Biyopolimerler ile Biyokompozit Ambalajların Hazırlanması ve Karakterizasyonu
Preparation and Characterization of Biocomposite Packaging with Biopolymers
Yazar: CEREN ALPASLAN GÜLER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu çalışmanın amacı, polietilen (PE) esnek ambalaj filmlerinin yerine kullanılmak üzere PLA, PCL, PBAT, PBS, TPS biyopolimer karışımları kullanılarak, oksijen ve su buharı geçirgenliği gibi bariyer özellikleri iyileştirilmiş, biyobozunur özelliğe sahip çevre dostu alternatif esnek biyopolimer ve biyokompozit filmlerin ekstrüzyon yöntemiyle geliştirilmesidir. Bu hedef doğrultusunda hazırlanan biyopolimer karışımlarına tabakalı ve iğne uçlu yapıya sahip beş farklı nano boyutlu kil yapısı ve yumurta kabuğu partikülleri eklenerek çift vidalı ekstrüder ile harmanlanmıştır ve biyokompozit filmler üflemeli film ekstrüzyonu ile hazırlanmıştır. Biyopolimer ve biyokompozit filmlerin hazırlanmasında farklı uyumlaştırıcılar kullanılmıştır. Uyumlaştırıcı türlerinin, kil ve dolgu çeşitlerinin, biyopolimerlerin karışım oranlarının ve ekstrüzyon parametrelerinin filmlerin fiziko-mekanik özelliklerine etkileri incelenmiştir. Yapılan çalışmalarda filmlerin hedeflenen mekanik, ısıl mukavemet, optik ve yüksek dispersiyon özellikleri için biyopolimer karışımlarının hazırlanması aşamasında uygun uyumlaştırıcı türünün belirlenmesi ve optimum oranda kullanılması gerektiği ortaya çıkmıştır. Hazırlanan biyopolimer karışımlarına, uyumlaştırıcılar ile montmorillonit (MMT), sepiyolit ve bentonit gibi farklı kil türleri, ağırlıkça farklı yükleme oranlarında çift vidalı ekstrüzyon kullanılarak eklenmiştir ve üflemeli film ekstrüzyonu ile biyokompozit filmler hazırlanmıştır. Biyopolimer ve biyokompozit filmlerin; kimyasal, fiziksel, ısıl, optik, mekanik, ısıl mukavemet ve oksijen/su buharı geçirgenlik özelliklerini belirlemek için karakterizasyon testleri yapılmıştır. Sonuç olarak, polimerik epoksi esaslı zincir uzatıcının (Joncryl® ADR4468) %1 oranında kullanılmasıyla hazırlanan %25 PLA / %75 PBAT biyopolimer karışımı en iyi uyumu göstermiştir. Farklı kil tiplerinin eklenmesi ile elde edilen PLA/PBAT/kil biyopolimer karışımlarından, doğası gereği düşük geçirgenliğe sahip PE film yapısına kıyasla çevre dostu, bariyer özelliği geliştirilmiş düşük oksijen geçirgenliğine sahip filmler elde edilmiştir. Hazırlanan biyokompozit filmlerin karakterizasyon analizleri sonucunda, geliştirilmiş bariyer özelliklere sahip biyobozunur film yapısı olarak ağırlıkça %25 PLA, %75 PBAT, %1 epoksi esaslı uyumlaştırıcı (Joncryl® ADR4468) ve %3 yüksek saflıkta sepiyolit kili ile hazırlanan PLA-25/PBAT-75/sepiyolit-3 biyokompozit filminin PE film yapısına en yakın alternatif olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Various compatibilizers are used in the preparation of biopolymer and biocomposite films, and the effects of compatibilizer types, clay and filler varieties, biopolymer blend ratios, and extrusion parameters on the physico-mechanical properties of the films are investigated. The studies indicate that the determination of the appropriate compatibilizer type and its optimal use is crucial in achieving the targeted mechanical, thermal resistance, optical, and high dispersion properties of biopolymer blends. Different clay types, such as montmorillonite (MMT), sepiolite, and bentonite, are added to the prepared biopolymer blends at varying weight loading rates using twin-screw extrusion, and biocomposite films are prepared by blown film extrusion. Characterization tests are conducted to determine the chemical, physical, thermal, optical, mechanical, thermal resistance, and oxygen/water vapor permeability properties of biopolymer and biocomposite films. As a result, the biopolymer blend of %25 PLA / %75 PBAT, prepared using 1% of the polymeric epoxy-based chain extender (Joncryl® ADR4468), demonstrated the best compatibility. Biocomposite films obtained by adding different clay types to PLA/PBAT/clay biopolymer blends showed environmentally friendly films with improved barrier properties, especially low oxygen permeability compared to the inherently low permeability of PE film structure. Based on the characterization analyses of the prepared biocomposite films, the PLA-25/PBAT-75/sepiolite-3 biocomposite film, prepared with 25% PLA, 75% PBAT, 1% epoxy-based compatibilizer (Joncryl® ADR4468), and 3% high-purity sepiolite clay by weight, is identified as the closest alternative to the PE film structure with improved barrier properties.