İyonomer katkısının fosfor içeren alev geciktiricili ABS bileşimlerinin alevlenme dayanımına, mekanik ve termal özelliklerine etkisi

Akrilonitril bütadien stiren (ABS) geniş kullanım alanına sahip; polibütadien, stiren ve akrilonitrilin polimerizasyonuyla meydana gelen bir kopolimerdir. Kopolimer yapısını oluşturan monomerleri sayesinde öne çıkan mekanik özellikleri (tokluk, çarpma dayanımı, vb.), kimyasal dayanıklılığı, düşük maliyetli bir malzeme olması ve kolay şekillendirilebilirliğiyle; otomotiv sektörü, ev aletleri, oyuncaklar, elektrik ve elektronik aletlerde kullanım alanı bulmaktadır. Tüm bu avantajlarının yanı sıra ABS kendiliğinden kolayca yanma özelliği göstermesi nedeniyle, bu kullanım alanlarının sınırlanması sorunu ile karşılaşmaktadır. Bu nedenden dolayı araştırmaların çoğu, termoplastik bir malzeme olan ABS'nin kullanım kapasitesini arttırmaya odaklanmıştır. ABS kopolimerin kendiliğinden tutuşabilirlik özelliğinin engellenmesi amacıyla, yapılan ilk çalışmalar halojen bazlı alev geciktiricilerin yardımıyla sağlanmıştır. Halojen bazlı alev geciktiricilerin az miktarda da olsa ABS yapısına katkılandırılmasıyla, yanma özelliğinde belirgin bir azalma görülmesine rağmen bu yapıdaki alev geciktiricilerin oluşturduğu zehirli gazlar çevresel problemlere neden olmaktadır. İnsan sağlığı üzerindeki bu olumsuz etkisi nedeniyle halojen bazlı alev geciktiriciler Avrupa'da ve daha birçok ülkede yasaklanmış olup kullanımı azaltılmaya çalışılmaktadır. Bu durumun bir sonucu olarak zamanla yapılan araştırmalar daha çok halojen içermeyen alev geciktiricilere yönelmiştir. Fosfor bazlı halojen içermeyen alev geciktiriciler herhangi bir zehirli gaz oluşturmaması nedeniyle halojen bazlı olanların alternatifi olarak kullanılmaktadırlar. Fosfor içeren alev geciktiriciler (PFR); fosfinler, fosfin oksitler, fosfonyum bileşikleri, fosfonatlar, saf kırmızı fosfor, fosfitler ve fosfatlardan oluşmaktadır. Etki mekanizmaları gaz fazında ve yoğunlaştırılmış fazda veya bu iki fazın bir arada bulunmasıyla gerçekleşmektedir. Gaz fazında buharlaşan fosforlu alev geciktirici, ortamdaki H+ ve OH- iyonlarını ortadan kaldırarak yanmayı yavaşlatırlar. Yoğunlaştırılmış fazda ise karbon içeren bir kalıntı oluşur. Oluşan bu kalıntı alev ve polimer yüzeyi arasında bir çeşit bariyer oluşturarak yanmayı zorlaştırır. Yoğunlaşmış fazda görülen kömürün oluşma mekanizmasında, kimyasal reaksiyonlar yeniden yönlendirilerek CO2 ve CO oluşumu yerine kömür katmanının oluşumu sağlanır ve bu katman polimer yüzeyinde koruyucu katman görevi görür. Fosfor içeren alev geciktiricilerin ABS koplimerinin yanma davranışının üzerinde belirgin bir etki göstermesi için, ağırlıkça % 20-30 oranında eklenmesi gerekmektedir. Bu oran polimer matris içerisinde karışmazlık bölgelerinin oluşumuna neden olup, beraberinde mekanik özelliklerde azalmayı getirmektedir. Bu olumsuz etkinin en aza indirilmesi amacıyla uyum arttırıcı malzemeler kullanılabilmektedir. Bu malzemeler karışmazlık bölgelerinde etkin olarak fazları birbirine bağlayan köprü görevinde çalışmaktadırlar. Uyumlulaştırıcı olarak kullanılan malzemelere örnek olarak; çapraz bağlama katkı maddeleri, reaktif polimerler, aşılanmış veya bloklanmış polimerler ve iyonomerler