KETEN LİFİNE İZOSİYANAT MODİFİKASYONU UYGULANMASININ POLİÜRETAN ELASTOMER/KETEN LİFİ

EKO-KOMPOZİTLERİN MEKANİK, AKIŞ VE SU EMME ÖZELLİKLERİNE ETKİLERİ

Prof. Dr. Erdal BayramlıOrta Doğu Teknik Üniversitesi

Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümü

Ümit TayfunOrta Doğu Teknik Üniversitesi

Polimer Bilimi ve Teknolojisi Bölümü

Mehmet DoğanErciyes Üniversitesi

Tekstil Mühendisliği Bölümü

15. Tekstil Teknolojisi ve Kimyasındaki Son Gelişmeler Sempozyumu14 Mayıs 2015

Bursa Akademik Odalar Birliği (BAOB) Yerleşkesi

ANABAŞLIKLAR Giriş Doğal Lifler ve Eko-kompozitler Keten Lifii ve Termoplastik Poliüretan

Çalışmanın Amacı Malzeme ve Yöntemler Kullanılan Malzemeler Yüzey Modifikasyonları Kompozit Hazırlama Ölçüm ve Test Yöntemleri

Sonuçlar ve Tartışma Keten Lifi Yüzeylerinin Karakterizasyonu Kompozitlerin Mekanik Test Sonuçları Kompozitlerin Akış Testi Sonuçları Kompozitlerin Su Emme Testi Sonuçları Kompozitlerin Morfolojik Yapıları

Çıkarımlar Kaynaklar

DOĞAL LİFLER VE EKO-KOMPOZİTLER

Çevre konusundaki düzenleme ve kısıtlamalardan dolayı ekolojik kompozitlere son yıllarda artan bir eğilim gözlenmektedir [1-3].

Polimerik eko-kompozitler, üretim aşamalarının pratikliği, tekrar kullabilme özelliği, hafif ve düşük maliyete sahip olmaları gibi avantajlara sahiptir.

Bu avantajlarına rağmen, istenilen özelliklere sahip polimerik eko-kompozitlerin hazırlanmasındaki en büyük engel, doğal lif içerisindeki lignoselülozun polar yapısı ile polimer matrikslerin karakteristik apolar özelliğinden kaynaklanan uyumsuzluktur [1-5].

Doğal dolguların matriks içinde daha iyi dağılması ve polimere daha iyi yapışması, lif yüzeyine çeşitli kimyasal modifikasyonlar uygulanarak sağlanmaktadır [6].

KETEN LİFİ VE POLİÜRETAN ELASTOMER

Keten lifi (FF), doğal lifler arasında en yüksek mekanik özelliklere sahip liflerden birisidir. Tekstil alanında yaygın olarak kullanılan keten lifi, son dönemde polimer kompozitlerde güçlendirici olarak da uygulama alanı bulmuştur [7,8].

Poliüretan Elastomer (Termoplastik Poliüretan – TPU), yüksek çekme ve aşınma dayanımı, kolay işlenebilme ve tamamen geri kullanabilme özellikleri sayesinde bir çok uygulama alanda kullanılmaktadır.

TPU, özellikle otomotiv ve inşaat endüstrisinde, ayakkabı, ambalaj, koruma kıyafetleri, kablolar, tel ve boru üretimi gibi pek çok uygulama sahasında kullanılmaktadır.

ÇALIŞMANIN AMACI

Lignoselülozik içeren termoplastik poliüretan (TPU) kompozitlerin özelliklerini inceleyen az sayıda çalışmaya rastlanmıştır [9].

Bu çalışmada, keten lifine, poliüretan elastomer ile ara yüzey yapışmasını artırmak amacıyla alkali ve izosiyanat modifikasyonları uygulanmıştır.

Uygulanan yüzey işlemleri sonrasında oluşturulan kompozitlerin başta mekanik olmak üzere özelliklerinde iyileştirme amaçlandırmıştır.

MALZEME VE YÖNTEMLER

Kullanılan Malzemeler:

Termoplastik PoliüretanMerquinsa Pearlthane® ECO D12T85

%46’sı yenilenebilir kaynaklardan elde edilmiş Eko-TPU

Keten Lifiİzmit bölgesinden temin edilmiş lifler 3-4 mm boyunda

kesilmiştir.

Yüzey Modifikasyonu Kimyasalları NaOH, Toluen (Sigma Aldrich) pMDI Reçine: Nuhpol Isonuh PM-200; NCO content of 30-32 g/100 g

MALZEME VE YÖNTEMLER

Yüzey Modifikasyonları

Kesilmiş keten lifleri, yüzeydeki kirliliği bertaraf etme amacıyla su ile yıkandı ve kurutuldu (FF).

Alkali (NaOH): Keten lifleri, %2 NaOH/Su çözeltisinde 120 dak. karıştırıldı ve

kurutuldu (Na-FF).

