Effect of an ionomer on the thermal stability, fire and mechanical behaviour of phosphorous flame retardant ABS formulations
İyonomer katkısının fosfor içeren alev geciktiricili ABS bileşimlerinin alevlenme dayanımına, mekanik ve termal özelliklerine etkisi
- Tez No: 485253
- Danışmanlar: PROF. DR. SÜHEYLA AYDIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Akrilonitril bütadien stiren (ABS) geniş kullanım alanına sahip; polibütadien, stiren ve akrilonitrilin polimerizasyonuyla meydana gelen bir kopolimerdir. Kopolimer yapısını oluşturan monomerleri sayesinde öne çıkan mekanik özellikleri (tokluk, çarpma dayanımı, vb.), kimyasal dayanıklılığı, düşük maliyetli bir malzeme olması ve kolay şekillendirilebilirliğiyle; otomotiv sektörü, ev aletleri, oyuncaklar, elektrik ve elektronik aletlerde kullanım alanı bulmaktadır. Tüm bu avantajlarının yanı sıra ABS kendiliğinden kolayca yanma özelliği göstermesi nedeniyle, bu kullanım alanlarının sınırlanması sorunu ile karşılaşmaktadır. Bu nedenden dolayı araştırmaların çoğu, termoplastik bir malzeme olan ABS'nin kullanım kapasitesini arttırmaya odaklanmıştır. ABS kopolimerin kendiliğinden tutuşabilirlik özelliğinin engellenmesi amacıyla, yapılan ilk çalışmalar halojen bazlı alev geciktiricilerin yardımıyla sağlanmıştır. Halojen bazlı alev geciktiricilerin az miktarda da olsa ABS yapısına katkılandırılmasıyla, yanma özelliğinde belirgin bir azalma görülmesine rağmen bu yapıdaki alev geciktiricilerin oluşturduğu zehirli gazlar çevresel problemlere neden olmaktadır. İnsan sağlığı üzerindeki bu olumsuz etkisi nedeniyle halojen bazlı alev geciktiriciler Avrupa'da ve daha birçok ülkede yasaklanmış olup kullanımı azaltılmaya çalışılmaktadır. Bu durumun bir sonucu olarak zamanla yapılan araştırmalar daha çok halojen içermeyen alev geciktiricilere yönelmiştir. Fosfor bazlı halojen içermeyen alev geciktiriciler herhangi bir zehirli gaz oluşturmaması nedeniyle halojen bazlı olanların alternatifi olarak kullanılmaktadırlar. Fosfor içeren alev geciktiriciler (PFR); fosfinler, fosfin oksitler, fosfonyum bileşikleri, fosfonatlar, saf kırmızı fosfor, fosfitler ve fosfatlardan oluşmaktadır. Etki mekanizmaları gaz fazında ve yoğunlaştırılmış fazda veya bu iki fazın bir arada bulunmasıyla gerçekleşmektedir. Gaz fazında buharlaşan fosforlu alev geciktirici, ortamdaki H+ ve OH- iyonlarını ortadan kaldırarak yanmayı yavaşlatırlar. Yoğunlaştırılmış fazda ise karbon içeren bir kalıntı oluşur. Oluşan bu kalıntı alev ve polimer yüzeyi arasında bir çeşit bariyer oluşturarak yanmayı zorlaştırır. Yoğunlaşmış fazda görülen kömürün oluşma mekanizmasında, kimyasal reaksiyonlar yeniden yönlendirilerek CO2 ve CO oluşumu yerine kömür katmanının oluşumu sağlanır ve bu katman polimer yüzeyinde koruyucu katman görevi görür. Fosfor içeren alev geciktiricilerin ABS koplimerinin yanma davranışının üzerinde belirgin bir etki göstermesi için, ağırlıkça % 20-30 oranında eklenmesi gerekmektedir. Bu oran polimer matris içerisinde karışmazlık bölgelerinin oluşumuna neden olup, beraberinde mekanik özelliklerde azalmayı getirmektedir. Bu olumsuz etkinin en aza indirilmesi amacıyla uyum arttırıcı malzemeler kullanılabilmektedir. Bu malzemeler karışmazlık bölgelerinde etkin olarak fazları birbirine bağlayan köprü görevinde çalışmaktadırlar. Uyumlulaştırıcı olarak kullanılan malzemelere