verilebilmektedir. Tüm bu bilgilerin ışığında fosfor içeren alev geciktiricili ABS termoplastik malzemesinin mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla yapılan çalışmalar büyük önem taşımaktadır. Bu bakış açısıyla yapılan bu çalışmada, ABS ve fosfor içeren alev geciktiricili ABS kopolimer bileşimleri hazırlanmış ve fosfor içeren alev geciktiricili ABS rezinin % 5 oranında ticari iyonomer katkılandırılması yapılarak, iyonomerin etkisi analiz edilmiştir. Çalışmanın temel amacı; katkılandırılmamış ABS ve fosfor içeren alev geciktiricili ABS bileşimlerine katkılandırılan ticari iyonomerin, termal kararlılık, mekanik ve yanma davranışı üzerindeki etkilerinin incelenmesi olarak belirlenmiştir. Hammaddeler ergitirilerek karıştırma yöntemiyle hazırlanmış olup, bileşimlerde ağırlıkça % 10 ve % 20 oranında fosfor içeren alev gecikticiler kullanılmıştır. Fosfor içeren alev geciktirici olarak amonyum polifosfat (APP) ve alüminyum dietilfosfinat (AlPi) kullanılarak, ikisi arasında ki oran her numunede 1:1 olarak hesaplanmıştır. Çalışmalarda ticari iyonomer olarak etilen metakrilik asit (EMMA) kopolimer seçilip; fosfor içeren alev geciktiricili ABS rezinine % 5 oranında katkılandırılmıştır. Numune hazırlama işleminden önce hazırlanan bileşimler, 95 ºC derecede 24 saat boyunca ön kurutmalı (PD) ve ön kurutmasız (NPD) olmak üzere iki farklı koşula maruz bırakılmıştır. Ardından şekil vermek amacıyla basınçlı kalıplama yöntemi kullanılarak numuneler üretilmiştir. İyonomer katkısının uyum arttıcı etkisinin incelenmesi amacıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Hazırlanan numunelerin termal dayanıklılığının belirlenmesi için termogravimetrik analiz (TGA) yapılmıştır. İyonomer katkısının mekanik özelliklere etkisi, üç noktalı eğme testi ve charpy darbe testi yardımıyla analiz edilmiştir. Yapılan konik kalorimetre testi ile numunelerin yanma davranışları belirlenmiştir. SEM analizleri sayesinde fosfor içeren alev geciktiriciler ile polimer matris arasındaki zayıf etkileşimin artan ağırlıkça % PFR oranıyla (% 10 ve % 20) arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca iyonomer içeren bileşimlerde APP tuzları ile ABS matris arasındaki etkileşimin geliştiği ve iyonomerin uyumlulaştırıcı görevi gördüğü belirlenmiştir. TGA sonuçlarına göre, bozunma başlangıç sıcaklığının, PFR içeren numunelerde azaldığı ve artan ağırlıkça % PFR oranıyla analiz sonrası kalıntı oranının arttığı belirlenmiştir. Ayrıca yine TGA sonuçlarına göre iyonomer varlığının kalıntı oranını ve bozunma başlangıç sıcaklığını arttırdığı gözlemlenmiştir. Yapılan mekanik analizler sonucunda, iyonomer varlığının NPD numunelerinde daha yüksek eğme dayanımı ve modülüne yol açtığı hesaplanmıştır. Ancak iyonomer katkısının darbe dayanımı üzerinde olumsuz etkisi olduğu belirlenmiştir. Yanma davranışının gözlemlenmesi amacıyla gerçekleştirilen analizler sonucunda, bütün numunelerde artan ağırlıkça % PFR oranıyla birlikte kömürlü kalınıtının arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca iyonomer katkısının numunelerin alev alma zamanını geciktirdiği ve yanma büyüme hızını arttırdığı belirlenmiştir. Bu etki iyonomerin TGA sonuçlarında görülmüş olan katalitik etkisi ile açıklanabilmektedir.