Biyopolimer filmlerin geliştirilmesi: nişasta ve kitosan matrislerine g-C3N4 ve Mg-Al LDH katkılanmasının incelenmesi
Enhancing biopolymer films: A study of g-C3N4 and Mg-Al LDHincorporation into starch and chitosan matrices
- Tez No: 1020938
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HASAN ESKALEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Biyobozunur polimerler, Nanokompozitler, Biodegradable polymers, Nanocomposites
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüzde petrol temelli sentetik plastik ambalajlar, doğada uzun yıllar bozulmaması sebebiyle ciddi ekolojik kirliliği ve doğal ha üzerinde olumsuz tahribatlara yol açmaktadır. Ancak, bu plastiklerin canlı organizmalar üzerinde birikerek insan sağlığı üzerinde özellikle bağışıklık sistemi, kanser ve solunum yolu bozuklukları gibi hastalıklara neden olması, gıda ambalajlama sektöründe doğa dostu seçeneklerin zenginleştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Doğada bol miktarda bulunan, ekonomik ve biyobozunur özellikte olan nişasta ve kitosan gibi biyopolimerler bu çerçevede öne çıksa da, hidrofilik yapıları sebebiyle su buharına karşı yüksek duyarlılık ve düşük mekanik performans sergilemeleri sanayi kullanımlarını kısıtlamaktadır. Bu tez çalışmasında, doğal kaynaklı mısır nişastası ve kitosan temelli polimer matrislerinin bariyer, fizikokimyasal ve mekanik eksikliklerini gidermek amacıyl, yapıya iki boyutlu (2B) nanomalzemeler olan magnezyum-alüminyum katmanlı çift hidroksit (Mg-Al LDH), Grafitik Karbon Nitrür (g-C₃N₄) ve Mg-Al LDH/g-C₃N₄ hibrit nanoparçacıklarını birleştirerek işlevsel performansını yüksek, verimli ve sürdürülebilir nanokompozit ambalaj filmleri geliştirilmiştir. Araştırma kapsamında g-C₃N₄ ve Mg-Al LDH ile eşit miktarlarda birleştirilerek hidrotermal reaksiyon tekniğiyle Mg-Al LDH/g-C₃N₄ hibrit nanokompoziti elde edilmiştir. İkinci basamakta ise mısır nişastası ve kitosan temelli çözeltiler hazırlamıştır, bu matrislere kütlece farklı oranlarda (%0, %0.25, %0.5, %0.75 ve %1) üretilen hibrit yapılar katkılanmış ve çözelti döküm yöntemiyle nanokompozit filmler üretilmiştir. Üretilen nanomalzemeler ve filmler; XRD, TEM, SEM, XPS, FTIR, BET, Raman, TGA, mekanik çekme testleri UV-Vis spektrometresi ve renk analizleri ile karakterize edilmiştir. Karakterizasyon verileri, sentezlenen saf g-C₃N₄ yapısının katmanlı bir yapıya ve BET analizleri sonucunda 2,490 m²/g yüzey alanına sahip olduğu tespit edilmiştir. g-C₃N₄ yapısının Mg-Al LDH ile hibritleştirilmesiyle (2B/2B), BET yüzey alanı 14,404 m²/g olarak ölçülmüştür. Raman spektroskopisi analizlerinde, saf g-C₃N₄'ün en yüksek pik yoğunluğu 184,05 cm⁻¹'de (~109.160 a.u.), saf LDH'ninki ise 159,17 cm⁻¹'de (~2339 a.u.) gözlenirken; hibrit kompozit yapıda 159,17 cm⁻¹'deki pik şiddetinin 26384,12 a.u. değerine yükseldiği görülmüştür. TGA verilerinde, g-C₃N₄ havada 600 °C'ye kadar termal kararlılığını korumuş ve 750 °C'de tamamen ayrışmıştır. Mekanik çekme testlerinde, katkısız mısır nişastası (CSsaf) filminin çekme mukavemeti 23,7 MPa olarak ölçülmüştür. Tekli nanoparçacık takviyesi ile zayıf gerilme transferi nedeniyle 20,4 MPa seviyesine gerileyen bu değer, ikili (hibrit) katkı sisteminin (CSGL serisi) verimli konsantrasyonlarda matrise dahil edilmesiyle 20,8 MPa değeri ile yeniden iyileşme sürecine girmiştir. (TGA), CSGL75 (%0,75 hibrit katkı) numunesinin polimer matrisindeki termal bozunmayı en