Yeni Nesil Bor Katkılı Nanomalzemeler ve Alev Önleyici Olarak Uygulanabilirlikleri

13 Eylül 2017

 

 

Prof. Fatih Şen
Dumlupınar Üniversitesi
Fen Edebiyat Fakültesi
Biyokimya Bölümü

 

 

 

Betül Şen
Dumlupınar Üniversitesi
Fen Edebiyat Fakültesi
Biyokimya Bölümü

 

 

 

 

Aysun Şavk
Dumlupınar Üniversitesi
Fen Edebiyat Fakültesi
Biyokimya Bölümü

 

 

 

ÖZET
İnsanlığın gelişmesiyle artan sanayileşme ve buna bağlı olarak hızla ilerleyen teknoloji sonucunda çevre dostu toksik etkisi olmayan,
yüksek sıcaklıkta yanmayan malzeme arayışı gün geçtikçe artmaktadır. Vazgeçilmez mineral kaynaklarından olan bor bu malzeme
arayışına cevap verecek nitelikteki stratejik öneme sahip kaynaklardandır. Genellikle yüksek teknoloji gerektiren metotlarla üretilen
bor bileşikleri dünyada ticari  bakımdan önem taşımaktadır. Üretilen özel bor bileşiklerinin her biri farkı sektörlerde bir çok amaç
için kullanılmaktadır. Özel bor bileşiklerinin tercih edilmesinin en önemli sebeblerinden biride alev önleyici yapıya sahip olmasıdır.
Alev önleyici olarak bilinen maddeler yanmanın başlamasını, ilerlemesini engelleyerek can ve mal kaybını en aza indirgeyerek
çevreyi de korumaya yardımcı olurlar. Alev önleyici katkı maddelerinin ilavesi yanıcı malzemenin tutuşma süresini arttırır, yanmanın
ilerleme süresini ise azaltır. alev önleyici olarak kullanılan borlu bileşiklerin yaygın kullanım alanları mevcuttur. Ahşap, selülozik
yalıtım, PVC ve tekstil malzemelerine katılan borlu bileşikler bu malzemelere güç tutuşurluk özelliği kazandırır. Bu çalışmada
yanmazlık üzerine incelemeler yapılarak yeni nesil nanomalzemelerin alev önleyici etkisine dikkat çekilmiştir.

1. Giriş
Birçok önemli alanda kullanılan bor, Türkiye için son derece öneme sahip olup, dünya rezervlerinin yaklaşık %73.5’ini
barındırmaktadır.Yakıt hücreleri vb’de de kullanımı mümkün olan bor, tutuşma sıcaklığının yüksek olması, yanma sonucunda
kolaylıkla aktarılabilecek ürün vermesi ve çevreyi kirletecek emisyon açığa çıkarmaması gibi önemli özelliklere sahiptir. Alev
geciktirme etkisinden dolayı bor bir çok çalısma alanında etkin rol oynamıstır. Borun alev önleyici özelliklerinin en fazla
görüldüğü özel bor bileşikleri çinko borat ve floroboratlardır. Adı gecen bor bileşikleri yüksek sıcaklığa dayanıklı pigment
özellikleride göstermesi ekstra bir avantajdır. Yangınlarda can ve mal kaybını önlemek amacıyla çeşitli sektörlerde (plastik,
ağaç ürünleri, tekstil, kağıt, yapıştırıcı, kaplama, havacılık ve elektronik) yaygın olarak kullanılan epoksi reçinesi vb kullanılan
ürünlerin içerisine yanmayı önleyici ve dumanı bastırıcı minerallerin ilavesi günümüzde gittikçe artmaktadır ki bor vb gibi alev
önleyiciler ön plana çıkmaktadır ve kullanılması gereklidir [1-19]. Kullanacağımız alev önleyicilerin, ilave edildiği malzemenin
işlenme özelliklerini değiştirmemesi ve zarar vermemesi büyük önem taşır. Malzemeye katılan belli oranlardaki alev önleyiciler,
yanıcı malzemeyi seyreltmekle birlikte yanmaya devam edebilmesi için gerekli minimum oksijen miktarını azaltmaktadır. Kullanılan
alev geciktiricinin etkin bir alev önleyici sayılabilmesi için düşük tutuşma özelliğine sahip olması gerekmektedir. Ayrıca reaksiyon
sırasında yanıcılığın şiddetini azalatabilmeli, düşük hızda ve miktarda dumana neden olmalı ve zehirli olmamalıdır. Alev önleyiciler
farklı mekanizmalara  sahiptir. Polimer yanarken yanma prosesini geliştiren buhar fazı serbest radikaller oluşturur. Eklenen katkı
maddeleri tek başına veya bileşikteki diğer malzemelerle zincirleme reaksiyonlar sonucunda serbest kalan radikallerin oluşmasını
engelleyerek alev geciktirmeyi sağlamaktadır. Bromlu ve klorlu alev önleyiciler bu mekanizmayla çalışır [3-12]. Alev önleyiciler
malzemedeki yanıcılık alt sınırının altındaki seviyede yakıt içeriğini azaltarak ürünün ısı kapasitesini arttırma yoluyla fiziksel
seyreltme mekanizmasıyla çalışmaktadır. Bu mekanizmaya örnek olarak cam fiberler ve bazı mineraller verilebilir. Alev
önleyicilerinden bazıları yanma süresince ürün bozunduğunda büyük miktarlarda yanmayan gazlar üretilir. Gazlar alevlenme
sınırının altında alev oksijen kaynağını veya yakıt konsantrasyonunu seyreltir. Alev önleyici olarak bilinen metal hidroksitler, metal
karbonatlar bu şekilde çalışırlar. Son zamanlarda ise özellikle nanoteknolojinin gelişimi ile bor içerikli nanomalzemeler özellikle
yanma engelleyici malzemeler olarak kullanılmak istenmektedirler.

