Geri Dön

Dynamically bonded cellulose nanocrystals hydrogels: Structure, rheology and fire prevention performance

Dinamik bağlı selüloz nanokristal hidrojelleri: Yapı, reoloji ve alev önleme performansı

PDF İndir

  1. Tez No: 850902
  2. Yazar: NAZLINUR KOPARİPEK ARSLAN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN ŞENSES
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 99

Özet

Alev geciktiriciler, yanıcılıklarını azaltmak ve yangının yayılmasını yavaşlatmak için malzemelere katılan kimyasal katkılardır. Geleneksel alev geciktiriciler halojenli bileşikler ve organofosfatlardan oluşur ve uzun süredir kullanılmaktadır. Yangın güvenliğini arttırmada etkili olmasına rağmen, bu geleneksel malzemelerin sağlık ve çevre için risk oluşturduğu kanıtlanmıştır. Olumsuz etkileri en aza indirirken etkili yangın koruması sağlamak için sürdürülebilir alternatiflere ihtiyaç vardır. Nişasta bazlı bileşikler veya selüloz türevleri gibi biyo bazlı malzemeler, biyolojik olarak parçalanabilirlikleri ve toksisite eksikliği nedeniyle sürdürülebilir seçenekler olarak önemli bir potansiyele sahiptir. Esas olarak selüloz nanokristalleri (CNC'ler), selüloza kıyasla üstün mukavemetleri, modülleri, yüzey alanları ve sıvı kristal özellikleriyle öne çıkmakta ve en önemlisi modifiye edilebilirlikleri, malzeme bilimindeki yenilikçi uygulamalarda kullanılmalarına olanak sağlamaktadır. Hidrojellerin, malzemelerin yanıcılığını azaltmada çok önemli bir rol oynayan bir özellik olan karmaşık yapıları içinde suyu emme ve tutma yetenekleri göz önüne alındığında, yeşil alev geciktirici kaplama olarak kullanılma konusunda önemli bir vaadi vardır. Dinamik olarak bağlanan hidrojeller, tersinir fiziksel etkileşimlerle karakterize edilir ve önemli avantajlar sunar. Kendi kendini iyileştirme yetenekleri, kolay işleme için kesmeyle incelme davranışları ve dış uyaranlara tepki verme özellikleri, onları çeşitli uygulamalar için ideal kılmaktadır. Tasarımdaki çok yönlülük, rahat durumda azaltılmış sertlik ve biyouyumluluk, çeşitli alanlarda yenilikçi ve özel çözümlere yönelik potansiyellerini vurgulamaktadır. Bor bazlı alev geciktiriciler şişen sistemleri kolaylaştırır, özellikle selülozik maddelerle etkili bir şekilde sinerji oluştururlar ve kömürleşmeyi teşvik ederek alev geciktirici özelliklerini geliştirirler. Bu çalışmada boraks ile çapraz bağlanarak CNC'ler arasında dinamik bir hidrojel ağı oluşturmayı amaçladık. Boraksın çapraz bağlayıcı olarak kullanılması ikili etkiler yarattı: Bor-ester bağları yoluyla dinamik ağ oluşumunu kolaylaştırdı ve CNC'lerle birleştirildiğinde alev geciktirici özellikleri arttırdı. İlk olarak CNC ve boraks konsantrasyonlarını ayrı ayrı değiştirerek CNC-boraks hidrojel ağının jelleşme davranışını açıkladık. Bu nedenle hem boraks hem de CNC değişkenleri için morfolojik ve viskoelastik özelliklerin konsantrasyona bağımlılığı çözüldü. Hem CNC'nin hem de boraksın, farklı prensiplerde jellerin sertliğini arttırmada çok önemli bir rol oynadığını bulduk. Boraksın varlığı, ağa kayda değer kendi kendini iyileştirme özellikleriyle dinamik özellikler kazandıran bor-ester bağı oluşumunu kolaylaştırarak düşük konsantrasyonlarda CNC jelleşmesini tetiklemek