İzosiyanat: Alkali işlemi uygulanmış lifler %8 pMDI/Toluen çözeltisinde 55 oC’de

80 dak. Karıştırıldı ve kurutuldu (MD-FF).

Kürleştirilmiş İzosiyanat: MD-FF 180 oC’de 10 dak. bekletilmiştir (CM-FF).

MALZEME VE YÖNTEMLER Kompozit Hazırlama:

MALZEME VE YÖNTEMLER

Ölçüm ve Test Yöntemleri:

SONUÇLAR VE TARTIŞMA Keten Lifi Yüzeylerinin Karakterizasyonu

Optik mikroskop ve SEM fotoğrafları incelendiğinde; Alkali işleminden sonrayapıdan lignin, vaks, vb selülozik olmayanmaddeler uzaklaştığından liflerdefibrilleşme ve lif yüzeylerinde pürüzlülüğün arttığı gözlenmiştir.

SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kompozitlerin Mekanik Test Sonuçları

Keten lifine uygulanan tüm yüzey modifikasyonları FF ile karşılaştırıldığında, eklendikleri kompozitlerin çekme dayanımlarını arttırmıştır.

En yüksek çekme dayanımı değeri kür edilmiş izosiyanat modifiyeli keten lifi takviyeli kompozitte gözlenmiştir (34%).

Alkali işlemi uygulan keten lifi eklenen kompozitin kopmada uzama değeri TPU/FF ile karşılaştırıldığında bir miktar artış gösterirken, diğer modifikasyonlar bu değerde azalmaya sebebiyet vermiştir.

TPU içerisine tüm keten lifi takviyeleri,

çekme dayanım ve kopmada uzamaları

azaltırken, Young modülü değerlerinde

belirgin artışlarla sonuçlanmıştır.

SONUÇLAR VE TARTIŞMA

Kompozitlerin Mekanik Test Sonuçları

Tablo’daki su emme testinden sonraki sonuçlar incelendiğinde; TPU’nun sudan

etkilenmediği, kompozitlerin kopmada uzamalarının yükseldiği, çekme dayanım

ve Young modülü değerlerinin düştüğü saptanmıştır.

MD-CF kürleştirme sonrası üretan ve üretidion (uretidione) grupları [10] oluştuğundan lif ile polimer daha uyumlu hale gelmiştir.

SONUÇLAR VE TARTIŞMA

Kompozitlerin Mekanik Test Sonuçları

o Shore Sertlik elastomer ve kompozitleri için karakteristik bir parametredir.o Tablodaki değerler incelendiğinde; modifiyesiz keten lifi eklenmesi TPU’nun sertliğinde

4.2 birim artışa neden olduğu anlaşılmaktadır.o Alkali uygulaması, modifiyesiz keten lifi ile kıyaslandığında sertlikte çok az bir düşüş

gözlenmektedir.o İzosiyanat ve kürleştirilmiş izosiyanat modifiyeli keten lifi içeren kompozitlerin sertlikleri

hemen hemen aynı olarak bulunmuş ve diğer iki kompozite göre 1 birim civarında düştüğü gözlenmiştir.

SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kompozitlerin Mekanik Test Sonuçları

o Modifikasyon uygulanan lif içeren

kompozitlerin depolama modülleri,

TPU ve TPU/FF ile karşılaştırıldığında

daha yüksek bulunmuştur.

o Depolama modülü sonuçları arasında en

yüksek değere, çekme dayanımı sonuçlarında

olduğu gibi CM-FF ile hazırlanan

kompozitlerde rastlanmıştır.

o Yüzey işlemi uygulanmış FF eklenmesi ile

polimerin Tan δ ve Tg değerlerinde artış gözlenmiştir.

o Bütün modifikasyonlar, lif ile polimer

arasında yüzeysel etkileşimleri arttırarak

TPU zincirlerinin hareketliliklerini sınırlandırmıştır.

SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kompozitlerin Akış Testi Sonuçları

o Hazırlanan tüm kompozitlerin eriyik akış indisi (MFI) değerleri, eriyik akışı sırasında keten lifinin akış yönünde yönlenmesinden dolayı TPU’nun MFI değerinden yüksek olarak sonuçlanmıştır.

o Yüzey modifikasyonu uygulan liflerin yüzeyleri polimer matrikse daha iyi yapışma sağladığından, eklendiği kompozitlerin, FF içeren kompozitler ile kıyaslandığında daha düşük MFI değerlerine sahip olduğu görülmektedir.

SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kompozitlerin Su Emme Testi Sonuçları

o 1 aylık süre sonunda TPU %1 oranında su absorblamış, modifikasyon uygulanmayan lif içeren kompozit en yüksek değer olan %6’nın üstünde, alkali işlemi uygulanan FF ve izosiyanat modifikasyonlarına tabi tutulan FF takviyeli kompozitler ise %5 civarında su emme ile sonuçlanmıştır.

o Uygulanan modifikasyonlar, keten lifi ile TPU arasındaki yapışmayı arttırdığı için eklendikleri kompozitlerde daha az su emme kapasitesi gözlenmesine neden olmuştur.