örnek olarak; çapraz bağlama katkı maddeleri, reaktif polimerler, aşılanmış veya bloklanmış polimerler ve iyonomerler verilebilmektedir. Tüm bu bilgilerin ışığında fosfor içeren alev geciktiricili ABS termoplastik malzemesinin mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla yapılan çalışmalar büyük önem taşımaktadır. Bu bakış açısıyla yapılan bu çalışmada, ABS ve fosfor içeren alev geciktiricili ABS kopolimer bileşimleri hazırlanmış ve fosfor içeren alev geciktiricili ABS rezinin % 5 oranında ticari iyonomer katkılandırılması yapılarak, iyonomerin etkisi analiz edilmiştir. Çalışmanın temel amacı; katkılandırılmamış ABS ve fosfor içeren alev geciktiricili ABS bileşimlerine katkılandırılan ticari iyonomerin, termal kararlılık, mekanik ve yanma davranışı üzerindeki etkilerinin incelenmesi olarak belirlenmiştir. Hammaddeler ergitirilerek karıştırma yöntemiyle hazırlanmış olup, bileşimlerde ağırlıkça % 10 ve % 20 oranında fosfor içeren alev gecikticiler kullanılmıştır. Fosfor içeren alev geciktirici olarak amonyum polifosfat (APP) ve alüminyum dietilfosfinat (AlPi) kullanılarak, ikisi arasında ki oran her numunede 1:1 olarak hesaplanmıştır. Çalışmalarda ticari iyonomer olarak etilen metakrilik asit (EMMA) kopolimer seçilip; fosfor içeren alev geciktiricili ABS rezinine % 5 oranında katkılandırılmıştır. Numune hazırlama işleminden önce hazırlanan bileşimler, 95 ºC derecede 24 saat boyunca ön kurutmalı (PD) ve ön kurutmasız (NPD) olmak üzere iki farklı koşula maruz bırakılmıştır. Ardından şekil vermek amacıyla basınçlı kalıplama yöntemi kullanılarak numuneler üretilmiştir. İyonomer katkısının uyum arttıcı etkisinin incelenmesi amacıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Hazırlanan numunelerin termal dayanıklılığının belirlenmesi için termogravimetrik analiz (TGA) yapılmıştır. İyonomer katkısının mekanik özelliklere etkisi, üç noktalı eğme testi ve charpy darbe testi yardımıyla analiz edilmiştir. Yapılan konik kalorimetre testi ile numunelerin yanma davranışları belirlenmiştir. SEM analizleri sayesinde fosfor içeren alev geciktiriciler ile polimer matris arasındaki zayıf etkileşimin artan ağırlıkça % PFR oranıyla (% 10 ve % 20) arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca iyonomer içeren bileşimlerde APP tuzları ile ABS matris arasındaki etkileşimin geliştiği ve iyonomerin uyumlulaştırıcı görevi gördüğü belirlenmiştir. TGA sonuçlarına göre, bozunma başlangıç sıcaklığının, PFR içeren numunelerde azaldığı ve artan ağırlıkça % PFR oranıyla analiz sonrası kalıntı oranının arttığı belirlenmiştir. Ayrıca yine TGA sonuçlarına göre iyonomer varlığının kalıntı oranını ve bozunma başlangıç sıcaklığını arttırdığı gözlemlenmiştir. Yapılan mekanik analizler sonucunda, iyonomer varlığının NPD numunelerinde daha yüksek eğme dayanımı ve modülüne yol açtığı hesaplanmıştır. Ancak iyonomer katkısının darbe dayanımı üzerinde olumsuz etkisi olduğu belirlenmiştir. Yanma davranışının gözlemlenmesi amacıyla gerçekleştirilen analizler sonucunda, bütün numunelerde artan ağırlıkça % PFR oranıyla birlikte kömürlü kalınıtının arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca iyonomer katkısının numunelerin alev alma zamanını geciktirdiği ve yanma büyüme hızını arttırdığı belirlenmiştir. Bu etki iyonomerin TGA sonuçlarında görülmüş olan katalitik etkisi ile açıklanabilmektedir.