için gereklidir. Jeldeki daha yüksek boraks konsantrasyonları, polarize optik mikroskopi görüntülerinde çözünmemiş boraks kristallerinin varlığıyla karakterize edildi. Bu nedenle, bu jellerin bileşimi hem çözünmüş borakstan kaynaklanan borat iyonlarını (yani borik asit ve tetrahidroksiborat) hem de farklı boyutlarda çözünmemiş boraks kristallerini içermektedir. Öte yandan CNC'ler, moleküller arası etkileşimler ve H-bağları yoluyla kendi kendini destekleyen ağlar oluşturma yetenekleri nedeniyle ağın sertliğinin arttırılmasında önemli bir rol oynadı. Jellerin uygulanabilirlik kolaylığı çam ağacı yüzeyine yayılarak değerlendirildi. Daha yüksek boraks içeriğine sahip jeller daha iyi kontrol ve dağıtım sağlarken, daha zayıf jellerin damlama eğiliminde olduğu bulundu. Bu bulgular bize etkili, kolayca uygulanabilir ve sürdürülebilir hidrojel malzemelerin geliştirilmesi konusunda değerli bilgiler sağladı. Devamında, kaplanmamış ahşap ve ıslak ahşabı referans alarak alev geciktirici kaplamaların çam ağacı alt katmanlarının yanıcılığı üzerindeki performansını değerlendirdik. Önceki çalışmaya benzer şekilde, her iki bileşenin de alev geciktirici özelliklerine katkısı, konsantrasyonları değiştirilerek değerlendirildi. Yangın testi sonuçları, CNC-Boraks hidrojel kaplamanın ahşap alt tabakanın yanıcılığını önemli ölçüde arttırdığını ortaya çıkardı. Spesifik olarak hem çözünmemiş hem de çözünmüş boraks parçaları içeren hidrojeller, olağanüstü yangın önleme performansı sergiledi. Bunun nedeni borik asit ve boraksın uyumlu çalışmasıydı; için için yanma ve parlama davranışı borik asit ile kontrol edilirken, alevin yayılması boraks ile sağlanmıştır. Kombinasyon halinde, yüksek termal stabiliteye sahip camsı ve sağlam kömür tabakası oluşumunu desteklediler ve yanıcı ahşap alt tabakayı korudular. Sonuç olarak, hidrojel kaplama, alev sönme süresini hızlandırırken tutuşma süresini önemli ölçüde geciktirdi. Hidrojel kaplı ahşapların sınırlayıcı oksijen indeksi (LOI) ve yangın performansı indeksi (FPI) büyük ölçüde arttı. Jellerin uygulama sonrası sürdürülebilir etkinliğinin incelenmesi, alev geciktirici uygulamalarda göz önünde bulundurulması gereken bir diğer hayati husustur. Bu nedenle, jellerin ilk uygulamasından kalan film kalıntısının etkinliğini değerlendirmek için numunelerin yeniden ateşlenmesiyle ikinci bir yangın durumu simüle edildi. Genişletilmiş yangın koruma etkisi, maddelerin bütünlüğünün zarar görmesini önlemedeki etkinliğini kanıtlamıştır. CNC-Boraks hidrojelleri, alev geciktirici uygulamalar için etkili çözümler olarak önemli bir umut vaat etmektedir. Bu senaryolardaki etkinlikleri, özellikle orman yangınları veya orman yangını durumlarıyla mücadeleyle ilgili, çevreye duyarlı alev geciktiricilerin geliştirilmesi için yeni yollar açıyor. Ahşap ve çim gibi selülozik malzemelerin yanıcı yakıt olarak kullanıldığı aşırı sıcak ve kuru iklimlerde orman yangınlarının yaygınlığı göz önüne alındığında, CNC-Boraks jellerinin kurutma işleminden sonra verimliliğinin sağlanması hayati önem taşımaktadır. Bu uzun süreli etkinlik, onları zorlu durumlarda kullanıma özellikle uygun hale getirerek, gelişmiş yangın korumasına ve güvenlik önlemlerine katkıda bulunur.

