The synthesis and characterization of a novel flame retardant containing rigid polyurethane foam
Rijit polüretan köpük içeren yeni bir alev geciktiricinin sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 887165
- 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: 78
Özet
Sert poliüretan köpükler mükemmel ısı yalıtım özellikleri, mekanik dayanımları, hafiflikleri ve uygulanabilirlikleri sebebiyle en çok tercih edilen ısı yalıtım malzemelerinden biridir. Beyaz eşyalardan borulara, mantolamadan ısı yalıtımlı panellere kadar birçok alanda kullanılmakta ve günlük hayatta sıkça karşımıza çıkmaktadır. Özellikle inşaat, otomotiv, elektronik, beyaz eşya gibi sektörlerde bu köpüklerin sağladığı avantajlar nedeniyle geniş bir kullanım alanı bulunmaktadır. Sert poliüretan köpüklerin bu kadar yaygın tercih edilmesinin temel nedenleri arasında, düşük ısı iletkenlik katsayısı sayesinde mükemmel yalıtım sağlamaları, hafif yapıları ile taşıma ve montaj kolaylığı sunmaları ve yüksek mekanik dayanımları ile uzun ömürlü olmaları yer almaktadır. Ancak, bu malzemelerin zayıf özelliklerinden biri olan kolay tutuşabilirlikleri ve yangını şiddetlendirebilirlikleri, insan hayatını ve sağlığını tehlikeye atmaktadır. Bu durum, özellikle binalarda yangın güvenliği açısından büyük bir risk teşkil etmektedir. Yangın sırasında hızlı tutuşma ve alev yayılımı, kaçış yollarını engelleyerek can kaybına ve büyük maddi hasarlara neden olabilmektedir. Bu tehlike, alev geciktirici malzemelere olan ihtiyacı artırmıştır. Alev geciktiriciler, poliüretana ilave edilerek alevlenebilirliklerini zorlaştırırlar, yangın anında ise alevlerin birden şiddetlenmesini engelleyerek insanlara kaçış için zaman kazandırmaktadırlar. Poliüretanda kullanılan alev geciktirici maddeler, yangının başlamasını tamamen engellemeseler de, yangının yayılma hızını yavaşlatarak müdahale süresini uzatır ve tahliye için gerekli zamanı sağlar. Alev geciktiriciler arasında geleneksel olanlar brom ve klor gibi halojenler içermekteydi fakat bu maddelerin yangın anında toksik gazlar yaymaları sebebiyle kullanımlarına kısıtlamalar getirilmiştir. Yangın sırasında oluşan bu toksik gazlar, solunum yolu ile vücuda girerek zehirlenmelere ve ciddi sağlık sorunlarına yol açabilmektedir. Bu nedenle, çevre dostu ve insan sağlığına zarar vermeyen alternatif alev geciktiricilerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmuştur. Bunun sonucunda ise alternatif, farklı kimyasal yapıdaki alev geciktiriciler piyasaya sunulmuştur. Günümüzde yaygın olarak kullanılan alev geciktiriciler arasında tris(2-kloroetil) fosfat, trifenil fosfat gibi fosfor bazlı bileşikler; dimetil propil fosfonat gibi fosfonatlar; amonyum polifosfat (APP) ve fosfafenantren oksit gibi DOPO türevleri; melamin, melamin siyanürat ve melamin polifosfat gibi nitrojen türevleri; polimerik silikon türevleri; ve magnezyum hidroksit ve alüminyum trihidroksit gibi inorganik alev geciktiriciler bulunmaktadır. Fosfor bazlı bileşikler, yangın sırasında karbon tabakası oluşturarak alev yayılımını engellerken, nitrojen türevleri, yanma sırasında gaz fazında etkili olarak alevlerin yayılmasını önler. Silikon türevleri ise yanma sırasında ısıya dayanıklı bir seramik tabaka oluşturarak malzemenin korunmasını sağlar. Bu tez çalışması, alev geciktirici özelliklere sahip yeni bir rijit poliüretan köpük geliştirilmesini amaçlamaktadır. Çalışma, iki ana aşamada gerçekleştirilmiştir: İlk aşama flor ve azot içeren alev geciktirici bileşiğin sentezini, ikinci aşama ise bu bileşiğin rijit poliüretan köpüğe (RPÜK) ilavesini ve karakterizasyonunu içermektedir. Flor ve azot içeren bileşiklerin alev geciktirici olarak kullanılması, yangın güvenliği açısından büyük önem taşımaktadır. Flor içeren bileşikler, yüksek termal kararlılık ve kimyasal direnç özellikleri ile bilinirken, azot içeren bileşikler, yanma sırasında inert gazlar oluşturarak alev