Biyobozunur polimer nanokompozitlerin ve ambalaj filmlerinin hazırlanması
Preparation of biodegradable polymer nanocomposites and packaging films
Yazar: SHAKOFAH KOSHKI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Hammaddelerin yenilenebilir kaynaklardan temin edilmesine verilen önemin artması ve plastiklerin çevresel etkilerini azaltma çabası, biyolojik olarak parçalanabilen ambalaj malzemelerinin geliştirilmesine yönelik talebin artmasına yol açmıştır. Geri dönüştürülebilir, toksik olmayan ve doğal kaynaklardan elde edilen bu malzemeler geleneksel ambalaj malzemelerine sürdürülebilir bir alternatif sunmuştur. Nanoteknoloji alanındaki yenilikler, biyopolimer esaslı kompozitlerin ve nanokompozitlerin geliştirilmesine olanak tanıyarak, plastik filmlerin kalitesini ve bozunabilirliğini önemli ölçüde artırmıştır. 
Bu tez çalışmasının ilk bölümünde, bitkisel kaynaklardan elde edilen katkı maddeleri kullanılarak farklı oranlarda Nişasta/Kitosan esaslı biyobozunur biyokompozit filmler elde edilmiştir. Öncelikle nişasta kaynağı olarak seçilen buğday nişastasının gliserol ile termoplastikleştirme işlemi yapılmıştır. Mekanik dayanımı ve antibakteriyel özellik kazandırmak amacıyla kitosan eklenerek farklı oranlarda termoplastik Nişasta/Kitosan biyokompozit filmleri çözelti-döküm yöntemi ile hazırlanmıştır. Nişasta/Kitosan filmlerine, antioksidan ve antibakteriyel bileşenler içeren aloe Vera jeli (AV) ve ayva çekirdeği jeli (QSM) eklenerek elde edilen filmlerin mekanik özellikleri ve antibakteriyel aktiviteleri incelenmiştir.    FT-IR spektroskopisi ile biyokompozit filmlerin kimyasal yapısı ve moleküler düzeni araştırılmıştır. Hazırlanan biyokompozit filmlerin S. Aureus bakterisine karşı antimikrobiyal aktivitesi belirlenmiştir. Antibakteriyel aktivite gösterdiği belirlenen Aloe Vera jeli ve ayva çekirdeği jeli içeren Nişasta/Kitosan esaslı biyokompozit filmler gıda, kozmetik, medikal ve ilaç uygulamalarında umut verici bir alternatif olabilecektir. 
Çalışmanın ikinci bölümünde, bakır esaslı metal organik kafes (Cu-MOF) nanokristalleri ve grafen oksit ile Cu-MOF@GO hibrit nanokristalleri sentezlenmiştir. Elde edilen nanokristaller PBAT/PLA/PCL, PHA/PBS ve PHA/PHBV biyobozunur polimer karışımlarına farklı oranlarda eklenerek biyonanokompozit filmler elde edilmiştir. Farklı biyobozunur polimer matrislerine Cu-MOF ve Cu-MOF@GO nanokristalleri eklenerek hazırlanan biyonanokompozit filmlerin mekanik, optik, bariyer ve antibakteriyel özellikleri incelenerek MOF'ların etkisi ve ambalaj uygulamalarına yönelik kullanımları araştırılmıştır. Mekanik, su buharı geçirgenlik hızı (WVTR), oksijen geçirgenlik hızı (OTR) ve antimikrobiyal aktivite testlerinden elde edilen bulgular değerlendirilerek Cu-MOF içeren filmlerin mekanik mukavemet, bariyer özellikleri ve mikrobiyal etkiye karşı direnç konularında iyileşmeler elde edilmiştir.

Abstract:
The increasing emphasis on sourcing raw materials from renewable origins and the endeavor to mitigate the environmental impact of plastics have led to a heightened demand for the development of biodegradable packaging materials. These recyclables, non-toxic, and derived from natural resources materials present a sustainable alternative to traditional packaging materials. Innovations in nanotechnology with the development of composites and nanocomposites based on biopolymers have effectively improved the quality and degradability of plastic films.
In the first part of this thesis study, biodegradable bionanocomposite films based on starch/chitosan at different ratios were obtained by using additives obtained from plant sources. First, wheat starch, which was selected as the starch source, was thermoplasticized with glycerol. Thermoplastic starch/chitosan bio-composite films at different ratios were prepared by solution-casting method by adding chitosan to provide mechanical strength and antibacterial properties. The mechanical properties and antibacterial activities of the films obtained by adding quince seed mucilage (QSM) and Aloe vera gel (AV), which contain antioxidant and antibacterial components, to starch/chitosan films were examined. The chemical structure and molecular arrangement of bio-composite films were investigated by FT-IR spectroscopy. The antimicrobial activity of the prepared bio-composite films was determined using S. Aureus bacteria. Starch/chitosan-based bio-composite films containing Aloe Vera gel and quince seed extract, which have been determined to show antibacterial activity, may be a promising alternative in food, cosmetic, medical, and pharmaceutical applications.
In the second part of the study, copper-based metal organic framework (Cu-MOF) nanocrystals and graphene oxide and Cu-MOF@GO hybrid nanocrystals were synthesized. Bio-nanocomposite films were obtained by adding the obtained nanocrystals to PBAT/PLA/PCL, PHA/PBS and PHA/PHBV biodegradable polymer mixtures at variable rates. The mechanical, optical, barrier and antibacterial properties of bionanocomposite films prepared by adding Cu-MOF and Cu-MOF@GO nanocrystals to different biodegradable polymer matrices were examined, and the effects of MOFs and their use in packaging applications were investigated. By evaluating the findings obtained from mechanical, water vapor permeability rate (WVTR), oxygen permeability rate (OTR) and antimicrobial activity tests, improvements were obtained in the mechanical strength, barrier properties and resistance to microbial effects of films containing Cu-MOF.