Özet (Çeviri)

Flame retardants are chemical additives incorporated into materials to reduce their flammability and slow down the spread of fire. Conventional flame retardants such as, halogenated compounds and organophosphates have been utilized for a long period. While effective in enhancing fire safety, some of these traditional materials are proven to pose a risk to the health and environment. Sustainable alternatives are much needed to provide effective fire protection while minimizing adverse impacts. Bio-based materials, like starch-based compounds or cellulose derivatives, hold significant potential as sustainable options due to their biodegradability and lack of toxicity. Essentially, cellulose nanocrystals (CNCs) stand out for their superior strength, modulus, surface area, and liquid crystalline characteristics compared to bulk cellulose, and most importantly, their modifiability enables them to be utilized in innovative applications in material science. Hydrogels have a significant promise to be used as a green flame-retardant coating, considering their ability to absorb and retain water within their intricate structure, which is a characteristic that plays a pivotal role in reducing the flammability of materials. Dynamically bonded hydrogels are characterized by reversible physical interactions and offer key advantages. Their self-healing ability, shear-thinning behavior for easy processing, and responsiveness to external stimuli make them ideal for various applications. The versatility in design, reduced stiffness in the relaxed state, and biocompatibility highlight their potential for innovative and tailored solutions in diverse fields. Boron-based compounds favor intumescent systems, notably, they synergize effectively with cellulosic substances and improve their flame-retardant characteristics by promoting charring. In this study, we aimed to create a dynamic hydrogel network between CNCs by crosslinking with borax. Utilizing borax as a crosslinker yielded dual effects: it facilitated the dynamic network formation through boron-ester bonds and enhanced flame-retardant properties when combined with CNCs. First, we elucidated the gelation behavior of CNC-borax hydrogel network by varying the concentrations of CNC and borax separately. Therefore, the concentration dependency of morphological and viscoelastic properties was unraveled for both borax and CNC variables. We found that, both the CNC and borax play a pivotal role on improving the stiffness of the gels in different principles. Borax presence is essential to trigger CNC gelation in low concentrations by facilitating the boron-ester bond formation, which attributes dynamic properties to the network with remarkable self-healing properties. Higher borax concentrations in the gel were characterized by the presence of undissolved borax crystals in polarized optical microscopy images. Therefore, the composition of these gels involved both the borate ions originated from dissolved borax, and the undissolved borax crystals in different sizes. On the other hand, CNCs played an important role in improving the stiffness of the network owing to their ability to form self-supported networks through intermolecular interactions and H-bonding. The ease of applicability of gels were assessed by spreading on pine wood surface. The gels with higher borax content provided better control and distribution, while weaker gels tend to drip. These findings provided us valuable insight into the development of effective, readily applicable, and sustainable hydrogel materials. Secondly, we assessed the performance of flame-retardant coatings on the flammability of pine wood substrates. Similar to the previous study, the contribution of both components to the flame-retardant properties were also evaluated by varying their concentrations. Fire test results revealed that, CNC-Borax hydrogel coating significantly improved the flammability of the wood substrate. Specifically, hydrogels containing both undissolved and dissolved borax parts exhibited remarkable fire prevention performance. This was due to the harmonious work of boric acid and borax; the smoldering and glowing behavior was controlled by boric acid, while the prevention of flame was ensured by borax. In combination, they promoted the glassy and robust char layer formation with high thermal stability and shielded the flammable wood substrate. As a result, hydrogel coating notably delayed the ignition time while accelerating the flameout time. Limiting oxygen index (LOI) and fire performance index (FPI) of the hydrogel coated woods were drastically increased. Examining the sustained effectiveness of the gels post-application is another vital aspect to consider in flame-retardancy applications. Therefore, a second fire case was simulated by reigniting the samples to evaluate the effectiveness of the remaining film residue from the first application of the gels. The extended fire protection effect demonstrated its efficacy in preventing damage to the integrity of the substances. The CNC-Borax hydrogels have demonstrated considerable promise as effective solutions for flame retardancy applications. Their effectiveness in these scenarios opens new avenues for the development of environmentally conscious flame retardants, particularly relevant for combatting forest fires or wildfire situations. Given the prevalence of wildfires in extremely hot and dry climates, where cellulosic materials like wood and grass serve as combustible fuel, ensuring the efficiency of CNC-Borax gels after the drying process becomes crucial. This prolonged effectiveness makes them specifically well-suited to use in challenging situations, contributing to enhanced fire protection and safety measures.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    401193

    Investigation of structural and functional properties of the betaine transporter BetP from Corynebacterium glutamicum by using infrared spectroscopy

    Başlık çevirisi yok

    GÜNNUR GÜLER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Fizik ve Fizik MühendisliğiJohann-Wolfgang-Goethe-Universität

    PROF. DR. WERNER MANTELE

  2. Tez No

    531397

    U CrB çift yıldızının dönem analizi

    Period analysis of the binary star U CrB

    BEDRİ KESKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Astronomi ve Uzay BilimleriAnkara Üniversitesi

    Astronomi ve Uzay Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BERAHİTDİN ALBAYRAK

  3. Tez No

    129166

    Delay-bounded rate adaptive shaper for TCP traffic in diffserv internet

    Farklılaşmış hizmetler internetinde TCP trafiği için önerilen bekletme süresi sınırlı iletim hızı uyumlu düzenleyici

    YAKUP BALKAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2002

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. EZHAN KARAŞAN

  4. Tez No

    762009

    Dynamical irreducibility of pure polynomials over the rational field

    Saf polinomların rasyonel cisimlerin üzerine dinamik indirgenemezliği

    MOHAMED OSAMA HAFEZ DARWISH MOHAMED

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    MatematikSabancı Üniversitesi

    Matematik ve Fen Bilimleri Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MOHAMMAD SADEK

  5. Tez No

    379880

    Information frictions and the effects of news media bias on consumption

    Enformasyon sürtüşmeleri ve haber medyası yanlılığının tüketime etkisi

    MERT AŞÇIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    EkonomiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İktisat Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EBRU VOYVODA

Geri Dön