yayılımını engeller. Sentez süreci, üç ana aşamada gerçekleştirilmiş olup, klik kimyasının bir örneği olan bakır katalizörlü azit-alkin siklik katılma reaksiyonuyla triazol yapılı, flor içeren, OH uçlu bileşik başarıyla sentezlenmiştir. Bakır katalizörlü azit-alkin siklik katılma reaksiyonu, hızlı gerçekleşen, verimi yüksek ve saf ürünler elde etmeyi sağlayan bir yöntemdir. Bu yöntemin kullanılması, sentez sürecinin etkinliğini artırmış ve elde edilen bileşiğin saflığını sağlamıştır. Ortaya çıkan bileşiğin yapısal özelliklerini aydınlatmak amacıyla Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi gibi tekniklerden yararlanılmıştır. FTIR spektroskopisi, bileşiğin fonksiyonel gruplarının tanımlanmasında kullanılırken, NMR spektroskopisi, bileşiğin moleküler yapısının detaylı bir şekilde incelenmesini sağlamıştır. Rijit poliüretan köpük formülasyonuna çeşitli yüzdelerde mekanik karıştırma yöntemiyle katılan alev geciktiricinin OH uçlarının, poliüretanın bileşenlerinden olan izosiyanatlarla poliol gibi reaksiyona girerek kimyasal alev geciktirici fonksiyonu göstermesi hedeflenmiştir. Bu sayede, alev geciktirici bileşiğin poliüretan köpük matriksi ile kimyasal olarak bağlanarak, malzemenin yangın güvenliğini artırması ve uzun ömürlü etki göstermesi beklenmiştir. Elde edilen RPÜK örnekleri, yapısal özellikleri FTIR, termal ve yanmazlık özellikleri konik kalorimetre, limit oksijen indeksi (LOI), termogravimetrik analiz (TGA) ve termal iletkenlik ölçer, morfolojik özellikleri ise taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi teknikler kullanılarak detaylı bir şekilde incelenmiştir. RPÜK örneklerine ayrıca basma testi ve köpük yoğunluğu ölçümü yapılarak mekanik özelliklerine alev geciktirici varlığı ve miktarının etkisi araştırılmıştır. Bu testler, alev geciktirici ilavesinin köpüğün mekanik dayanımı üzerinde herhangi bir olumsuz etki yaratıp yaratmadığını belirlemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Alev geciktiricinin flor içermesinin bir sonucu olarak köpük örneklerinin hidrofobikliğine katkısı olup olmadığı temas açımetresiyle ölçülmüştür. Hidrofobiklik, malzemenin suya dayanıklılığını artırarak, uzun ömürlü kullanım ve çevresel etkilere karşı direnç sağlamaktadır. Bütün analizler, hem alev geciktirici içermeyen kontrol numuneleri üzerinde hem de %5, %10 ve %15 oranlarında alev geciktirici içeren köpük numuneleri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamlı testler, alev geciktirici miktarının malzeme özellikleri üzerindeki etkilerini detaylı bir şekilde ortaya koymuştur. Test sonuçları, iyileştirilmiş LOI değerleri ve azaltılmış pik ısı salım oranları ile rijit poliüretan köpüğün alev geciktiriciliğinde önemli bir iyileşme olduğunu göstermektedir. LOI değeri, malzemenin yanmaya devam edebilmesi için gerekli minimum oksijen konsantrasyonunu belirten bir parametredir. Yüksek LOI değeri, malzemenin yangına karşı daha dirençli olduğunu gösterir. Öte yandan, alev geciktiricinin köpük yapısına kimyasal olarak başarılı bir şekilde bağlandığı, mekanik özelliklerini ve hücre yapısını bozmadığı, termal yalıtkanlığını mükemmel seviyede tuttuğu ve flor içeriği sayesinde temas açı değerlerini artırarak hidrofobiklik kazandığı görülmüştür. Bu tez çalışması, üstün yangın koruma sunmak için azot ve flor içeren alev geciktiricilerin potansiyelini ortaya koyarak, bunların yangına dayanıklı malzemeler olarak gelecekteki uygulamalar için umut verici adaylar olduğunu göstermektedir. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen alev geciktirici bileşiğin hem güvenlik hem de performans açısından üstün özelliklere sahip olduğunu ortaya koymakta ve bu bileşiğin çeşitli endüstriyel uygulamalarda kullanılabileceğini göstermektedir. Bu tür yenilikçi alev geciktiriciler, yangın güvenliği standartlarının yükseltilmesine ve daha güvenli yaşam alanlarının oluşturulmasına katkıda bulunacaktır.
