Synthesis and characterization of phosphorus and boron containing flame retardant rigid polyurethane foam
Fosfor ve bor içeren alev geciktirici rijit poliüretan köpük sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 936006
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 87
Özet
Poliüretan malzemeler, Otto Bayer'in keşfi ile diizosiyanat ve dioller arasındaki polimerizasyon sistemi aracığıyla bilimsel olarak ortaya konmuştur. Çok çeşitli ürün yelpazesi olan poliüretan malzemeler, günlük hayatta karşımıza sıklıkla çıkmaktadır. Hizmet ettiği endüstriler döşeme, otomotiv, havacılık, inşaat-yalıtım, kaplama, yapıştırıcı, ve elastomer sanayisine dayanmaktadır. Poliüretan köpüklerin endüstriyel ürün grupları esnek ve rijit poliüretan köpüklerden oluşmaktadır. Esnek poliüretan köpüklerin uygulama alanı genellikle mobilya endüstrisinde tercih edilmektedir. Rijit poliüretan köpükler ise daha çok inşaat,yalıtım ve beyaz eşya endüstrisinde geniş bir kullanım yelpazesine sahiptir. Bu çalışmada rijit poliüretan köpük malzemeler üzerine odaklanılmıştır. Bu malzemeler doğası gereği sahip olduğu mükemmel mukavemet özelliğinin yanısıra, organik yapısı sebebiyle ortam atmosferinde kolaylıkla yanabilen malzemelerdir. Alev geciktirici teknolojosinin ilerlemesiyle, alev geciktirici malzemelerle modifiye edilebilmektedir. Yapıya eklenen alev geciktirici katkıların sayesinde yangın senaryosunun etkilerini azaltmak amaçlanmıştır. Alev geciktirici teknolojisi literatürde üzerinde sıklıkla araştırma yapılan konulardandır. Alev geciktiricilerin içeriği, yanma sonrası çevresel etkileri göz önünde bulundurulduğunda çok kritiktir. Yanma sonrası oluşan duman salınımı esnasında alev geciktirici içeriğindeki toksik kimyasallar (özellikle halojen içeren yapılar) insan ve çevre sağlığı üzerinde olumsuz etkilere yol açmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında tasarlanan sistemde alev geciktirici etkisi incelenecek olan TDB alev geciktiricinin yapısı halojen içermeyen özellikte olmakla birlikte fosfor, azot ve borun sinerjik etkilerine dayanmaktadır. Tasarlanan alev geciktirici sistemlerin etki mekanizması iki farklı faz üzerinden etki etmektedir. Gaz fazında ısı etkisiyle bozunan alev geciktirici TDB yapısından gelen fosfor bileşikleri hava atmosferindeki serbest radikalleri sönümleyerek ortamdaki oksijen konsantrasyonunu minimize etmesine dayanan çalışma prensibi sayesinde poliüretan malzeme matrisinin yanma sürecini yavaşlatır. Yoğun fazda ise, TDB yapısından gelen fosfor ve bor bileşiklerinin, poliüretan köpük matrisinin yüzeyinde ısı geçişini engelleyen bariyer niteliğinde koruyucu kömür tabakası oluşturma sürecine dayanmaktadır. TDB alev geciktiricinin ısı etkisiyle bozunmasının ardından rijit poliüretan köpük yüzeyinde gerçekleşen kömür katmanı poliüretan köpük matrisi ve ortam atmosferi arasındaki ısı ve oksijen geçişini engellemeye yönelik çalışmaktadır. Alev geciktirici olarak tasarlanan TDB yapısında; triazine-trione halkası içeren THEIC, Borik asit ve DPCP'nin yerdeğiştirme reaksiyonu aracılığıyla iki basamakta sentezlenerek alev geciktirici olarak tasarlanmıştır. Sistem düzeneği azot gazı atmosferinde stabilize edildikten sonra, THEIC, trietilamin , DMAP ve DMF sisteme sırayla beslendi. Ardından, DPCP ve DMF çözeltisi bu homojen karışıma bir damlalık aracılığıyla düşük hızda yaklaşık 3 saat boyunca beslendiği sırada eş zamanlı olarak sistemin üzeri bir buz banyosu ile kapatıldı. Reaksiyonun