Preparartion and characterization of cardanol based vinyl ester resins

Abstract

Polimerik malzemeler çoğunlukla petrol bazlı kaynaklardan üretilmektedir. Petrol kaynaklarının günden güne hızla tükenmesi sebebi ile, yenilenebilir doğal kaynaklardan polimer malzeme üretimi hem eknomik hem de çevresel avantajlar sunmaktadır. Termoset materyaller sıcaklık, basınç ve sıcaklık, veya ışıma kullanılarak kür edilebilen, çok sayıda çapraz bağlara sahip malzemelerdir. Termoset malzemelerin en önemli kategorilerinden biri olan Vinil Ester (VE) reçineleri yine petrol bazlı olup yüzey kaplama, yapıştırıcı ve kompozit materyaller gibi kullanım alanlarına sahiptir. Vinil Esterlerin yüksek viskoziteye sahip olması sebebiyle, viskoziteyi sıvı reçine kalıplama uygulamaları için uygun değere düşürmek amacıyla, vinil ester polimerleri stiren gibi reaktif seyrelticiler icinde çözülürler. Stiren bitişik vinil ester molekülleri ile bağ kurarak çapraz bağlanma reaksiyonuna katılır. Termoset materyaller hazırlamak icin kullanılabilen doğal kaynaklar arasında kaju fıstığı kabuğu sıvısı (CNSL) yapısında bulunan fenol türevleri sayesinde birçok kimyasal modifikasyona uygun olması nedeni ile özel bir yere sahiptir. Isıl işlem görmüş CNSL'nin ana bileşeni bir fenol türevi olan ve 15 karbon uzunluğunda, bir ila üç cift bağ içeren bir yan zincire sahip kardanol'dur. Bu çalışmada, piyasada ticari olarak bulunan iki CNSL reçinesi, NC514 (molekül başına iki epoksi) ve LITE 2035 HP (molekül başına bir epoksi), metakrile edilerek NC514 metakrilat reçine (NC514VE) ve LITE metakrilat reçine (LITEVE) üretilmiştir. Üretilen NC514VE termoset reçine olarak, tek fonksiyonlu LITE metakrilat (LITEVE) ise reaktif seyreltici olarak hem NC514VE hem de yaygın kullanım alanına sahip DGEBA vinil ester reçinerlerinde (DGEBAVE) değişen konsantrasyonlarda (10, 20, 30, 40, ve 50 ağırlık% ) kullanılmıştır. Stirenin reaktif seyreltici olarak kullanıldğı, NC514VE formülasyonları da hazırlanmıştır. Metakrile edilmiş reçineler, asit titrasyonu ve GPC, FT-IR ve 1H-NMR gibi spektroskopik tekniklerle karakterize edilmiştir. Sıvı reçine karışımlarının akışkanlık özellikleri belirlenip, kür sıcaklıkları Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ile analiz edilmiştir. Reçineler kür olduktan sonra, termo-mekanik özellikleri Dinamik Mekanik Analiz (DMA) metodu ile, mekanik özellikleri çekme testleri aracılığıyla, ısıl kararlılıkları ise Termal Gravimetrik Analiz (TGA) yöntemi ile belirlenmiştir. Son olarak, seyreltici oranlarının ve değisik monomer yapılarının hem sıvı reçine, hem de kür edilmiş reçinelerin özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir.

Polymeric materials are mainly derived from petroleum feed-stocks. With the petroleum production facing exhaustion day by day, the use of renewable plant based feed-stocks for making polymers offer both economic and environmental advantages. Thermosetting materials are highly cross-linked polymers that are cured or set using heat, or heat and pressure, and/or light irradiation. Vinyl ester resins (VEs) represent one important class of thermosetting polymers which are also petroleum based and used in a variety of industrial applications such as surface coatings, adhesives and composites. Due to the high viscosity of VE's, the VE polymer is dissolved in a reactive diluent such as styrene, to achieve the desired low viscosity of a liquid molding resin. Styrene participates in the cross-linking reactions by creating a link between adjacent vinyl ester molecules. Among the renewable resources that can be used to prepare thermosetting polymers, the Cashew nut shell liquid (CNSL) is an important one due to its composition of phenolic compounds that offer many routes for chemical modification. The main component of thermally treated CNSL is cardanol which is a phenol derivative mainly having a meta substituent of a C15 unsaturated hydrocarbon chain with one to three double bonds. In this study, two commercially available CNSL resins, NC 514 with approximately two epoxies per molecule and LITE 2035 HP with approximately one epoxy per molecule were methacrylated and the methacrylated NC-514 resin (NC514VE) was used as the thermosetting resin and the mono-functional methacrylated LITE monomer (LITEVE) was used as the reactive diluent in both conventional DGEBA vinyl ester resin (DGEBAVE) and in NC514VE resin at changing concentrations (10, 20, 30, 40 and 50wt%). Resin formulations of NC514VE using styrene as the reactive diluent were also prepared. The methacrylated products were characterized via acid number titration and spectroscopic techniques like GPC, FT-IR and 1H-NMR spectroscopy. The rheological properties of the liquid resin mixtures were evaluated and the cure temperatures were analyzed via Differential Scanning Calorimetry (DSC). After the cure of these resins, the thermo-mechanical properties of the resins were determined via Dynamic Mechanical Analysis (DMA), mechanical properties were determined via tensile tests and the thermal stabilities of the resins were examined by thermal gravimetric analysis (TGA) method. Finally, the effect of the diluent content as well as the effect of the structures of the different monomers in these systems on both liquid resin properties and cured resin properties were evaluated.