Synthesis of soybean oil based, UV-curable oligomers and coating applications
UV ışınlarıyla kürlenebilen soya yağı esaslı oligomerlerin sentezi ve kaplama formülasyonlarında uygulamaları
- Tez No: 674625
- Danışmanlar: PROF. DR. HACER AYŞEN ÖNEN, DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEHRA YILDIZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Yüzey kaplamaları, mevcut ana malzemenin ömrünü uzatmak amacıyla başta mobilya ve makine kaplama alanları olmak üzere birçok endüstriyel alanda yoğun olarak kullanılmaktadır. Ahşap yüzeyler için malzemenin dış etkenlere karşı daha dayanıklı olması, doku ve renk gibi fiziksel özelliklerinin korunması görsel açıdan önemlidir. Ayrıca ahşap yüzeyin aleve dayanıklı olması can güvenliği açısından ekonomik ve hayati önem taşımaktadır. Metal malzemelerde yüzeyin korozyona dayanıklı olması metal ve dolaylı olarak metalden yapılmış cihazların kullanım ömrü ve iş güvenliği açısından büyük önem taşımaktadır. Bu özellikler uygun bir yüzey kaplaması ile malzemeye kazandırılabilir. UV kürleme teknolojisi, solvent veya diğer sıvı ortamlara ihtiyaç duymaz, ahşap yüzeylerde kürleme sırasında sıvı ortamın neden olabileceği elyaf şişmesi ve yüzey deformasyonu olasılığını ortadan kaldırır. Buna ek olarak, bu teknoloji, metal yüzeylerde sıvı ile temasında oluşabilecek en büyük problemlerden biri olan korozyon potansiyelini de ortadan kaldırmaktadır. UV kürleme teknolojisinin bu önemli özelliğine ek olarak, kürleme işleminin kısa sürede gerçekleşmesi, daha az enerji tüketmesi, düşük maliyetli olması ve doğaya atık su bırakmaması nedeniyle çevre dostudur, son zamanlarda daha çok kullanılmaktadır ve popülaritesi artmıştır. Bu çalışmada, epokside edilmiş soya fasulyesi yağından (ESBO) farklı oligomerlerin üretilmesi ve bu oligomerlerin Al ve gürgen ahşap kaplamalar için UV ile kürlenebilir formülasyonlar olarak kullanılması amaçlanmıştır. ESBO, piyasada yaygın olarak kullanılan biyo bazlı bir yağdır. Biyo bazlı olduğu için diğer kaplama kimyasallarına göre çevre dostudur. Yapısındaki epoksit halkalar ile modifikasyona uygundur. Bu çalışmada akrilat ve fosfor grupları içeren 3 farklı kimyasal (akrilik asit, Sipomer PAM 200 ve vinil fosfonik asit (VPA)) ile ayrı ayrı halka açılma reaksiyonu gerçekleştirilmiştir. Akrilat grupları UV teknolojisi ile kürleşmeyi sağlarken, fosfor grupları formülasyonlara aleve karşı direnç özelliği katmaktadır. Halka açılma reaksiyonları sonucunda 3 ana oligomer sentezlenmiştir; akrillenmiş ESBO (AESO), ESBO-Sipomer PAM 200 ve ESBO-VPA. Daha gelişmiş özelliklere sahip kaplama formülasyonları hazırlamak için AESO ve ESBO-Sipomer PAM 200 oligomerleri ve AESO ve ESBO-VPA oligomerleri ile farklı karışım oranlarında formüle edilmiştir. Üretilen bu oligomer karışımları uygun reaktif seyrelticilerle ve UV kürleme ajanı olan foto-başlatıcı ile karıştırılıp, gürgen ahşap ve Al yüzeylere kaplama formülasyonu olarak uygulanmıştır. Kaplanan yüzeyler UV ışınları ile kürlenmiştir. Kaplamanın performansını ve kalitesini ortaya koymak için yüzeyler farklı testlere tabi tutulmuştur. AESO, ESBO-Sipomer PAM 200 ve ESBO-VPA oligomerleri sentezlendikten sonra, oligomerler spektroskopik olarak fourier transform kızılötesi (FTIR) ve proton nükleer manyetik rezonans ( 1 H NMR) spektroskopileri ile karakterize edilmiştir. Buna ek olarak, titrasyon yöntemi ile epoksi eşdeğer ağırlıkları ve asit değerleri belirlenmiştir. FTIR analizinde, ESBO'nun Sipomer PAM 200, AA ve VPA ile reaksiyon sonucunda epoksit grubunun karakteristik oksiran piklerinin kaybolmasıyla yeni oligomer oluşumu kanıtlanmıştır. Sipomer PAM 200, AA ve VPA'nın ESBO ile oluşturduğu oligomerlerde CH=CH 2 akrilat pikleri gözlenmiştir. Ayrıca, ESBO'nun VPA ile reaksiyonu sonucu oluşan yeni oligomerde fosfat ester piki görülmüştür. Sentezlenen oligomerler kullanılarak kaplama formülasyonları hazırlanmıştır. Gürgen ve alüminyum yüzeylere kaplama formülasyonu olarak uygulanan oligomer karışımları, içerdikleri doymamış