etkili yavaşlatan ideal yoğunlaşma tespit edilmiştir. Optik analizlerinde, yüksek parlaklığa sahip saf nişasta filminin (L = 83,31; Beyazlık = 83,11) 600 nm dalga boyundaki ışık geçirgenliği %80 iken, tekli LDH katkısıyla %76'ya, g-C₃N₄ katkısıyla ise %44'e düşerek ambalaj için kritik olan güçlü bir UV/ışık bariyer potansiyeli sunmuştur. Kitosan bazlı filmlerde ise katkısız numunenin çekme dayanımı 7,6 MPa iken; tekli g-C3N4 katkısı ile 8,5 MPa'a, LDH katkısı ile 13,5 MPa'a yükselmiş, hibrit sistemde ise pekiştirme etkisiyle güçlü mekanik performans elde edilmiştir. Morfolojik olarak, saf kitosan film kalınlığı (0,15667 mm) %0,75 hibrit katkıda (KFGL75) doygunluğa ulaşarak 0,18417 mm olmuş; %1 katkı içeren KFGL100 filminde ise yüksek nanopartikül yoğunluğunun matrisi etkisiyle %4,1 oranında azalarak 0,17417 mm'ye gerilemiştir. Elde edilen veriler, geliştirilen Mg-Al LDH/g-C₃N₄ takviyeli polimer filmlerin, gıda ambalajı uygulamalarında yapay polimerlere alternatif, çevre dostu bir seçenek olma potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Currently, petroleum-based synthetic plastic packaging causes severe ecological pollution and detrimental degradation of wildlife due to its long-term persistence in nature. Furthermore, the bioaccumulation of these plastics in living organisms—which induces adverse human health outcomes, particularly immune system dysfunctions, carcinogenesis, and respiratory disorders—necessitates the diversification of eco-friendly alternatives within the food packaging sector. Although biopolymers such as starch and chitosan, which are naturally abundant, cost-effective, and biodegradable, emerge as prominent candidates within this framework, their hydrophilic nature compromises their performance; specifically, their high sensitivity to water vapor and poor mechanical strength severely restrict their industrial applications. Although biopolymers such as starch and chitosan, which are abundant in nature, economical, and biodegradable, stand out within this framework, their high sensitivity to water vapor due to their hydrophilic nature and their low mechanical performance limit their industrial applications. In this thesis study, to overcome the barrier, physicochemical, and mechanical deficiencies of naturally derived corn starch and chitosan-based polymer matrices, functional, high-performance, efficient, and sustainable nanocomposite packaging films were developed by incorporating two-dimensional (2D) nanomaterials -namely Magnesium-Aluminum Layered Double Hydroxide (Mg-Al LDH), Graphitic Carbon Nitride (g-C3N4), and Mg-Al LDH/g-C3N4 hybrid nanoparticles—into the structure. As part of the study, Mg-Al LDH and g-C₃N₄ were combined in equal amounts, and a Mg-Al LDH/g-C₃N₄ hybrid nanocomposite was synthesized using a hydrothermal reaction technique. Subsequently, they were combined in equal amounts with Mg-Al LDH to obtain the Mg-Al LDH/g-C3N4 hybrid nanocomposite through the hydrothermal reaction technique. In the second step, corn starch and chitosan-based solutions were prepared; the synthesized hybrid structures were incorporated into these matrices at various weight ratios (0%, 0.25%, 0.5%, 0.75%, and 1 wt.