 

Genel olarak nanoteknoloji, nanoyapıdaki malzemelerin üretimi, incelenmesi, geliştirilmesi ve uygulama alanlarında kullanılması
ile ilgilenir. Nanomalzemeler, moleküller ile sonsuz büyüklükteki sistemler arasında geçiş görevi görmektedirler. Makroskopik
ölçekten nano-ölçeğe doğru gidildikçe malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri değişiklik göstermektedir. Malzeme
özelliklerinin boyuta göre değişmesi yeni teknolojilerin ve yeni aletlerin üretilmesine olanak sağlamaktadır. Bütün bu çalışmalar
ve gelişmeler elektronik, kimya, fizik, malzeme bilimi, uzay ve hatta sağlık bilimlerini multidisipliner ortak bir noktada
buluşturmuştur. Nanomalzemeler literatürde genellikle boyutsal olarak;
a) 0-D nanomalzemeler (nanopartikül)
b) 1-D nanomalzemeler (nanofiber , nanotüp, nanotel)
c) 2-D nanomalzemeler (nanofilm) olarak sınıflandırılmışlardır.
Bu nanoyapılar farklı yöntemlerle üretilebilmektedirler ki çekme yöntemi, kimyasal indirgeme, faz ayırma, kimyasal buharlaştırma
ile depolama (CVD), ergiyik püskürtme, nano-kalıp ve elektrospinning yöntemi nanomalzeme üretiminde çokça kullanılan
tekniklerdir. Genel olarak bu yöntemler ile çapı 10 – 500 nm aralığında nanomalzemeler üretmek ve parçacık boyutunu kontrol
edebilmek mümkündür. Bunların yanında, kimyasal reaksiyonlara karşı dayanımının çok yüksek olması, düşük yoğunluk, yüksek
termal kararlılık, yüksek sertlik, yüksek nötron yakalama kapasitesi ve mükemmel termoelektrik özellikleri nedeni ile bor tabanlı
nanomalzemeler birçok uygulama alanına sahiptir. Bu uygulama alanlarından bazıları abrasiv aşınma-dirençli malzemelerin ve
seramik zırhların üretimidir. Ayrıca nükleer reaktörlerin nötron moderatörlerinde ve uzay uçuş uygulamalarında güç üreteçlerinde
kullanılma olasılığı bulunmaktadır. Bor içeren nanomalzemelere örnek olarak gösterilebilecek olan bor nitrür nanotüpler geniş
bir bant aralığına (Eg = 5,5 eV) sahip yarı iletken malzemedir ve sadece UV ışığı soğurabilir, bu özellikleri sayesinde boya
maddeleri ile modifiye edilerek enerji kaynağı olarak kullanılabilir. Ayrıca mükemmel mekanik ve termal özellikleri ile özellikle
oksitlenmeye karşı yüksek dirençleri sayesinde yüksek sıcaklık kompozit malzemelerinde takviye elemanı olarak kullanılabilir.
Bor içerikli nanomalzeme üretiminde kullanılan kimyasalların oldukça zehirli ve maliyetli olması ayrıca nanomalzeme üretiminde
kullanılan düzeneklerin karmaşık ve pahalı olması, bor içerikli nanomalzeme üretimi için yeni başlangıç malzemeleri kullanımını
ve üretim yöntemlerinin araştırılmasını gerekli kılmaktadır. Ülkemizin zengin bor kaynaklarının etkin bir şekilde değerlendirmek
üzere ileri  teknolojiler kullanılarak yüksek katma değerli bor ürünlerinin üretilmesi çok önemli bir gerekliliktir.

 

 

2. Sonuçlar ve Tartışma
Bahsedilen nedenler bu çalışmada yanmazlık vb gibi birçok uygulamalarda kullanmak için ekonomik üretim yöntemlerinden biri
olan elektrospinning tekniği ile bor içerikli nanomalzemelerin üretilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, viskozite ve pH gibi çözelti
hazırlama parametreleri ile uygulanan voltaj, çözelti akış hızı ve altlık ile iğne ucu arası mesafe gibi üretim parametrelerinin ve
farklı başlangıç malzemelerinin sonuçlara etkisi incelenerek, uygun başlangıç malzemeleri ve optimum üretim şartları belirlenmiştir.
Malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, malzeme boyutu nanometre düzeyine indikçe farklılık göstermesinden dolayı üretilen
nanomalzemelerin yapısal özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dispersif spektrometre (EDS) X-Işınları difraksiyonu
(XRD) vb ile karakterize edilmiştir.