akrilat grupları ve UV kürleyici ajan sayesinde UV ışınları vasıtasıyla kaplama olarak yüzeyde kürlenmiştir. Sentezlenen oligomerler kullanılarak kaplama formülasyonları hazırlanmıştır. Daha sonra UV kürlenmiş serbest filmler termal, mekanik ve fizikokimyasal özellikler açısından karakterize edilmiştir. Bu formülasyonlardan oluşturulan serbest filmlerin termal özellikleri termogravimetrik analiz (TGA) ve diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizi ile araştırılmıştır. TGA sonuçları yorumlandığında ESBO-Sipomer PAM 200'ün ve ESBO-VPA'nın formülasyonlarda arttırılmasıyla yapılarındaki fosfor gruplarınının etkisiyle numune bozulma sıcaklığının düştüğü ve işlem sonucunda geriye kalan kül miktarının arttığı gözlenmiştir. ESBO-VPA içeren reçine formülasyonlarında ESBO-Sipomer PAM 200 içeren numunelere kıyasla daha düşük ısıda bozunmuştur ve işlem sonucu daha fazla kül miktarı gözlenmiştir. Numune yapıda AESO miktarının artması numunenin daha yüksek sıcakta degrade olmasına ve termal işlem sonucuda daha az kül bırakmasıyla fosfor içeren oligomerlere kıyasla güç tutuşurluğu diğer oligomerler kadar desteklemediği gözlenmiştir. AESO, ESBO- Sipomer PAM 200 ve ESBO-VPA'nın diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizi gerçekleştirildi. ESBO-Sipomer PAM 200 ve ESBO-VPA'nın kristalizasyon zirveleri (Tc) ve ayrışma sıcaklıkları (Td 1 ), AESO'dan daha düşük olduğu gözlenmiştir. ESBO-Sipomer PAM 200 ve ESBO-VPA karşılaştırıldığında, ESBO-VPA, ESBO-Sipomer PAM'den daha düşük sıcaklığa sahip olduğu gözlenmiştir. UV ile kürlenen serbest filmlerin fizikokimyasal özellikleri, şişme derecesi (DS), kimyasal direnç ve jel fraksiyon (GF) testi açısından değerlendirilmiştir. Hazırlanan AESO/ESBO-Sipomer PAM 200 formülasyonunda Sipomer PAM 200 oligomerlerinin oranı artırıldığında, Sipomer PAM 200'in içerdiği hidrofil –OH grupları sebebiyle GF (%) ve DS (%) test sonucunda çapraz bağlama yoğunluğunda artış olduğu gözlenmiştir. Yine aynı şekilde AESO/ESBO-VPA formülasyonunda da reçine formülasyonunda artan VPA miktarı, yapısındaki hidrofil –OH grupları ile yapıdaki çapraz bağlanmayı iyileştirerek UV kürlenmiş filmlerin kimyasallara karşı direncini arttırmaktadır. Bu projedeki her bir kürlenmiş filmin kimyasal şişme testleri sonucunda kürlenmiş filmlerin yapısındaki kürlenmemiş bazı monomerik yapılar, depolimerizasyon yoluyla kürlenmiş filmden ayrıldığı daha çok miktarda AESO içeren serbest filmlerde gözlenmiştir. Çözücü dayanımı sonuçlarına bakıldığında ise güçlü baz olan %10 NaOH'ın ESBO'nun yapısındaki ester gruplarını parçaladığı ve numunelerin yoğun bir bozulmaya uğradığı gözlenmiştir. Bu durumun tam aksine, ESBO'nun güçlü asit olan %10 HCl'ye dayanıklı olduğu ve çok az bozulmaya uğradığı gözlenmiştir. UV ile kürlenen serbest filmlerin mekanik özellikleri, Shore D sertliği, çekme mukavemeti, kopma uzaması ve Young modül değerleri ölçülerek araştırılmıştır. ESBO-Sipomer PAM 200 içeren reçine için; reçinenin yapısındaki Sipomer PAM 200 miktarının arttırılmasıyla daha iyi Shore D sertliği, kopma mukavemeti, uzama ve Young modülü değerleri gözlenmiştir. Sipomer PAM 200'ün içerdiği fosfat grupları serbest filmin esnekliğini arttırmıştır ve dolasıyla mekanik özelliklerini iyileştirmiştir. ESBO-VPA içeren reçine için ise; reçinenin yapısında VPA miktarının arttırılmasıyla daha iyi Shore D sertliği, kopma mukavemeti, uzama ve Young modülü değerleri gözlenmiştir. VPA'nın yapısındaki esneklik sağlayan fosfat gruplarından dolayı formülasyondaki VPA miktarı arttıkça yapının mekanik özellikleri iyileşmiştir. Fosfor grubu içeren Sipomer PAM 200 ve VPA karşılaştırıldığında, VPA'nın esnekliği Sipomer PAM 200'e göre daha fazladır. AESO/ESBO-Sipomer PAM 200 ve AESO/ESBO-VPA ile oluşturulan kaplama formülasyonlarında, karışımdaki AESO miktarının arttırılmasının kaplamayı mekanik kuvvetler karşısında daha hassas-kırılgan hale getirdiği gözlenmiştir. Kaplama formülasyonları gürgen ahşap ve Al yüzeylere uygulanmış, daha sonra