Investigation of different properties of bamboo fibers reinforced rigid polyurethane foams
Bambu lifleri ile güçlendirilmiş sert poliüretan köpüklerin çeşitli özelliklerinin incelenmesi
- Tez No: 864651
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 70
Özet
Poliüretan kimyasının keşfi, 1930'ların sonunda Otto Bayer'in diizosiyanat ile dioller arasında poliadisyon reaksiyonunu keşfetmesine kadar dayanmaktadır. 1945-1947 yılları arasında öğütülebilir elastomerlerin yapıştırıcı ve kaplama alanlarında geliştirilmesi ile ilk ticari poliüretan kullanımı başlamıştır. 1953 yılında esnek poliüretan köpüklerin, 1957'de ise sert poliüretan köpüklerin piyasaya sürülmesinin ardından poliüretan köpükler sektörde ve günlük hayatta her zaman kullanılır hale gelmiştir. Poliüretan köpüklerin en yaygın kullanım alanı inşaat olmasına rağmen, otomotiv sektöründen mobilya, ayakkabı ve ev aletlerine kadar her alanda kullanımı giderek artmaktadır. Diğer plastik malzeme seçenekleri arasında poliüretan en geniş sektör yelpazesine sahip üründür. Poliüretanları temel olarak esnek poliüretanlar, sert poliüretanlar ve termoplastik poliüretanlar olarak üç ana gruba ayırmak mümkündür. Esnek poliüretan köpükler fiziksel olarak yumuşak ve esnek yapıdadırlar, günlük hayatta yaygın olarak yatak ve koltuk süngerlerinin üretimi için kullanılmaktadır. Sert poliüretan köpükler ise yoğun ve sert yapıda oldukları için araç içi kaplamaları ve mobilya döşemeleri gibi daha dayanıklı malzemelerin yapımında kullanılırlar. Ayrıca sert poliüretan köpüklerin en yaygın kullanıldığı alan inşaat ve beyaz eşya sektörleridir. Bunun nedeni sert poliüretan köpüklerin yalıtım özelliklerinin oldukça iyi olmasıdır. Termoplastik poliüretanlar ise esnek olmalarına ek olarak kimyasal olarak dayanıklı malzemelerdir, genel olarak ayakkabı tabanları, telefon kılıfları ve bazı spor ekipmanlarının üretiminde kullanılır. Poliüretanların bu kadar farklı endüstride kullanılır olabilmesinin en önemli nedeni kolay şekillendirilebilir olmalarıdır. Aynı zamanda, ekonomik olarak düşük maliyetli ve kullanım ömrü olarak uzun ömürlüdürler. Üretim proseslerinin karmaşık olmaması da poliüretanı birçok sektörde tercih edilen malzeme haline getirmiştir. Teorik olarak poliüretanlar polioller ile izosiyanatların eklenme reaksiyonunda üretan bağlarının oluşması sayesinde meydana gelirler. Polioller temel olarak yapılarında hidroksil grubu içeren bileşiklerdir. Günümüzde poliollerin biyobazlı olanları da artık sıkça kullanılmaya başlanmıştır. Ancak en yaygın iki türü polieter polioller ve poliester poliollerdir. Poliüretan oluşumunda son ürünün özelliğini poliollerin yapıları belirlemektedir. İzosiyanatlar ise yapılarında karbonil (-NCO-) grubu bulunan bileşiklerdir. Poliüretan endüstrisinde en yaygın olarak kullanılanları TDI (tolüen diizosiyanat), MDI (metilen diizosiyanat) ve HDI (hekzaametilen diizosiyanat) olarak sıralanabilir. Poliüretan oluşum reaksiyonunun gerçekleşmesi için polioller ve izosiyanatlar dışında kimyasal başlatıcılara da ihtiyaç vardır. Buna ek olarak istenen son ürünün özelliklerine göre, yüzey aktif maddeler, farklı renklerde pigmentler, alev geciktiriciler, katalizörler ve birçok farklı dolgu maddesi de poliüretan üretiminde kullanılmaktadır. Günümüzde poliüretan köpüklerinin üretiminde kullanılan güçlendirici malzemeler cam elyaflar, karbon elyaflar ve kalsiyum, silika gibi farklı minerallerdir. Güçlendirme malzemeleri temel olarak poliüretan malzemelerinin amaca göre farklı mekanik özelliklerini iyileştirmek için kullanılır. Aynı