Özet (Çeviri)
Rigid polyurethane foams are one of the most preferred thermal insulation materials due to their excellent thermal insulation properties, mechanical strength, lightness, and applicability. They are used in various fields from household appliances to pipes, cladding, and insulated panels, and are commonly encountered in daily life. However, these materials pose a risk to human life and health due to their weak characteristic of being easily flammable and capable of intensifying fires. This risk has created a need for flame retardant materials. Flame retardants are added to polyurethane to prevent the flames from rapidly intensifying in the event of a fire, providing people with an escape time. Traditional flame retardants contained halogens such as bromine and chlorine, but their use has been restricted due to the release of toxic gases during a fire. As a result, there has been a need for alternative flame retardants with different chemical structures. Currently, commonly used flame retardants include phosphorus-based compounds such as tris(2-chloroethyl) phosphate and triphenyl phosphate; phosphonates such as dimethyl propyl phosphonate; ammonium polyphosphate (APP) and DOPO derivatives like phosphaphenanthrene oxide; nitrogen-based compounds such as melamine, melamine cyanurate, and melamine polyphosphate; polymeric silicone derivatives; and inorganic flame retardants like magnesium hydroxide and aluminum trihydroxide. This thesis was carried out in two stages: the synthesis of a flame retardant containing fluorine and nitrogen, and the addition of the flame retardant to rigid polyurethane foam. The synthesis process was carried out in three stages, successfully synthesizing a fluorine-containing, hydroxyl-terminated compound with a triazole structure through a copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition reaction, an example of click chemistry. Techniques such as fourier transform infrared (FTIR) and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopies were used to elucidate the structural properties of the resulting compound. The flame retardant, incorporated into the rigid polyurethane formulation by mechanically mixing in various percentages, was aimed to react with isocyanates, through its OH groups as a polyol, which are the components of polyurethane, thus exhibiting chemical flame retardant functionality. Consequently, the structural properties of the RPUF samples were examined using techniques such as FTIR, thermal and flammability properties with cone calorimeter, limiting oxygen index (LOI), thermogravimetric analysis (TGA), and thermal conductivity meter, and morphological properties with scanning electron microscopy (SEM). The impact of the flame retardant on the mechanical properties was investigated through compression testing and foam density measurements of the RPUF samples. The hydrophobic contribution of the flame retardant to the foam samples due to its fluorine content was measured with a contact angle meter. All analyses were carried out on foam samples containing no flame retardant and those containing 5%, 10%, and 15% flame retardant. Test results show significant improvement in the flame retardancy of rigid polyurethane foam with enhanced LOI values and reduced peak heat release rates. Additionally, it was observed that the flame retardant successfully bonded chemically to the foam structure, did not deteriorate its mechanical properties and cell structure, maintained excellent thermal insulation, and increased contact angle values imparted hydrophobicity due to its fluorine content. This thesis demonstrates the potential of nitrogen and fluorine-containing flame retardants for providing superior fire protection, indicating that they are promising candidates for future applications in fire-resistant materials.
Benzer Tezler
- Synthesis and characterization of waterborne and phosphorus containing flame-retardent polyurethane coatings
Fosfor içeren yanmaz özellikli suda yayınık poliüretan boya sentezi ve karakterizasyonu
FUNDA ÇELEBİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEYLA ARAS
PROF. DR. GÜNGÖR GÜNDÜZ
- Synthesis and characterization of magnesium tetraborate-based multifuntional flame retardants and their application for flame retardancy of polyurethane
Magnezyum tetraborat bazlı çok işlevli alev geciktiricilerin sentezi ve karakterizasyonu ve poliüretanın alev geciktiriciliği için uygulaması
MUZAFFER GENÇAY ÇELİK
- Yeni yüksek performanslı poliimidlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of novel high performance polyimides
EMRAH ÇAKMAKÇI
Doktora
Türkçe
2013
Polimer Bilim ve TeknolojisiMarmara ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİLLA GÜNGÖR
- Development of novel biopolyamide compounds as a green and sustainable alternative to petroleum derived polymers and their applications in medical field
Petrolden elde edilen polimerlere yeşil ve sürdürülebilir bir alternatif olarak özgün biyopoliamit bileşiklerinin geliştirilmesi ve tıbbi alanda uygulamaları
ŞEBNEM GÜLEL
Doktora
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Aluminat bazlı nanofosforların sentezi ve ışıma özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of aluminate based nanophosphors and investigation of their luminescence properties
HÜMEYRA KARUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
KimyaMehmet Akif Ersoy ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. FATİH MEHMET EMEN