New thermosetting resins from cashew nutshell liquid (CNSL) with fire retardant properties

Abstract

Polimerik malzemeler çoğunlukla fosil yakıt bazlı kaynaklardan üretilmektedir. Ancak, birçok araştırmaya göre fosil yakıt kaynakları yakın gelecekte kullanılmak için yeterli değildir. Bu noktada, yeni polimer üretimi için yenilenebilir, bol miktarda karbon-nötr kaynak olarak biyokütle kaynaklarının kullanımı ekonomik ve çevresel faydalar sağlamaktadır. Bu çalışmada, yanma geciktirici özellikli termoset polimerler hazırlamak üzere kullanılan malzeme ısıl işlem görmüş kaju fıstığı kabuğu sıvısı (KKS)'nın temel bileşeni olan kardanol bazlıdır. Kardanol 15 karbon uzunluğunda, sıfır ila üç çift bağ içeren bir yan zincire sahip fenol türevidir. Bu çalışmada, piyasada ticari olarak bulunan kardanol bazlı bir epoksi KKS reçinesi, NC514, tamamen ya da kısmi olarak metakrilik asit ile metakrile edilmiştir. Metakrilasyon reaksiyonu ardından kalan epoksi grupları fosforik asit ile reaksiyon sonucu fosfat gruplarına dönüştürülmüştür. Bu aşamada, NC514 reçinesinin epoksilerinin metakrilasyon ve fosforilasyon dereceleri, değiştirilmiştir. Elde edilmiş olan metakrile edilmiş (NC514VE) ve fosfatlanmış (NC514VE-PA) reçineler farklı oranlarda stiren ile karıştırılıp termal küre tabii tutulmuştur. Sentezlenmiş tüm monomerlerin yapısı spektroskopik tekniklerle karakterize edilmiştir. Sıvı reçine karışımlarının viskoziteleri belirlenmiş, kür davranışları Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ile analiz edilmiş, kür edilmiş reçinelerin termomekanik özellikleri Dinamik Mekanik Analiz (DMA) metodu ile değerlendirilmiş ve bozunuma profilleri Termal Gravimetrik Analiz (TGA) ile karakterize edilmiştir. DMA taramaları sonucu kür edilmiş reçineler için Tan delta maksimum değerinden elde edilen Tg değerleri 60℃ ile 80℃ arasında bulunmuştur. TGA deneyleri 700˚C üstündeki kül kalıntısı miktarının NC514VE yapısına fosfat gruplarının eklenmesi ile beklendiği üzere arttığını göstermiştir. Her bir örneğin benzer koşullar altında mum alevine maruz bırakılarak, tutuşma sürelerinin kaydedildiği deneylerde, yapıya dahil edilen fosfat gruplarının yanma geciktirici özelliğini kanıtlayacak şekilde test edilen reçinelerin fosfat miktarı arttıkça, tutuşma süreleri de doğru orantılı olarak artmıştır.

Acquisition of an immense bulk of polymeric materials is currently from fossil fuels. As prevised in numerous studies, fossil resources seem not to be sufficient for use, in the near future. At this point, use of biomass that represents an abundant carbon-neutral renewable resource for the production of new polymers, offers both economic and environmental benefits. The starting material that is used in this study to prepare new thermosetting polymers with fire retardant properties, is based on Cardanol which is the major component of thermally treated Cashew nutshell liquid (CNSL) and is a phenol derivative with a principal meta substituent of a C15 hydrocarbon chain with zero to three double bonds. In this study, an epoxy CNSL resin, NC 514, derived from cardanol, was fully or partially methacrylated with methacrylic acid. Following the methacrylation reactions, the remaining epoxy content was phosphorylated by means of a reaction with phosphoric acid. At this stage the methacrylation and phosphorylation degrees of the epoxies of the NC514 resin were varied. The methacrylated (NC514VE) and phosphorylated resins (NC514VE-PA) were then mixed with styrene diluent in changing amounts and thermally cured. The structures of all the synthesized monomers were characterized via spectroscopic methods. The viscosities of the styrenated resins were determined, cure behavior of the resins was analyzed via DSC, thermomechanical properties were evaluated via DMA, and degradation profiles were characterized via TGA. DMA scans showed that the Tg values of the cured resins were within the range of 60˚C to 80˚C. TGA experiments showed that the char residue at temperatures above 700˚C increased with the introduction of phosphate groups to the NC514VE structure as expected. The deflagration times recorded for experiments in which each sample was exposed to a candle flame under similar conditions increased with increasing phosphate content of the resins demonstrating the fire retardancy effect of the phosphate groups introduced to the structure.