SONUÇLAR VE TARTIŞMA Kompozitlerin Morfolojik Yapıları

o SEM mikrografikleri incelendiğinde, TPU/FF kompozitinde polimer ile uyumlu olmayan keten lifi içerdiği için liflerin etrafında derin yarıklar gözlenmiştir.

o Yüzey modifikasyonları uygulanmış FF, polimere daha iyi yapışma sağladığı için liflerin çevresinin polimer ile kaplandığı gözlenmektedir.

o Na-FF MD-FF ve CM-FF içeren kompozitlerde lif-polimer yapışmasının daha çok sağlandığı ayırt edilmiştir. Bu gözlem diğer sonuçlarla uyum göstermektedir.

ÇIKARIMLAR

Bu çalışmada, keten lifine 3 farklı yüzey işlemi uygulanarak, eklendiği TPU kompozitlerinin çeşitli özelliklerine etkileri araştırılmıştır.

Keten liflerinde, modifikasyonlar sonrasında fibrilleşme ve yüzey pürüzlülüğünde artış gözlenmiştir.

Tüm yüzey işlemleri, modifiye edilmeyen lif ile karşılaştırıldığında eklendikleri kompozitlerin çekme dayanımlarını ve depolama modüllerini arttırmıştır. En yüksek değerlere kür edilmiş izosiyanat modifiyeli keten lifi içeren kompozitlerde rastlanmıştır.

Keten liflerinin polimer matriks içinde akış yönünde yönlenmelerinden dolayı, eklendikleri TPU’nun MFI değerlerini yükseltmiştir. Modifikasyon uygulanan keten lifi takviyeli kompozitlerde, modifiyesiz ile kıyaslandığında polimer-lif uyumlarının daha iyi olmasından dolayı MFI değerlerinde azalma gözlenmiştir.

Kompozitlerin su emme kapasiteleri, yüzey işlemi gören lif içeren örneklerde düşük olarak bulunmuştur.

TPU ile keten lifi arasındaki yapışmanın modifikasyonlardan sonra

artışı morfolojik olarak da saptanmıştır.

KAYNAKLAR

[1] A. Bismarck, A. Baltazar-Y-Jimenez, K. Sarikakis, Development and Sustainability, 8, (2006), 445-463.

[2] S. Kalia, B.S. Kaith, I. Kaur, Polymer Engineering & Science, 49, (2009), 1253-1272.

[3] Zini E., Scandola M., 2011, Polymer Composites, 32, 1905. [4] L. Yan, N. Chouw, K. Jayaraman, Composites Part B: Engineering, 56,

(2014), 296-317. [5] Baley C., Busnel F., Grohens Y., Sire O., Composites Part A: Applied

Science, 37, (2006) 1626. [6] Mohanty A.K., Misra M., Drzal L.T., Composite Interfaces, 8, (2001)

313. [7] Zhu J., Zhu H., Njuguna J., Abhyankar H., Materials, 6, (2013), 5171. [8] M.A. Fuqua, S. Hou, C.A. Ulven, Polymer Reviews, 52, 259, (2012). [9] Tayfun U., Dogan M., Bayramli E., Journal of Natural Fibers, 12,

(2015). [10] Frazier C.E. In: Pizzi A., Mittal K.L. (eds) Handbook of adhesive

technology, Chapter 33. Taylor and Francis Boca Raton, (2003).

GRUBUMUZUN BENZER ÇALIŞMALARI(EKO-KOMPOZİTLER)

Y. Altun, M. Dogan, E. Bayramli, ‘’Effect of alkaline treatment and pre-impregnation on mechanical and water absorption properties of pine wood flour containing pol(lactic acid) based green composites’’, Journal of Polymers and the Environment, 21, 850, 2013.

Y. Altun, M. Dogan, E. Bayramli, ‘’ Comparative study of maleated and glycidyl methacrylate functionalized terpolymers as compatibilizers for low-density polyethylene –wood flour composites’’, Journal of Applied Polymer Science, 127, 1010, 2013.

U. Tayfun, M. Dogan, E. Bayramli, ‘’Effect of surface modification of rice straw on mechanical and flow properties of TPU-based green composites’’, Polymer Composites, (Online), 2014. DOI: 10.1002/pc.23331

U. Tayfun, M. Dogan, E. Bayramli, ’Influence of surface modifications of flax fiber on mechanical and flow properties of TPU based eco-composites’’, Journal of Natural Fibers, (Accepted), 2015.

U. Tayfun, M. Dogan, E. Bayramli, ‘’Investigating agricultural waste-reinforced polyurethane elastomer green composites’’, SPE Plastics Research Online, 2015. DOI: 10.1002/spepro.005729

U. Tayfun, M. Dogan, E. Bayramli, ‘’Investigations on the Flax Fiber/Thermoplastic Polyurethane Eco-composites: Influence of Isocyanate Modification of Flax Fiber Surface’’, Polymer Composites, (Under Review).