Geri Dön

The effect of preparation methods on the morphological and rheological properties of PHBH/CNC nanocomposites

Hazırlama yöntemlerinin PHBH/CNC nanokompozitlerinin morfolojik ve reolojik özellikleri üzerindeki etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 1002804
  2. Yazar: ONUR KÜÇÜKSUBAŞI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Geleneksel plastiklerin giderek artan kullanımı, günümüzde önemli bir çevresel sorun haline gelmiştir. Bu malzemelerin büyük bir kısmı petrol kaynaklıdır ve kullanım sonrası doğada uzun süre bozunmadan kalmaktadır. Bu durum, plastik atıkların düzenli depolama alanlarında, toprakta ve özellikle okyanuslarda birikmesine neden olmakta; uzun vadeli çevresel kirliliğe ve ekolojik zarara yol açmaktadır. Ayrıca fosil kaynaklara bağımlılık, karbon emisyonlarını artırmakta ve sürdürülebilir üretim yaklaşımlarını sınırlamaktadır. Bu nedenle hem çevre dostu hem de yenilenebilir kaynaklardan elde edilen alternatif malzemelerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Biyobozunur polimerler, bu çevresel problemlere karşı etkili çözümler sunmaktadır. Özellikle polihidroksialkanoatlar (PHA'lar), mikroorganizmalar tarafından doğal yollarla sentezlenebilmeleri ve uygun çevresel koşullar altında tamamen bozunabilmeleri nedeniyle büyük ilgi görmektedir. PHA ailesinin önemli bir üyesi olan poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), biyobozunur ve hidrofobik yapısı sayesinde çeşitli endüstriyel uygulamalarda değerlendirilmiştir. Ancak PHB'nin yüksek kırılganlık göstermesi, dar işleme penceresi ve sınırlı mekanik dayanımı, kullanım alanlarını önemli ölçüde kısıtlamaktadır. Bu sınırlamaların aşılması amacıyla, poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBH) kopolimeri geliştirilmiştir. Zincire 3-hidroksihekzanoat (3HH) birimlerinin dahil edilmesi, polimer zincir hareketliliğini artırmakta; böylece esneklik ve tokluk iyileşmekte, kırılganlık azalmaktadır. Ayrıca işlenebilirlik ve darbe dayanımı da belirgin şekilde geliştirilmektedir. Bu özellikleri sayesinde PHBH; ambalaj malzemeleri, tarımsal filmler, tek kullanımlık ürünler ve biyomedikal uygulamalar gibi birçok alanda potansiyel bir alternatif olarak değerlendirilmektedir. Buna rağmen PHBH'nin performans açısından bazı sınırlamaları devam etmektedir. Özellikle mekanik dayanım değerleri geleneksel petrol bazlı polimerlere kıyasla daha düşüktür. Ayrıca kristallenme kinetiği nispeten yavaştır ve bu durum üretim sürecinde verimlilik açısından dezavantaj oluşturabilir. Bu nedenle, biyobozunur yapıyı koruyarak malzemenin mekanik, reolojik ve termal performansını artırmak önemli bir araştırma hedefidir. Polimer özelliklerini geliştirmek için en etkili yöntemlerden biri nanokompozit yaklaşımıdır. Bu yaklaşımda polimer matrise düşük oranlarda nano boyutlu katkı maddeleri eklenir. Nano ölçekli takviyeler, yüksek yüzey alanları sayesinde polimer zincirleriyle güçlü etkileşimler kurarak malzemenin rijitliğini, mukavemetini ve termal kararlılığını artırabilir. Ayrıca reolojik davranış üzerinde de belirgin etkiler göstererek işleme özelliklerini iyileştirebilirler. Bu bağlamda selüloz nanokristalleri (CNC), yenilenebilir kaynaklardan elde edilmeleri, biyobozunur olmaları ve yüksek mekanik dayanımları nedeniyle özellikle dikkat çekmektedir. CNC'ler yüksek özgül yüzey alanına sahip olup, polimer zincirleri ile hidrojen bağları üzerinden güçlü etkileşimler oluşturabilirler. CNC'lerin polimer matriste homojen şekilde dağılması durumunda, mekanik dayanımda artış, elastik modülde yükselme ve kristallenme davranışında iyileşme gözlenebilir. Bununla birlikte CNC'ler yüzeylerindeki yoğun hidrojen bağları nedeniyle güçlü aglomerasyon eğilimi göstermektedir. Bu durum özellikle hidrofobik karaktere sahip PHBH gibi polimerlerde dispersiyon problemlerine yol açmaktadır. Dolayısıyla üretim yöntemi ve kullanılan çözücünün seçimi, nanokompozitlerin mikro yapısını ve nihai özelliklerini belirleyen kritik parametrelerdir. Bu çalışmada PHBH/CNC nanokompozitleri çözelti döküm yöntemi ile hazırlanmıştır. Çözelti bazlı yöntem, özellikle hidrofilik takviyelerin dağılımını kontrol etme açısından eriyik karıştırma tekniklerine kıyasla daha avantajlıdır. Çalışmada farklı polarite ve çözme kabiliyetlerine sahip tetrahidrofuran (THF), kloroform (CHL), dimetilformamid (DMF) ve dimetil sülfoksit (DMSO) çözücüleri kullanılmıştır. Bu çözücülerin fizikokimyasal özellikleri, CNC dispersiyonu ve polimer–takviye malzeme etkileşimleri üzerinde belirleyici rol oynamaktadır. İlk aşamada çözücü türünün CNC dağılımı ve reolojik davranış üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla her çözücü ile %3 (ağırlıkça) CNC içeren nanokompozitler hazırlanmıştır. Reolojik analizler, partikül ağ yapısına ve parikül–matris etkileşimlerine son derece duyarlıdır. CNC'lerin iyi dağıldığı sistemlerde düşük frekanslarda elastik davranış artışı ve viskoz akışa karşı direnç gözlenmiştir. Sonuçlar, çözücü türünün kompozit yapısı üzerinde güçlü bir etkisi olduğunu ortaya koymuştur. THF ve CHL ile hazırlanan numunelerde sınırlı iyileşme gözlenirken, DMF ile daha belirgin gelişmeler elde edilmiştir. En yüksek performans ise DMSO kullanılan sistemlerde tespit edilmiştir. Bu sistemlerde düşük frekans bölgesinde belirgin elastik davranış artışı, PHBH matrisi içinde sürekli ve bağlantılı bir CNC ağ yapısının oluştuğunu göstermektedir. DMSO'nun üstün performansı, yüksek dielektrik katsayısı ve güçlü polar karakterine bağlanabilir. Bu özellikler, CNC yüzeylerindeki hidrojen bağlarını zayıflatarak parçacıklar arası etkileşimi azaltmakta ve aglomerasyonu engellemektedir. Böylece daha homojen bir dispersiyon sağlanmakta ve polimer matrisi içinde perkolasyon ağı oluşumu desteklenmektedir. En uygun çözücü olarak DMSO belirlendikten sonra farklı CNC içeriklerine (%0,1, %1, %3 ve %5) sahip nanokompozitler hazırlanmıştır. Reolojik sonuçlar, CNC miktarı arttıkça malzemenin daha katı benzeri bir davranış sergilediğini ve düşük CNC oranlarında bile perkolasyon ağının oluştuğunu göstermiştir. Isıl analizler, CNC ilavesinin PHBH'nin kristallenme sıcaklığını artırdığını ve kristallenme hızını iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Bu durum, CNC'lerin etkin çekirdekleyici ajan olarak görev yaptığını doğrulamaktadır. Kristallenmenin hızlanması, üretim süreçlerinde çevrim süresini kısaltarak endüstriyel açıdan önemli avantajlar sağlamaktadır. Ayrıca daha düzenli kristal yapı oluşumu, malzemenin mekanik performansını da olumlu yönde etkileyebilir. Sonuç olarak bu çalışma, düşük miktarda selüloz nanokristali ilavesinin PHBH'nin reolojik ve termal özelliklerini belirgin şekilde geliştirebildiğini göstermektedir. Bu iyileşmenin başarısında çözücü seçimi kritik rol oynamaktadır ve DMSO, CNC dispersiyonu ve ağ oluşumu açısından en etkili ortam olarak öne çıkmıştır. Elde edilen bulgular, PHBH/CNC nanokompozitlerinin sürdürülebilir, çevre dostu ve yüksek performanslı malzeme sistemleri olarak güçlü bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Çözücü türü ve takviye oranının optimize edilmesiyle, PHBH'nin özellikleri daha geniş uygulama alanlarına uyarlanabilirken biyobozunur yapısı korunabilir. Bu yaklaşım, geleneksel petrol bazlı polimerlere olan bağımlılığın azaltılmasına ve daha sürdürülebilir malzeme teknolojilerinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