doymamış akrilat gruplarının etkisiyle UV ışınları ile kürlenmiştir. Kaplamaların kalitesi ve performansı sırasıyla; temas açısı ölçümü, yüzey parlaklığı, kurşun kalem sertliği, cross cut kesme testi, taber yüzey aşınması ve suya daldırma testleri ile değerlendirilmiştir. UV-kürlenmiş gürgen ağaç ve alüminyum yüzeylerdeki temas açısı ölçümleri, oluşturulan her bir reçine formülasyonunun hidrofilik olduğu gözlenmiştir. Yüzey parlaklığı test edildiğinde, alüminyum yüzeydeki kaplamalar aluminyumun doğal yüzey parlaklığının oluşturduğu yansımanın etkisiyle çok parlak kategorisinde ve gürgen yüzeydeki kaplamalar ise parlak kategorisinde değerlendirilmiştir. Kalem sertliği testi sonuçlarına göre oluşturulan kaplama formülasyonları sert uçlu kalemlere az dayanıklılık gösterdiği gözlenmiştir. Alüminyum ve ahşap yüzeye uygulanan kaplamalar cross cut testi uygulanmıştır. AESO, ESBO-Sipomer PAM 200 ve ESBO-VPA oligomerleri ester bağlarına ve hidroksil gruplarına sahiptir. Ester bağlarının ve hidroksil gruplarının polaritesi yüzey yapışmasını desteklemektedir. Testler sonucunda gürgen yüzeyde alüminyuma göre daha iyi bir tutunma gözlenmiştir. Taber test sonuçlarına göre reçine yapısındaki Sipomer PAM 200 oranı arttıkça aşınmanın azalmasına bağlı olarak ağırlık kaybının azaldığı gözlenmiştir. Bu durumun sebebi Sipomer PAM 200'ün içerdiği fosfor gruplarının yüzey yapışmasını arttırmıştır. Yine fosfor grubu içermesi sebebiyle yüzey formülasyonunda VPA miktarının arttırılması ağırlık kaybını azaltmıştır. Gürgen levha örneklerinde toplam ağırlık kaybı daha fazladır, çünkü test 500 devire ulaştığında kaplama tabakası tamamen kalktığı ve yüzey aşınmaya başladığı gözlenmiştir. Suya daldırma testi sonuçları ahşap ve metale özel olan ASTM standartlarına göre yorumlanmıştır. Kaplamalarda ciddi bir pas ya da yüzey değişimi gözlenmemiştir. Bu çalışmada, soya fasulyesi yağı bazlı UV ile kürlenebilen fosfor içeren akrilatlar kullanılarak biyo bazlı kaplama formülasyonları hazırlanmıştır. Ardından fosfor gruplarının miktarının Al ve gürgen ahşap yüzeylerdeki kaplamaların performansı ve kalitesi üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Surface coatings are used extensively in many industrial areas, especially in furniture and machine coating areas, in order to extend the life of the existing main material. For wood surfaces, it is visually important that the material is more resistant to external factors and that its physical properties such as texture and color are preserved. In addition, in terms of life safety, it is economically and vitally important that the wooden surface is flame resistant. In metal materials, the fact that the surface is resistant to corrosion is of great significance for the service life and work safety of metal and indirectly made of metal devices. These properties can be provided to the material with a suitable surface coating. The UV curing technology does not require solvents or other liquid media, it eliminates the possibility of swelling fiber and surface deformation that may be caused by the liquid environment during curing on wood surfaces. This technology also eliminates corrosion potential, which is one of the biggest problems that may occur in contact with liquid on metal surfaces, that may occur for the same reason. In addition to this important property of UV curing technology, it is environmentally friendly due to the fact that the curing process takes place in a short time, it consumes less energy, it is low cost and it does not leave waste water to the nature, which has recently been used more and has increased in popularity. In this thesis, it was aimed to produce different oligomers from epoxidized soybean oil (ESBO) and utilize these oligomers in UV-curable formulations for Al and hornbeam wood coatings. ESBO is a widely used bio-based oil in the market. As it is bio-based, it is environmentally friendly compared to other coating chemicals. It is suitable for modification with the