Bunun yanında, üretim sırasında uygulanan ısıl işlem rejimini ve elde edilen nihai ürün miktarını belirlemek amacı ile diferansiyel
termal analizi /termogravimetre (DTA-TG) cihazı kullanılarak belirlenmiştir ve elde edilen malzemenin üstün özellikleri nedeniyle
patente başvurulmuştur. Genel olarak bor içeren nanomalzemeler alev önleyici olarak kullanıldıklarında çevre dostudurlar,toksik gaz
salınımına neden olmazlar ve düşük  uçuculuk değerine sahiptirler. Yanan malzemenin üzerini oksijenle temasını kesecek şekilde
kaplayarak yanmayı bastırırlar. Sonuç olarak elektrospinning tekused niği ile hazırlanan bor içerikli nanomalzemelerin, kullanım
alanlarından biri olan alev önleyiciler içinde oldukça güçlü bir yere sahiptir ve yapılan çalışmalar ışığında gün geçtikçe kendine daha
fazla yer bulmaktadırlar.

 

Kaynaklar
[1] Gürü M, Ayar B, Çakanyıldırım Ç, Özmen L, Aleve ve yüksek sıcaklığa dayanıklı boya ve üretim yöntemi incelemeli Patent TR 2007
02470 B, 21.10.2010.
[2] Gürü M., Yalçın H., Malzeme Bilgisi, 2. Baskı, Palme Yayıncılık, Ankara, 2006.
[3] Kaya M., Oz D., Mineral esaslı alev önleyici ve duman bastına katkı maddeleri, Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, İzmir,
Türkiye, 14-15 Ekim, 1999.
[4] Prabhakar M. N., Shah A., Song J., A review on the flammability and flame-retardant properties of natural fibers and polymer
matrix based composites, Compo- sites Research, 28(2), 29-39, 2015.
[5] Ayar B., Çinko borat sentezi ve yüksek sıcaklıkta pigment olarak kullanılabilirliği, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2007.
[6] Sadowska J. P., Czupryn´ski B., Liszkowska J., Boron- containing fire retardant rigid polyurethane– polyi- socyanurate foams,
Part II – preparation and evaluati-on, Journal of Fire Sciences, 33(1), 48–68, 2015.
[7] Akarslan F., Investigation on fire retardancy proper-ties of boric acid doped textile materials, Acta Physıca Polonıca A, 128,
403-404 2015.
[8] Tektaş E., Mergen A., Eti Holding A.Ş. Genel Müdürlüğü Araştırma Geliştirme Dairesi Başkanlığı Çinko Borat Üretimi Ön Fizibilite
Etüdü, 2003
[9] Formicola C., Fenzo A. Zarelli M., Giordano M., Antonucci V., Zinc based compounds as smoke suppressant agents for an
aerospace epoxy matrix, Polym. Int., 60(2), 304-311, 2011.
[10] Ishii T., Kokaku H., Nagai A., Nishita T., KakimotoM., Calcium borate flame retardation system for epoxy molding compounds,
Polym. Eng. Sci., 46(6), 799- 806, 2006.

[11] Ibibikcan E., Kaynak C., Usability of three boron compounds for enhancement of flame retardancy in polyethylene-based cable
insulation materials, Journal of Fire Sciences, 32(2) 99–120, 2014.
[12] Schartel B., Weiß A., Mohr F., Kleemeier M., Hartwig A., Braun U., J. Appl. Polym. Sci., 118(2), 1134- 1143, 2010.
[13] Zhang Q., Zhang W., Huang J., Lai Y., Xing T., Chen G., Jin G., Liu H., Sun B., Flame retardance and thermal stability of wool
fabric treated by boron conta- ining silica sols, Materials and Design, 85, 796– 799, 2015.
[14] Atalay Ö., Magnezyum borat sentezi ve alev geciktirici pigment olarak kullanılabilirliği, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2012.
[15] Garba, B., Effect of zinc borate as flame retardant formulation on some tropical wood, Polymer Degrada- tion and Stability,
64(3), 517 – 522, 1999.
[16] Giúdice C. A., Benítez J. C., Zinc borates as flameretardant pigments in chlorine-containing coatings, Progress in Organic
Coatings, 42 (1-2), 82-88, 2001.
[17] Ayar B., Gürü, M. Çakanyıldırım, Ç., Solid phase synthesis of anhydrous zinc borate from zinc and boron oxide and utilization
as a flame retardant in dye and textile, Gazi University Journal of Science, 27(3), 987-991, 2014.

[18] Aydın D., Çinko floroborat sentezi ve alev geciktirici olarak kullanılabilirliği, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, Ankara, 2015.
[19] Ceyhan A. A., Amonyum floroborat üretimi ve üretim parametrelerinin belirlenmesi, Ulusal bor araştırma enstitüsü, Proje no:168.