%), and the nanocomposite films were fabricated using the solution casting method. The synthesized nanomaterials and films were characterized using XRD, TEM, SEM, XPS, FTIR, BET, Raman, TGA, mechanical tensile tests, UV-Vis spectrometry, and color analysis. Characterization data revealed that the synthesized pure g-C₃N₄ exhibits a layered structure and, according to BET analysis, has a surface area of 2490 m²/g.Upon hybridizing the g-C3N4 structure with Mg-Al LDH (2D/2D), the BET surface area was measured as 14,404 m2/g. In the Raman spectroscopy analysis, the highest peak intensity for pure g-C3N4 was observed at 184.05 cm-1 (~109,160 a.u.), while that of pure LDH was detected at 159.17 cm-1 (~2,339 a.u.); notably, the peak intensity at 159.17 cm-1 in the hybrid composite structure increased to 26,384.12 a.u. According to the TGA data, g-C3N4 maintained its thermal stability up to 600 °C in air and completely decomposed at 750 °C. In the mechanical tensile tests, the tensile strength of the neat corn starch (CS) film was measured as 23.7 MPa. While this value decreased to 20.4 MPa with the single nanoparticle reinforcement due to poor stress transfer, it entered a recovery phase, reaching 20.8 MPa, upon the incorporation of the binary (hybrid) additive system (CSGL series) into the matrix at efficient concentrations. Through TGA, the CSGL75 (0.75 wt.% hybrid additive) sample was identified as the ideal concentration that most effectively retarded the thermal degradation within the polymer matrix. In the optical analyses, while the light transmittance at a wavelength of 600 nm for the high-brightness neat starch film (L= 83.31; Whiteness Index = 83.11) was 80%, it decreased to 76% with the single LDH additive and to 44% with the g-C3N4 additive, thereby offering a strong UV/light barrier potential critical for packaging applications. For the chitosan-based films, the tensile strength of the neat sample was 7.6 MPa; this value increased to 8.5 MPa with the single g-C3N4 additive and to 13.5 MPa with the LDH additive, while a strong mechanical performance was achieved in the hybrid system due to the reinforcement effect. Morphologically, the thickness of the neat chitosan film (0.15667 mm) reached saturation at 0.75 wt.% hybrid additive (KFGL75), increasing to 0.18417 mm; however, in the KFGL100 film containing 1 wt.% additive, it decreased by 4.1% to 0.17417 mm due to the effect of high nanoparticle density within the matrix. The obtained data demonstrate that the developed Mg-Al LDH/g-C3N4 reinforced polymer films hold great potential as an eco-friendly alternative to synthetic polymers in food packaging applications. daha sonra doldurulacaktır
Benzer Tezler
- Biyobozunur polimer nanokompozitlerin ve ambalaj filmlerinin hazırlanması
Preparation of biodegradable polymer nanocomposites and packaging films
SHAKOFAH KOSHKI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
- Controlled release of 2',7'-dıchlorofluorescein and aldicarb from carboxymethyl cellulose microspheres
Karboksimetil selüloz mikrokürelerden 2',7'-diklorofloresinin ve aldıcarb'ın kontrollu salımı
RAMİN DARVARI
- Use of microbial polyhydroxyalkanoates in the construction of biomedical drugrelease systems
Mikrobiyal polihidroksialkanoatların biyomedikal ilaç salım sistemleri yapımında kullanılması
İHSAN GÜRSEL
- Poliakrilik asit ve akrilidon anyonik polimer-metal komplekslerinin spektrofotometrik ysntemle incelenmesi
Başlık çevirisi yok
ÖZLEM YAVUZ
- Alcaligenes eutrophus mikroorganizması ile biyopolimer üretiminin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
MAJİED NOURBAKHSH