zamanda termal yalıtım özelliklerini artırmak için de kullanılabilir. Doğal lifler son zamanlarda birçok alanda olduğu gibi polimer malzemelerinin güçlendirilmesinde de kullanılır hale gelmiştir. Bunun en önemli nedenleri arasında doğal liflerin çevreye zararlı olmamaları, biyobozunur olmaları ve yenilenebilir bir kaynak olmaları vardır. Aynı zamanda doğal lifler diğer güçlendirici malzemelere kıyasla daha kolay ve ucuz yolla elde edilebilir. Artan çevresel kaygılar ve beraberinde geliştirilen regülasyonlar da doğal liflerin kullanımının artmasındaki diğer nedenlerdir. Bambu lifleri üstün özellikleri sayesinde doğal elyaflar arasında en çok dikkat çeken malzemelerdendir. Hızlı büyümeleri ve çok çeşitli olmaları nedeniyle oldukça kısa sürede endüstriyel olarak kullanılır hale gelebilirler. Ayrıca bambu çok sıcak ve çok soğuk iklimlerde de yetişebilen bir bitkidir. Günümüzde en yaygın bambu üretimine sahip olan ülke Çin'dir. Çin 2010 yılına kadar bilinen 5.38 milyon hektarlık bambu bitki alanına sahiptir. Ve bu sayının yıllık olarak 100,000 hektar olarak arttığı bilinmektedir. Bambu liflerin en yaygın kullanım alanı kâğıt üretim sektörüdür. Son zamanlarda ise polimer malzemelerinde güçlendirici lif olarak kullanılmasına ilişkin araştırmalar artmaktadır. Bu çalışmada, sert poliüretan köpüklerin içerisine farklı oranlarda bambu lif takviyesi yapılarak elde edilen ürünlerin farklı özellikleri incelenmiştir. Bu sayede sert poliüretan köpük üretiminde yaygın olarak kullanılan sentetik güçlendirici malzemeler dışında doğal kaynaklı bir lif türü olan bambu elyafın bir alternatif haline gelmesi araştırılmıştır. Endüstriyel olarak yaygın olarak kullanılan bir sert poliüretan köpük formülü seçildi. Formüldeki poliol miktarı %100 olarak ayarlandı ve daha sonrasında aynı formül içerisine poliol oranı azaltılarak %5, %8, %10 ve %12 oranlarında bambu lif eklendi. Bambu lifler hazırlanan poliol premix içerisinde karıştırıldıktan sonra izosiyanat da eklendikten sonra kalıba döküldü. Aynı oranlarda bambu lif takviyesine ek olarak bir alev geciktirici türü olan trietil fosfat (TEP) %5 oranında her formüle eklendi ve bu şekilde hem bambu lif hem de alev geciktirici içeren dört ek sert poliüretan köpük daha elde edilmiş oldu. Son olarak yeni sentezlenen ve halojen içermeyen bir alev geciktirici de %5 bambu lif içeren formül ile karıştırıldı. Elde edilen köpükler gerekli testler için gerekli boyutlarda hazırlandıktan sonra FTIR, TGA, mekanik testler, termal iletkenlik testi, SEM, akustik özellik testi ve LOI testleri yapıldı. FTIR test sonuçları incelendiğinde, formülde fazla miktarda izosiyanat kullanılmasına bağlı olarak FTIR grafiklerinde izosiyanat pikleri gözlemlenmiştir. Bunun nedeni sürekli artan bambu lif oranına karşı henüz bi formülasyon optimizasyonu yapılmamış olmasıdır. Ancak bunun dışında elde edilen grafiklerde, genel olarak sert poliüretan köpük malzemelerin grafiklerinden farklı pikler gözlemlenmemiştir. Mekanik test olarak, %10 stres altında sıkıştırma testi yapılmış ve sonuçlar kPa cinsinden kaydedilmiştir. Aynı zamanda elde edilen 'stress-strain' grafiklerinden her köpüğün elastik modülü de kaydedilmiştir. Bambu lif ile güçlendirilen sert poliüretan köpüklerin mekanik özelliklerinde güçlendirilmemiş sert poliüretan köpüğe oranla ciddi bir düşüş gözlemlenmemiştir. Buna ek olarak %5 ve %8 bambu lif ile güçlendirilen sert poliüretan köpüklerin mekanik özelliklerinde artış görülmüştür. Hem FR hem bambu lif içeren köpükler arasında ise yine %5 bambu lif içeren malzemelerin