İzosiyanat grupları içermeyen biyo bazlı poliüretanların sentezi ve karakterizasyonu

Abstract

İzosiyanat grupları içermeyen biyo bazlı poliüretanların sentezi ve karakterizasyonu İzosiyanatsız poliüretanlar (NIPU), toksik izosiyanat kullanımının ortadan kaldırılması ve çevrimsel karbonat–amin reaksiyonları yoluyla CO₂’nin sentez sürecine dâhil edilmesi sayesinde, geleneksel poliüretanlara çevre dostu bir alternatif olarak öne çıkan sürdürülebilir polimer sınıfıdır. Bu yaklaşım, sağlık ve çevresel riskleri azaltmanın yanı sıra CO₂’yi polimer zincirine kimyasal olarak bağlayarak karbon yakalama ve kullanımı (CCU) stratejilerine katkı sağlamaktadır. NIPU sistemleri, ayarlanabilir mekanik ve termal özellikleri, kimyasal dirençleri ve yüksek yapışma yetenekleri sayesinde kaplama, yapıştırıcı, sızdırmazlık malzemesi, elastomer ve yapısal malzeme gibi birçok uygulama alanında kullanılabilmektedir. Bu tez çalışmasında, NIPU sistemlerinin sürdürülebilir malzeme bilimi ve yeşil kimya yaklaşımları doğrultusunda sentezi, modifikasyonu ve performans karakterizasyonu çok yönlü olarak ele alınmıştır. Çevrimsel karbonat–amin reaksiyonlarıyla CO₂’nin kimyasal olarak polimer yapısına dâhil edilmesi, sistemlere hem çevre dostu hem de karbon yakalama ve kullanımı (CCU) perspektifinden katma değer sağlamaktadır. Çalışmalarda epokside edilmiş bitkisel yağlardan türetilen monomerler, farklı amin sertleştiriciler ve çeşitli katkı maddeleri kullanılarak, yeniden işlenebilir, hidrofobik ve gerektiğinde kendi kendini onarabilen NIPU kaplama ve elastomerler geliştirilmiştir. Farklı bitkisel yağ türevli çevrimsel karbonatlar, amin türleri ve biyobazlı katkıların (NC514S, CCGPMTS ile modifiye Aerosil 300, CCTGIC, 4-APDS, GTGE) ağ yapısı, yüzey enerjisi, termal kararlılık ve mekanik dayanım üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmiştir. FTIR, TGA, DSC, SEM, çözünürlük ve temas açısı testleri ile kimyasal yapı, morfoloji, ısıl direnç ve yüzey özellikleri kapsamlı biçimde değerlendirilmiştir. Sonuçlar, amin türünün jel içeriği, hidrofobiklik, termal stabilite ve sertlik–esneklik dengesi üzerinde belirleyici rol oynadığını; yağ kaynağı değişiminin ise mekanik özelliklerde sınırlı farklılık yarattığını göstermiştir. NC514S içeriğinin artırılması ile cam geçiş sıcaklığında artış ve sertlik/ mukavemet iyileşmesi sağlanırken, esneklik kısmen azalmıştır. Aerosil 300–CCGPMTS katkısı solvent direnci, termal stabilite ve sertliği artırmış; ancak yüksek oranlarda süneklik üzerinde olumsuz etki gözlenmiştir. TGIC türevli karbonatların kullanımı ile çapraz bağ yoğunluğu ve hidrofobiklik artmış, mekanik mukavemet yükselmiş ancak kopma uzaması azalmıştır. Çalışmanın son aşamasında, disülfid bağları ve çok fonksiyonlu çapraz bağlayıcılar kullanılarak dinamik kovalent yapılı, kendi kendini onarabilen NIPU sistemleri tasarlanmıştır. Oda sıcaklığı ve 40–80 °C’de 1 saatlik onarım testlerinde çekme mukavemetinde %79–116, kopma uzamasında %73–140 oranında iyileşme sağlanmıştır. Yeniden işlenebilirlik deneyleri, disülfid bağlarının zincirlerin topolojik yeniden düzenlenmesini kolaylaştırdığını ve malzemeye çoklu kullanım döngülerinde fonksiyonelliğini koruma yeteneği kazandırdığını göstermiştir.

Synthesis and characterization of bio-based non-isocyanate polyurethanes Non-isocyanate polyurethanes (NIPUs) represent a sustainable class of polymers that have emerged as environmentally friendly alternatives to conventional polyurethanes by eliminating the use of toxic isocyanates and incorporating CO₂ into the synthesis process via cyclic carbonate–amine reactions. This approach not only mitigates health and environmental risks but also contributes to carbon capture and utilization (CCU) strategies by chemically binding CO₂ into the polymer backbone. NIPU systems, with their tunable mechanical and thermal properties, chemical resistance, and strong adhesion capabilities, find applications in coatings, adhesives, sealants, elastomers, and structural materials. In this thesis, the synthesis, modification, and performance characterization of NIPU systems were comprehensively addressed in the context of sustainable materials science and green chemistry principles. The incorporation of CO₂ into the polymer backbone via cyclic carbonate–amine reactions provided both environmental advantages and added value from a CCU perspective. Monomers derived from epoxidized vegetable oils, various amine curing agents, and functional additives were employed to develop reprocessable, hydrophobic, and, when required, self-healing NIPU coatings and elastomers. The effects of different vegetable oil–derived cyclic carbonates, amine types, and bio-based additives (NC514S, CCGPMTS-modified Aerosil 300, CCTGIC, 4-APDS and GTGE) on network structure, surface energy, thermal stability, and mechanical performance were systematically investigated. Comprehensive characterization, including FTIR, TGA, DSC, SEM, solubility tests, and contact angle measurements, was conducted to evaluate chemical structure, morphology, thermal resistance, and surface properties. The results indicated that the type of amine was a critical parameter influencing gel content, hydrophobicity, thermal stability, and the balance between stiffness and flexibility, whereas the source of the vegetable oil had only a limited effect on mechanical properties. Increasing the NC514S content resulted in higher glass transition temperatures and improved stiffness/ strength, accompanied by a slight decrease in flexibility. The incorporation of Aerosil 300–CCGPMTS enhanced solvent resistance, thermal stability, and hardness, although high loadings adversely affected ductility. The use of TGIC-derived carbonates increased crosslink density and hydrophobicity, improving mechanical strength while reducing elongation at break. In the final stage of the study, dynamic covalent self-healing NIPU systems were designed through the introduction of disulfide bonds and multifunctional crosslinkers. Self-healing tests conducted at room temperature and 40–80 °C for 1 h demonstrated tensile strength recovery rates of 79–116% and elongation at break recovery rates of 73–140%. Recyclability experiments confirmed that the presence of disulfide bonds facilitated topological rearrangement of the network, enabling the material to retain its functionality over multiple reuse cycles.