epoxide rings in its structure. In this study, it has gone through ring opening reaction separately with 3 different chemicals (acrylic acid, Sipomer PAM 200, and vinylphosphonic acid (VPA)) containing acrylate and phosphorus groups. While the acrylate groups enable curing with UV technology, the phosphorous groups add flame resistance to the formulations. As a result of the ring opening reactions, 3 main oligomers were formed, namely: acrylated ESBO (AESO), ESBO-Sipomer PAM 200, and ESBO-VPA. In order to prepare the coating formulations with more advanced properties, compositions were formulated with AESO and ESBO-Sipomer PAM 200 oligomers and AESO and ESBO-VPA oligomers in different blend ratios. These blends were combined with various reactive diluents and photo-initiator, then were applied as a coating formulation on hornbeam wood and Al surfaces. The coating was cured via UV-rays and the surfaces were subjected to different tests in order to perform the performance and the quality of the coatings. After the AESO, ESBO-Sipomer PAM 200 and ESBO-VPA oligomers were synthesized, the oligomers were characterized spectroscopically by fourier transform infrared (FTIR) and proton nuclear magnetic resonance ( 1 H NMR) spectroscopies. Additionally, the epoxy equivalent weights and the acid values were determined via titration method. Coating formulations were prepared by using the synthesized oligomers. Then UV-cured free films of these formulations were characterized in terms of thermal, mechanical, and physicochemical properties. The thermal properties were investigated by thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) analysis. The physicochemical properties of the UV-cured free films were evaluated in terms of the degree of swelling (DS), chemical resistance, and gel fraction (GF) test. The mechanical properties of the UV-cured free films were investigated by measuring the Shore D hardness, tensile strength, elongation at break, and Young's modulus values. The coating formulations were applied on hornbeam wood and Al surfaces, then they were cured via UV rays with the effect of unsaturated acrylate groups. The quality and performance of the coatings were evaluated by means of contact angle measurement, gloss, pencil hardness, cross cut, taber abrasion, and water immersion tests, respectively. In this study, bio-based coating formulations were prepared by using soybean oil based UV-curable phophorous containing acrylates. Then, the effects of the amount of phosphorus groups on the performance and quality of coatings on Al and hornbeam wood surfaces were all be examined.
Benzer Tezler
- Bitkisel yağlardan polimerize olabilen monomer sentez ve polimerleşmesi
Plant oil based polymerizable monomer synthesis and polymerization reaction
ABDULLAH SAYILGAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova ÜniversitesiPolimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HÜSEYİN ESEN
- Synthesis of novel polyisobutylene/polystyrene and polyisobutylene/modified soybean oil based polyurethanes and their characterizations
Yeni poliizobütilen/polistiren ve poliizobütilen/modifiye soya yağı esaslı poliüretanların sentezi ve karakterizasyonları
ELİF KURNAZ
- Grafen oksit ve bitkisel yağ bazlı poliüretandan elde edilen kompozitlerin kaplama performanslarının incelenmesi
Investigation of coating performances of composites obtained from graphene oxide and vegetable oil based polyurethanes
BERİL OĞUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLHAYAT SAYGILI
- Yeni bazı stiren esaslı blok/graft kopolimerlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of new some stirene based block/graft copolymerine
FARUK BAHADIR
- Soya yağı bazlı poliol ile karboksillenmiş-poli(etilen glikol) polimerinin kondenzasyon tepkimesi ile çapraz bağlı polimerlerin hazırlanması
Preparation of crosslinked polymers by the condensation reaction of soybean oil based polyol with carboxylated poly(ethylene glycol) polymer
HANDE ÜNVER