mekanik özellikleri artış göstermiştir. Daha sonra köpüklerin termal iletkenlik özellikleri ölçülerek güçlendirilmemiş sert poliüretan köpük ile karşılaştırılmıştır. Termal iletkenlik özelliği en düşük olan güçlendirilmemiş sert poliüretan köpük olmasına rağmen, bambu lif eklenen sert poliüretan köpüklerin hiçbirisinin termal özelliğinde fazla bir artış gözlemlenmemiştir. Bu da termal yalıtım malzemesi olarak kullanılan sert poliüretan köpüklerin bambu lif ile güçlendirilmesi durumunda herhangi bir ısı yalıtımı problemi yaratmayacağını göstermektedir. Bir sonraki analizler için dört farklı ürün seçilerek SEM, akustik özellik ve LOI testleri yapılmıştır. Bu malzemelerin sonuçları güçlendirilmemiş sert poliüretan köpük ile karşılaştırılmıştır. Seçilen malzemeler mekanik özelliği en iyi olan %5 bambu lif ile güçlendirilmiş poliüretan köpük, ardından en fazla bambu lif içeriğine sahip olan %12 bambu lif ile güçlendirilmiş sert PU köpük ve aynı bambu lif oranına sahip ürünler arasında farklı FR özelliklerini inceleyebilmek için 5BF+TEP ve 5BF+ nFR köpükler seçilmiştir. SEM görüntüleri incelendiğinde %12 bambu lif takviyesinin sert poliüretan köpüklerin hücre yapısına zarar verdiği gözlemlenmiştir. Ancak yine de hücre yapı düzenini bozmadığı ve bazı bölgelerde sert poliüretan köpüğün orijinal hücre yapısını koruduğu gözlemlenmiştir. Aynı zamanda FR eklenmesinin de sert PU köpük hücre yapısında az da olsa bozulmalar ve boşluklar meydana getirdiği görülmüştür. Seçilen beş farklı numunenin akustik özellik olarak ses yutum katsayıları günlük hayatta duyulan ses frekans aralığı olan 50 ve 6300 Hz aralığında incelenmiştir. İlk olarak güçlendirilmemiş sert PU köpük ile sadece bambu lif içeren iki malzeme karşılaştırılmıştır. %5 BF ve %12 BF içeren köpüklerin güçlendirilmemiş köpük ile ses yutum katsayısı grafikleri incelendiğinde; güçlendirilmemiş sert poliüretan köpüğün ses yutum katsayısının 1600 ve 2000 Hz aralığında 0.9'un üzerine çıktığı görülmüştür. Ancak daha sonrasında ani bir düşüş yapmış ve daha yüksek frekanslarda 0.3 değerinin altında bir ses yutum katsayısı değeri vermiştir. %5 BF içeren sert PU köpük ise 1050 ve 1500 Hz frekans aralığında 0.7'nin üzerinde ses yutum katsayısına sahiptir. %12 BF içeren sert PU köpük ise 50 ve 1.5 Hz frekans aralığında yüksek bir ses yutum katsayısına sahip değilken 2100 Hz ve üzerinde diğer malzemelere göre en yüksek ses yutum katsayısını vermiştir. Aynı zamanda 4000 ve 6300 Hz aralığı olan yüksek frekanslarda da diğer malzemelere göre en yüksek ses yutum katsayısına sahiptir. Daha sonra %5 BF içeren köpükler kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Yeni sentezlenen halojensiz FR (nFR) içeren sert PU köpük diğer %5 BF içeren köpüklerden genel olarak daha yüksek ses yutum katsayısına sahiptir. Son olarak seçilen beş malzemenin LOI testleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre bambu lif ile güçlendirilen sert poliüretan köpüklerin LOI değerleri güçlendirilmemiş sert PU köpüğe göre çok düşük oranda da olsa artış göstermiştir. Ek olarak FR içeren formüller en yüksek LOI değerlerine sahiptir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre BF ile güçlendirilmiş sert PU köpük malzemeler yalıtım ürünleri sektöründe bir çevre dostu ve yenilenebilir kqynqk alternatifi haline gelebilir. Akustik özelliklerinin artmasına ek olarak diğer hiç bir test sonucunda güçlendirilmemiş sert PU köpüğe göre ciddi bir düşüş gözlemlenmemiştir. Aynı zamanda bambu lifler elde edilmesi kolay, ucuz ve biyobozunabilir doğal liflerdir.