Özet (Çeviri)
Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) is a widely used thermoplastic copolymer due to its desirable properties such as good mechanical performance (toughness, impact resistance, among others), ease of processability, chemical resistance, and low cost. The most important problem of ABS is its inherent flammable characteristic which restricts the application areas of ABS. Therefore, research about flame retardancy of ABS becoming more important according to its developing using areas. Phosphorus flame retardants (PFRs) have been utilized for decades and they are also incorporated with ABS as copolymers. These flame retardant ABS copolymers are eco-friendly alternatives to other halogenated ones. One of the main drawbacks of incorporating PFRs into ABS is the deterioration of its mechanical performance. Therefore, the use of compatibilizers is a possible strategy to minimize the negative effect of PFRs on ABS. In the present work, ABS and flame retardant ABS formulations were prepared and the effect of adding a commercial ionomer on the ABS and ABS phosphorus flame retardant (PFR) formulations (ABS-PFR) was analyzed. The main objective of this study was to analyze to effect of a commercial ionomer on the thermal stability, mechanical and fire behaviour of ABS and ABS-PFR formulations. All formulations were prepared by means of a melt blending process. A 10 and 20 wt.% of an ammonium polyphosphate (APP) and an aluminium diethylphosphinate (AlPi) were added, in a 1:1 proportion, into ABS. Also, a 5 PHR of an ionomer of ethylene methacrylic acid copolymer (EMAA) was incorporated into the ABS and ABS phosphorus flame retardant (PFR) formulations. Specimens of ABS and ABS formulations were prepared using a compression-molding technique. It must be said that two different conditions were applied to the melt blending formulations before compress-molding them: a) a pre-dried (PD) conditioning of 95 ºC during 24h and b) non pre-dried (NPD). These last formulations were directly molded after the melt-blending process. In order to analyze the ionomer effect on the compatibility of PFR and ABS scanning electron microscopy (SEM) was used. Poor interaction between PFR additives and matrix was observed for formulations without ionomer samples. On the other hand, for the ionomer included formulations, the interaction between APP and polymer matrix was improved. This indicated that ionomer could partially compatibilize PFR additives and ABS matrix. Furthermore, thermal stability of ABS and ABS-PFR formulations with and without ionomer, and with different conditioning, were analyzed using a thermogravimetric analysis (TGA). According to TGA analysis, the starting temperature of the decomposition of ABS decreased with the presence of the PFR additives. An increase of residue was also observed according to an increase of wt.% PFR at 900 °C. This observation could be attributed to synergistic interactions between the polymer matrix and the PFR additives during the thermal decomposition process. In addition, according to TGA results, inclusion of ionomer in PFR formulations increased the amount of residue and the degradation starting temperature for both PD and NPD conditionings. The PFR content and ionomer effects on the mechanical and fire behaviour of ABS-PFR formulations (with and without pre-drying) were analyzed by means of three-point bending flexural / charpy impact tests and cone calorimeter, respectively. It was observed that the presence of PFRs reduced the flexural strength, but slightly increased the flexural modulus. Analysis also showed that NPD formulations, with ionomer presented higher strength and flexural modulus. On the other hand, PD conditioning decreased the flexural properties of ABS and flame retardant ABS formulations. Impact strength decreased with the increase of wt.% PFR. Analysis also showed that ionomer addition decreased the impact strength of all samples. All flame retardant formulations showed an increase in the amount of char with increasing PFR. The presence of ionomer was observed to delay the ignition times of all ABS formulations, while also increasing the fire growth rate index.
Benzer Tezler
- Tekstil endüstrisinde fonksiyonel polimerlerin yardımcı kimyasal olarak kullanımının incelenmesi
Investigation the use of functional polymers as auxiliary chemical in textile industry
HACER YEŞİM CENGİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
- Supercritical CO2 assisted preparation of Pt, PtCu, PtZn, PtCo and PtZnCo nanoparticles on various carbon aerogels as ORR electrocatalysts
Başlık çevirisi yok
ŞANSIM BENGİSU BARIM
Doktora
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN ERKEY
- Farklı sayıda termal siklus uygulamasının değişik simanlar ile simante edilen bir fiber postun mikrosızıntısına etkisinin incelenmesi
An investigation of the effect of different number thermal cycle application on the microleakage of a fiber reinforced post cemented with different cements
FİKRET ÖZGÜR ÇOŞKUN
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2017
Diş HekimliğiRecep Tayyip Erdoğan ÜniversitesiProtetik Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEYNEP YEŞİL DUYMUŞ
- Farklı termal döngü uygulamaları ile hızlandırılmış yaşlandırma tekniğinin restorasyonların mikrosızıntısı üzerine etkisinin değerlendirilmesi
Evaluation of the effects of different thermal cycling applications on the microleakage of dental restorations
TURKAN MAHYADDINOVA
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2021
Diş HekimliğiErciyes ÜniversitesiPedodonti Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEYNEP ASLI ÖZKAYA
- Diş fırçalamanın yüzey koruyucu uygulanmış cam iyonomer restorasyonların mikrosızıntısı üzerine etkisi
Effect of tooth brushing on microleakage of glass ionomer restorations with surface protection
İLAY ÖZÇELİK BULUT
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2023
Diş HekimliğiZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiPedodonti Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EBRU HAZAR BODRUMLU