Ağaç bazlı panel endüstrisi için düşük formaldehit emisyonuna sahip melamin üre formaldehit reçinesinin geliştirilmesi

Abstract

Formaldehit bazlı termoset reçineler, özellikle melamin üre formaldehit (MUF) reçineleri, üstün bağlanma performansları ve ahşap malzemelerle sağladıkları yüksek uyum sebebiyle ağaç bazlı panel endüstrisinde yaygın olarak bağlayıcı sistemler şeklinde kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu reçinelerin kürlenmiş ürünlerden gerçekleşen serbest formaldehit salımı, insan ve çevre sağlığı açısından ciddi riskler doğurmaktadır. Formaldehit, uçucu organik bileşikler (VOC) sınıfında yer almakta olup uzun süreli maruziyeti solunum yolu hastalıkları, alerjik reaksiyonlar ve kanserojen etkilerle ilişkilendirilmektedir. Bu nedenle, birçok ülkede ahşap esaslı ürünlerde formaldehit emisyonunu sınırlayan yasal düzenlemeler yürürlüğe girmiş ve düşük emisyonlu ya da çevre dostu bağlayıcı sistemlerin geliştirilmesi zorunlu hâle getirilmiştir. Geleneksel reçine formülasyonlarında yapılan değişiklikler formaldehit emisyonunu belirli ölçüde azaltabilse de, bu yaklaşımlar çoğu zaman yeterli düzeyde iyileşme sağlamamaktadır. Bu bağlamda, reçine yapısının moleküler düzeyde modifiye edilmesine dayanan yeni stratejilere ihtiyaç duyulmaktadır. Organofonksiyonel silan bileşikleri, hem siloksan grupları aracılığıyla ahşap yüzeylerle etkileşime girebilmeleri hem de organik fonksiyonel grupları sayesinde reçine matrisiyle kimyasal bağlar oluşturabilmeleri nedeniyle formaldehit bazlı reçinelerin modifikasyonunda dikkat çekici bir alternatif sunmaktadır. Özellikle amino fonksiyonel silanlar, serbest formaldehit molekülleri ile reaksiyona girebilme ve reçine içinde ilave çapraz bağlar oluşturabilme potansiyelleri nedeniyle formaldehit emisyonunun azaltılmasında etkili bileşikler olarak öne çıkmaktadır. Bu doktora tez çalışmasında, MUF reçinelerinin formaldehit emisyonunu azaltmak amacıyla amino fonksiyonel organosilan bileşikleri kullanılarak kimyasal modifikasyon gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında N-(2-aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane (AEAPMDMS), 3-(2-Aminoethylamino)propyltrimethoxysilane (AEAPTMS), 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) ve bis(trimethoxysilylpropyl)amine (BTMSPA) olmak üzere dört farklı silan bileşiği seçilmiştir. Bu silanlar, sahip oldukları amino fonksiyonel grup sayısı ve bu grupların silikon atomuna olan mesafelerinin farklı olması nedeniyle tercih edilmiş; söz konusu yapısal farklılıkların reçinenin reaktivitesi, çapraz bağlanma yoğunluğu ve formaldehit bağlama kapasitesi üzerindeki etkileri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. MUF reçineleri geleneksel alkali–asidik–alkali sentez prosedürüne göre hazırlanmış olup, yaklaşık %5 melamin içeren ve %60 civarında katı madde oranına sahip referans reçine esas alınmıştır. Silan modifikasyonu hem ex situ hem de in situ yöntemlerle gerçekleştirilmiştir. Ex situ yöntemde silan bileşikleri önceden sentezlenmiş MUF reçinesine ilave edilirken, in situ yöntemde silan bileşikleri reçine sentezi sırasında kontrollü şekilde sisteme dahil edilmiştir. Ex situ yaklaşım endüstriyel açıdan daha pratik olmakla birlikte, silan reçine etkileşiminin sınırlı kalabildiği; in situ yöntemin ise silan bileşiklerinin reçine yapısına daha etkin biçimde entegre olmasını sağladığı belirlenmiştir. Her iki yöntemle %1, %3 ve %5 oranlarında silan katkılı MUF reçineler hazırlanarak sistematik bir karşılaştırma yapılmıştır. Hazırlanan reçinelerin katı madde içerikleri, yoğunlukları, viskoziteleri ve kürlenme süreleri belirlenerek temel kalite ve işlenebilirlik özellikleri değerlendirilmiştir. Kimyasal yapı ve modifikasyonun doğrulanması amacıyla FTIR, 13C-NMR ve 1HNMR analizleri gerçekleştirilmiş; EDX analizi ile reçine matrisi içerisindeki silikon varlığı ve dağılımı incelenmiştir. Termal davranış ve stabilite özellikleri TGA ve DSC analizleri ile ortaya konmuş; reolojik özellikler ise reometre kullanılarak belirlenmiştir. Ayrıca, kürlenmiş reçinelerin mekanik performansları bağlanma dayanımı ve elastik özellikler açısından değerlendirilmiştir. Geliştirilen silan ile modifiye MUF reçinelerinin pratik uygulama performansını incelemek amacıyla laboratuvar ölçekli yonga levhalar üretilmiş ve EN 312 standardına göre P1 sınıfı kapsamında değerlendirilmiştir. Levhaların formaldehit emisyonu EN 12460-5 standardına göre perforatör yöntemiyle ölçülmüş; iç bağ dayanımı, kalınlık şişmesi, su emme, elastisite modülü ve eğilme direnci gibi fiziksel ve mekanik özellikleri ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, silan tipi, fonksiyonel grup sayısı ve uygulama yönteminin formaldehit emisyonu üzerinde belirleyici rol oynadığını göstermiştir. İncelenen silanlar arasında AEAPTMS, sahip olduğu çift amino fonksiyonel grup yapısı sayesinde formaldehit molekülleri ile daha güçlü ve kalıcı bağlar oluşturarak en yüksek emisyon azaltma performansını sergilemiştir. Özellikle in situ yöntemle %5 AEAPTMS ilavesi, referans MUF reçinesine kıyasla formaldehit emisyonunda %67,95'e varan bir azalma sağlamıştır. Ex situ modifikasyon ise daha sınırlı olmakla birlikte kayda değer bir iyileşme sunmuştur. Sonuç olarak, amino fonksiyonel uçlu silanlar ile MUF reçinelerinin modifikasyonu, formaldehit emisyonunun etkin biçimde azaltılmasını sağlayan, çevre dostu ve endüstriyel açıdan uygulanabilir bir yaklaşım olarak ortaya konmuştur. Bu çalışma, silan tipi-performans ilişkisini bütüncül bir şekilde ele alarak, özellikle AEAPTMS'nin sürdürülebilir ve düşük emisyonlu ahşap esaslı panel üretimi için yüksek potansiyele sahip bir katkı maddesi olduğunu göstermektedir.