The growing use of conventional plastics has become a serious environmental problem. Most of these materials are produced from petroleum and remain in the environment for many years after use. As a result, plastic waste accumulates in landfills, soil, and oceans, causing long-term pollution and ecological damage. At the same time, the dependence on fossil resources increases carbon emissions and limits sustainability. For these reasons, there is a strong need to develop alternative materials that are both environmentally friendly and derived from renewable sources. Biodegradable polymers offer an important solution to this problem. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) have attracted great interest because they are produced by microorganisms and can fully degrade under natural conditions. Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) is a key member of the PHA family and has attracted strong industrial interest because it is biodegradable and hydrophobic. To overcome some of its limitations, a copolymer known as poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBH) was developed. The presence of 3-hydroxyhexanoate (3HH) units in the polymer chain increases flexibility and toughness compared with PHB. These units also reduce brittleness and improve processability, which makes PHBH more suitable for applications such as packaging, agricultural films, and medical products. Despite these advantages, PHBH still has some limitations. Its mechanical strength is lower than that of many conventional plastics, and it shows slow crystallization and weak melt stability. These properties make processing difficult and limit its use in more demanding applications. Therefore, improving the performance of PHBH while keeping its biodegradable nature is an important research goal. One effective way to enhance polymer properties is the preparation of nanocomposites. In this approach, small amounts of nanoparticles are added to the polymer matrix. Even at low concentrations, these fillers can significantly improve stiffness, strength and thermal stability. Among the available nanofillers, cellulose nanocrystals (CNCs) are especially attractive. CNCs are obtained from natural cellulose, which is abundant, renewable, and biodegradable. They are lightweight, stiff, and have a large surface area, which allows strong interactions with polymer chains. When CNCs are well dispersed in a polymer, they can greatly improve its mechanical and thermal properties. They can also influence the crystallization behavior of the polymer by acting as nucleation agents. However, CNCs tend to form agglomeration because of strong hydrogen bonding between their surfaces. This makes it difficult to achieve a uniform dispersion, especially in hydrophobic polymers such as PHBH. Therefore, the processing method and the choice of solvent play a crucial role in determining the final properties of the nanocomposites. In this study, PHBH/CNC nanocomposites were prepared using the solution casting method. This technique allows better control over CNC dispersion compared to melt processing, particularly for hydrophilic fillers. Four different solvents were used: tetrahydrofuran (THF), chloroform (CHL), dimethylformamide (DMF), and dimethyl sulfoxide (DMSO). These solvents have different polarities and solvating abilities, which can strongly affect how PHBH and CNCs interact with each other. First, the influence of solvent type on CNC dispersion and melt behavior was examined. For this purpose, nanocomposites containing 3 wt.% CNC were prepared using each solvent. Rheological measurements were then carried out to study the internal structure of the materials. Rheological behavior is very sensitive to filler dispersion. When CNCs are poorly dispersed, the material behaves similarly to neat PHBH. When CNCs are well distributed and interact with each other, the melt becomes more elastic and more resistant to flow. The results showed that the solvent had a strong effect on composite structure. Samples prepared with THF and CHL showed only small changes in rheological behavior, indicating limited CNC dispersion. DMF performed better, leading to higher viscosity and elasticity. The best results were obtained with DMSO. In this case, the nanocomposites showed a strong increase in elastic behavior at low frequencies, which suggests the formation of a well-connected CNC network inside the PHBH matrix. The superior performance of DMSO can be explained by its strong ability to interact with both PHBH and CNCs. DMSO can effectively weaken the hydrogen bonds between CNC particles, reducing their tendency to agglomeration. After identifying DMSO as the most suitable solvent, nanocomposites with different CNC contents (0.1, 1, 3, and 5 wt.%) were prepared. Rheological analysis showed that increasing the CNC content gradually changed the melt behavior from liquid-like to more solid-like. At a very low CNC concentration, a continuous filler network was formed, known as the percolation threshold. This value was found to be extremely low, showing that CNCs are very effective when they are well dispersed. Thermal analysis also revealed that CNCs improved the crystallization behavior of PHBH. The crystallization temperature increased and the crystallization process became faster, which is beneficial for industrial processing. These effects are related to the nucleating ability of CNCs, which help polymer chains organize more easily into crystalline regions. Overall, this study shows that the properties of PHBH can be greatly enhanced by adding small amounts of cellulose nanocrystals. The effectiveness of this improvement strongly depends on the solvent used during processing. Among the solvents examined, DMSO led to the best CNC dispersion and the most noticeable gains in rheological and thermal performance. These results demonstrate that PHBH/CNC nanocomposites have strong potential as sustainable, high-performance materials. By carefully adjusting the solvent and CNC content, the properties of PHBH can be tailored for more demanding uses while still preserving its biodegradable and environmentally friendly nature. This strategy supports the development of advanced bioplastics that can reduce dependence on conventional petroleum-based polymers and promote more sustainable material.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    405078