verimli bir şekilde ilerlemesi için, DPCP-DMF çözeltisinin eklenmesi sırasında reaksiyon ortamının sıcaklığı 0 °C'nin altında tutulmuştur. Çözelti iyice karıştırıldıktan sonra refluks aparatının altındaki yağ banyosuna taşınan sistemin sıcaklığı 80 °C'ye ayarlanmış ve 9 saat boyunca bu sıcaklıkta karıştırma uygulanmıştır Reaksiyon sonunda koyu kahverengi renkte gözlenen sistem oda sıcaklığına soğutularak süzüldü ve süzüntü ayrıldı. Süzüntü üzerine azot atmosferi altında borik asit eklendi ve reaksiyon sıcaklığı bir termometre kullanılarak 130 °C'ye kadar ısıtılmak suretiyle kontrol edildi. Son adımda alev geciktirici olarak hazırlanacak sentez yapısından DMF'in uzaklaştırılması için vakum distilasyon düzeneği hazırlandı. Yaklaşık 12 saat vakum distilasyonu uygulanması işlemi ile birlikte DMF uzaklaştırılarak açık kahverengi viskoz bir ürün elde edildi. Elde edilen ürün 80 °C'de vakumlu etüvde kurutuldu. Nihai ürün viskoz kıvamlı ve açık kahverengi özelliklere sahip olan bir yapıda olduğu gözlendi. Rijit poliüretan köpüklerin formülasyonunda kullanılmak üzere sentezlenen TDB alev geciktirici, poliole göre %5, %10, %15 kimyasal bileşimlerde yüklenmiştir. Ayrıca kimyasal kompozisyonun değişimiyle oluşan yapıdaki farklılıkların kıyaslanabilmesi için saf rijit poliüretan köpük numunesi hazırlandı.Tek atış, serbest yükselme yöntemiyle hazırlanan rijit poliüretan köpükler, karakterizasyon testlerine tabii tutulmak için kalıpta şişirilmiştir. Alev geciktirici TDB'nin alev geciktiricilik özelliklerinin yanında köpük hücrelerinin morfolojik yapısı, mekanik özellikleri, yoğunlukları, ısı yalıtım kabiliyeti, ve termal stabilitesi de araştırılmıştır. Alev geciktiricilik profili, TGA (termal gravimetrik analiz), LOI (sınırlayıcı oksijen indeksi) ve KK (konik kalorimetre) testleri doğrultusunda saf rijit poliüretan köpüğe göre %10 oranında TDB içeren köpüklerde iyileştiği görülmektedir. TGA analizleri doğrultusunda rijit poliüretan köpük yapısına artan kompozisyonlarda TDB alev geciktirici yüklenen numunelerde TDB içeriğinin artışıyla kömür kalıntısı miktarının da arttığı gözlemlenmektedir. Bununla birlikte, analize tabii tutulan test numunelerinde LOI değeri %18,8'den %20,8' e ulaşmıştır. Toplam ısı salınım hızının TDB içeriğinin etkisiyle azaldığı konik kalorimetre test sonuçlarıyla kanıtlanmaktadır. Bu bağlamda, karakterizasyon testleri doğrultusunda TDB'nin rijit poliüretan köpük yapısıyla uyumlu bir alev geciktirici malzeme profiline sahip olduğu düşünülmektedir. Yapıdaki mekanik özellik profili incelendiğinde, rijit poliüretan köpük formülasyonuna TDB eklenmesiyle birlikte basma dayanımı değerlerinde yüksek bir artış görülmüştür. %10 TDB içeren köpüklerde basma dayanımı değeri 214 kPa'a ulaşmıştır. Birçok endüstriyel uygulama için oldukça gözönünde bulundurabilecek bir mukavemete sahiptir. Bu sonuçlar, TDB'nin köpük mukavemetini mükemmel bir şekilde arttırdığını kanıtlamaktadır. Ayrıca, SEM görüntülerinden yola çıkılarak TDB yüklemesinin rijit poliüretan köpüklerin hücresel morfolojisinde bir bozulma yaratmadığı da gözlemlenmektedir. Gerçekleştirilen termal iletkenlik testleri doğrultusunda yapıya eklenen TDB'nin ısı yalıtım değerlerinde bir olumsuz etkisi gözlenmemiştir. Elde edilen bulgular ışığında, TDB yapısının artan alev geciktiricilik özelliği, mukavemet özelliği ve korunan morfoloji ve termal iletkenlik değerlerine etkisi sayesinde rijit poliüretan köpükler için endüstriyel gereksinimlere yanıt