siklik karbonatlar (5CC) temel yapı taşı olarak seçilmiş; etilen karbonat (EC), propilen karbonat (PC) ve 1,2-bütilen karbonat (BC) monomerleri, amino fonksiyonel alkoksisilan bileşikleri olan (3-aminopropil)trimetoksisilan (AMMO), (3-aminopropil)trietoksisilan (AMEO) ve [3-(metilamino)propil]trimetoksisilan (MAMMO) ile oda sıcaklığında ve harici katalizör kullanılmaksızın karbonat aminolizi reaksiyonuna tâbi tutulmuştur. Bu yaklaşımda aminosilan bileşikleri, hem halka açıcı nükleofil olarak görev yapmış hem de alkoksisilan fonksiyonları sayesinde sol-jel sürecine katılarak aktif inorganik yapı bileşeni işlevi üstlenmiştir. Elde edilen 5CC-Aminosilan NIPU öncül sistemlerine tetraetil ortosilikat (TEOS) ve nitrik asit (HNO₃) ilave edilerek hidroliz ve kondenzasyon reaksiyonları gerçekleştirilmiş; organik NIPU zincirleri ile siloksan (Si-O-Si) temelli inorganik ağ yapılarının moleküler düzeyde kovalent bağlarla bütünleştiği, yüksek çapraz bağ yoğunluğuna sahip Sınıf II organik-inorganik hibrit şeffaf kaplama sistemleri hazırlanmıştır. Literatürde ilk kez 5CC-Aminosilan/HNIPU kaplama sistemleri bu çalışma kapsamında başarıyla geliştirilmiştir. Hazırlanan NIPU öncülleri Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopisiyle, hibrit kaplamalar ise taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS), termogravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ile optik ve mekanik performans testleri kullanılarak karakterize edilmiştir. NIPU öncül sistemleri arasında %96,2 ile en yüksek kimyasal dönüşüm (%C) değerinin EC-AMMO sisteminde elde edildiği belirlenmiştir. Sol-jel HNIPU kaplamaları arasında ise 9H kalem sertliği, 14 N çizilme direnci ve 5B yapışma derecesi ile en yüksek mekanik performansı EC-AMMO/HNIPU sistemi göstermiştir. En başarılı öncül sistem olan EC-AMMO esas alınarak, florlu ve florsuz olmak üzere yedi farklı alkilsilan bileşiği kullanılarak hibrit kaplamaların hidrofobik yüzey modifikasyonu gerçekleştirilmiştir. Modifiye edilen 5CC-AMMO/HNIPU kaplama sistemleri ahşap, paslanmaz çelik, alüminyum, seramik ve polikarbonat (PC) gibi farklı substrat yüzeylerine uygulanmış; yüzeylerin su iticilik ve kolay temizlenebilirlik özelliklerinde önemli iyileşmeler elde edilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma kapsamında fosgen ve izosiyanat içermeyen, yeşil kimya prensiplerine uygun NIPU öncülleri esaslı organik-inorganik hibrit sol-jel kaplama sistemleri başarıyla geliştirilmiştir. Beş üyeli siklik karbonatlar ile aminosilan bileşiklerinin katalizör gerektirmeyen aminoliz reaksiyonu sayesinde yüksek dönüşüm verimine sahip NIPU öncülleri elde edilmiş, bu yapılar TEOS tabanlı sol-jel süreci ile siloksan ağ yapısına kovalent olarak entegre edilmiştir. Geliştirilen Sınıf II hibrit kaplamaların yüksek mekanik dayanım, termal kararlılık ve üstün yüzey performansı sergilediği belirlenmiş olup, elde edilen bulgular bu sistemlerin çevre dostu, yüksek performanslı ve çok amaçlı kaplama uygulamaları için güçlü bir alternatif olduğunu ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
In this study, isocyanate-free polyurethane (NIPU)-based organic-inorganic hybrid transparent coating systems synthesized via the sol-gel method were designed to provide a green and sustainable alternative to isocyanate components, which are extensively used in conventional polyurethane (PU) synthesis but are subject to increasing international regulatory restrictions due to their phosgene-based production routes and significant toxicological hazards. In accordance with the principles of green chemistry, five-membered cyclic carbonates (5CC) were selected as the primary building blocks owing to their low toxicity and high atom economy. Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and 1,2-butylene carbonate (BC) monomers were reacted with amino-functional alkoxysilanes, namely (3-aminopropyl)trimethoxysilane (AMMO), (3-aminopropyl)triethoxysilane (AMEO), and [3-(methylamino)propyl]trimethoxysilane (MAMMO), through catalyst-free carbonate aminolysis at room temperature. In this approach, the aminosilane compounds served not only as ring-opening nucleophiles but also as active inorganic building blocks by participating in the subsequent sol-gel process through their alkoxysilane functionalities. Hydrolysis and condensation reactions were subsequently carried out by incorporating tetraethyl orthosilicate (TEOS) and nitric acid (HNO₃) into the resulting 5CC-Aminosilane NIPU precursor systems. This process yielded Class II organic-inorganic hybrid transparent coatings in which the organic NIPU chains were covalently integrated with siloxane (Si-O-Si)-based inorganic network structures at the molecular level, resulting in highly crosslinked hybrid architectures. To the best of our knowledge, 5CC-Aminosilane/HNIPU coating systems have been successfully developed and reported for the first time in the present study. The synthesized NIPU precursors were characterized by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, whereas the hybrid coatings were comprehensively characterized using scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), and optical and mechanical performance tests. Among the NIPU precursor systems, the EC-AMMO formulation exhibited the highest chemical conversion (C%), reaching 96.2%. Among the sol-gel-derived HNIPU coatings, the EC-AMMO/HNIPU system demonstrated the best mechanical performance, achieving a pencil hardness of 9H, a scratch resistance of 14 N, and an adhesion rating of 5B. Based on the most successful precursor system (EC-AMMO), the hydrophobic surface properties of the hybrid coatings were further tailored using seven different alkyl silane compounds, including both fluorinated and non-fluorinated silanes. The modified 5CC-AMMO/HNIPU coating systems were applied onto various substrate materials, including wood, stainless steel, aluminium, ceramic, and polycarbonate, resulting in significant improvements in surface hydrophobicity and easy-to-clean performance. In conclusion, environmentally benign organic-inorganic hybrid sol-gel coating systems based on phosgene- and isocyanate-free NIPU precursors were successfully developed in this study in accordance with the principles of green chemistry. High-conversion NIPU precursors were synthesized through the catalyst-free aminolysis of five-membered cyclic carbonates with aminosilane compounds, and these precursor structures were subsequently covalently incorporated into siloxane network structures via a TEOS-based sol-gel process. The resulting Class II hybrid coatings exhibited excellent mechanical strength, enhanced thermal stability, and outstanding surface performance. These findings demonstrate that the developed coating systems represent a promising, environmentally friendly, high-performance, and multifunctional alternative for advanced coating applications.
Benzer Tezler
- Fotokimyasal ileri oksidasyon prosesleri ve sol-jel yöntemiyle sentezlenen fotokatalizör ile azo boyar madde giderimi
Azo dye removal using photochemical advanced oxidation processes and photocatalysts synthesized by sol-gel method
KÜBRA ÇOBANOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Çevre MühendisliğiKastamonu ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NEJDET DEĞERMENCİ
- Sol-jel yöntemiyle üretilen alüminanın fizikokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the physicochemical properties of alumina produced by sol-gel method
DİLEK CANTÜRK ÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya MühendisliğiHitit ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NİHAN KAYA
- Sol-jel yöntemiyle yeni seramik pigmentler
New ceramic pigments by sol-gel method
YUSUF ZİYA HALEFOĞLU
- Gümüş-kobalt bazlı katalizörlerin sol-jel yöntemiyle sentezi
Synthesis of silver-cobalt based catalysts with sol-gel method
SABA BUKET YÜCEER
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. ÇİĞDEM GÜLDÜR
- Farklı başlangıç maddeleri kullanılarak sol-jel yöntemiyle monolitik silika aerojel ve silika aerojel sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of monolithic silica aerogel and silica aerogel with sol-gel method by using different starting materials
YELİZ YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HABİBE CANAN CABBAR