    Farklı kil minerallerinin nanokompozitlere etkisi ve vermiküler/polimer nanokompozitlerinin özellikleri

    The effect of the different types of clay minerals on nanocomposites and the properties of vermiculite/polymer nanocomposites

    YAVUZ İŞÇİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEVİM İŞÇİ TURUTOĞLU

  2. Tez No

    496359

    Polimer emdirme yöntemi ile titanyum esaslı açık hücreli köpük üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of open cell titanium based foams by polymer replication method

    GÖKÇE ÇALIŞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ

  3. Tez No

    558224

    Yara örtüsü olarak hazırlanan pektin esaslı ilaç dağıtım sistemlerine metal organik kafes yapıların (MOF) katkısı

    Contribution of metal organic frameworks (MOFS) on pectin-based drug delivery systems prepared as wound dressing

    GAMZE BAĞIMSIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER

  4. Tez No

    714646

    Effect of polylactide molecular weight on cellulose nanocrystal dispersion quality

    Polilaktitin molekül ağırlığının selüloz nanokristal dağılım kalitesine etkisi

    ANIL DÜNDAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR

  5. Tez No

    834722

    Şekil hafızalı ve iletken termoplastik esaslı elektroaktif nanokompozitlerin hazırlanması

    Preparation of shape memory and conductive thermoplastic based electroactive nanocomposites

    MERVE DOĞU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DURMUŞ

Geri Dön