verebileceği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Polyurethane materials were scientifically demonstrated through the polymerisation system between diisocyanate and diols with the discovery of Otto Bayer. Polyurethane materials, which have a wide range of products, are frequently encountered in daily life. The industries it serves are based on flooring, automotive, aerospace, construction-insulation, and CASE industry. Industrial product groups of polyurethane foams consist of flexible and rigid polyurethane foams. This study focuses on rigid polyurethane foam materials. These materials are materials that can easily combust in the ambient atmosphere due to their organic structure as well as the excellent strength feature they have by nature. Flame retardant additives added to the structure are aimed to minimise the effects of the fire scenario. Flame retardant technology is one of the widely researched topics in the literature. The content of flame retardants is very critical when considering the environmental effects after combustion. Toxic chemicals (especially halogen-containing structures) in the flame retardant content during the smoke release after combustion cause adverse effects on human and environmental health. The TDB flame retardant structure synthesized in this study is halogen-free and based on the synergistic effects of phosphorus, nitrogen and boron. TDB was designed as a flame retardant by synthesising THEIC containing triazine-trione ring in two steps by means of esterification reaction of boric acid and DPCP. TDB flame retardant synthesised for use in the formulation of rigid polyurethane foams was loaded at chemical compositions of 5%, 10%, 15% according to polyol. Rigid polyurethane foams prepared by one shot free rise method were blown in moulds for characterisation tests. In addition to the flame retardant properties of flame retardant TDB, the morphological structure, mechanical properties, thermal insulation ability and thermal stability of foam cells were investigated. Flame retardancy profile, LOI and Cone calorimeter tests show that the flame retardancy profile of the foams containing 10% TDB is improved compared to neat RPUF. LOI value reached from 18,8% to 20,8%. It is proved by cone calorimeter test results that the total heat release rate decreases with the effect of TDB content. In this context, in line with the characterisation tests, TDB is considered to be a flame retardant compatible with the structure of RPUF.
Benzer Tezler
- 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
- Synthesis and characterization of aluminoborophosphate compounds by hydrothermal and solid-state methods
Aluminyum borofosfat bileşiklerinin hidrotermal ve katı hal yöntemleriyle sentezlenmesi ve karakterizasyonu
SEHER KARABIÇAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MERAL KIZILYALLI
- Synthesis and characterization of boron-containing polymers and copolymers
Bor içeren polimer ve kopolimerlerin sentezi ve karakterizasyonu
ASLIHAN SEZGİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
KimyaFatih ÜniversitesiKimya Bölümü
DOÇ. DR. AYHAN BOZKURT
YRD. DOÇ. DR. ABDÜLHADİ BAYKAL
- Süper sert boroksit bileşiğinin ve lüminesans özellik gösteren nadir toprak elementleri katkılı metal borofosfatların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of superhard boroxide and rare earth doped borophosphates exhibiting luminescence property
GÜLŞAH ÇELİK GÜL