Özet (Çeviri)
Polyurethanes (PUs) are polymers formed by the polyaddition reaction of isocyanates with polyalcohol. They are used as PU foams, elastomers, plastic polyurethanes and blends. Polyurethane foams (PUFs), automotive industry, protective sheet, construction, etc. widely used in the fields. Today, due to increasing environmental concerns, bio-based and environmentally friendly sources have started to be used in the polymer industry. Natural fibers used as reinforcing agents in polymeric materials are environmentally friendly not only during the growth stage but also after their lifetime because they are biodegradable. Bamboo fibers (BF) are used as reinforcement in polymeric materials due to their lightness, low cost, high strength and stiffness. In this study, different ratios of bamboo fibers were reinforced into polyurethane rigid foams and their investigation was made with neat PU rigid foams in terms of their mechanical, thermal, acoustical, morphological and flame retardancy behavior. The novel PU foams were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Thermal gravimetric analysis (TGA), compression testing, thermal conductivity, sound apsorption coefficient, scanning electron microscopy (SEM), and limiting oxygen value testing. Also, triethyl phosphate (TEP) was added into the rigid PU composites to investigate the possible synergistic effect with BF to analyze their properties. The formulations were prepared into the plastic cups as neat PU, 5% BF, 8% BF, 10%BF, 12% BF, 5% BF + 5% TEP, 8% BF + 5% TEP, 10% BF + 5% TEP, 12% BF + 5% TEP and with a new synthetized non-halogenated flame retardant (5% BF + nFR) and then they were poured into the 20cmx30cmx3cm dimensioned, 40 °C metal mold for the reaction. After 10 minutes, samples were taken out from the mold and after one day the compression and thermal conductivity tests were made. The results showed that 5% BF formulation gives better E-Modul (kPa) value, they did not give an important change for the thermal conductivity. After the TEP was added to the formulations include BF, E-Modul (kPa) values increased compared to the Neat PU, and 12BF+TEP gave the highest thermal conductivity value which is still not high to affect its isolation properties. This study aims to produce PU rigid foams reinforced with BF sources. At the same time, it is to examine the BFs' effects in different properties of PU rigid foams, with and without TEP. According to the results, we can suggest to use BF reinforced PU foams as an alternative to isolation industry due to their improved acoustical properties as well as without any reduction in mechanical, thermal conductivity and other investigated properties. On the other hand, BFs are sustainable, biodegradable, cheaper and environment friendly sources.
Benzer Tezler
- Geogrid-donatılı kum zemine oturan temellerin taşıma kapasitesi
Bearing copacity of footings on geogrid-reinforced sand
TEMEL YETİMOĞLU
- Modern yol inşaatında geotekstil ve geodrit uygulaması konularında araştırma
A Research on utilization of geotextile and geodrid in modern road construction
İSKENDER MELİH AKSOY
- Bambu elyafın özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the properties of bamboo fibers
BANU YEŞİM BÜYÜKAKINCI
Doktora
Türkçe
2009
Teknik EğitimMarmara ÜniversitesiTekstil Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAL SÖKMEN
- Farklı liflerden örülmüş kumaşların kılcallık özelliklerinin incelenmesi
Investigation of wicking properties of knitted fabrics produced from different fibres
GÜLŞAH DİLRÜBA SUNGUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiErciyes ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OĞUZ DEMİRYÜREK
- Farklı diyet lifi türlerinin şeker ilavesiz yumuşak şekerlerin fizikokimyasal, tekstürel ve besinsel özellikleri üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of different dietary fibre types on the physicochemical, textural and nutritional properties of no sugar added soft candies
DİLARA GEZİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FATMA EBRU FIRATLIGİL