PLA/PMMA/SiO2 nanokompozit sentezi: Isıl, mekanik ve biyobozunurluk özelliklerinin incelenmesi
PLA/PMMA/SiO2 nanocomposite synthesis: Thermal, mechanical and biodegradability investigations
Yazar: BERRAK CANSU ÇİLEK KOÇAK
Danışman: PROF. DR. AYLA ALTINTEN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Nano-silika = Nano-silica

Özet:
Biyobozunur kompozitler, çevresel etkileri minimize eden ve doğada zararsız bir şekilde parçalanabilen önemli malzemelerdir, çağımızda ise sürdürülebilirlik açısından büyük bir potansiyele sahiptirler. Yapılan bu çalışmada da polimetil metakrilat (PMMA) polimerinin doğal eksikliklerini hafifletmek için biyobozunur polimer çeşidi olan polilaktik asit (PLA) ile karıştırılarak biyobozunur duruma gelmesi ve silika (SiO2) nano katkısı ile termal dayanımın ve mekanik özelliklerin arttırılması amaçlanmıştır. Deneysel çalışmada öncelikle emülsiyon polimerizasyonu yönetimi ile metil matakrilat (MMA) monomerinden PMMA sentezi gerçekleştirilmiştir. Daha sonra kütlece %0, 2, 5 ve 10 oranlarında SiO2 nano parçacıkları ve kütlece 30:70, 50:50, 70:30 oranlarında PLA:PMMA kullanılarak in-situ ve çözelti harmanlama yöntemleri ile PLA/PMMA/SiO2 nanokompozitleri sentezlenmiştir. SiO2 kullanılmadan önce stearik asit (SA) ile modifiye edilmiştir. Emülsiyon polimerizasyonu sonrasında polimerlerin % monomer dönüşümleri ve viskozite ortalama molekül ağırlıkları belirlenmiştir. Hazırlanan nanokompozit malzemelerin; yüzey özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve ışık mikroskobu ile incelenmiştir. Termal özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termogravimetrik analiz (TGA) ile karakterize edilmiştir.  SiO2 katkılı nanokompozitlerin termal dayanıklılıklarının saf polimere kıyasla arttığı gözlenmiştir. Ayrıca sentezlenen nanokompozitlerin mekanik özellikleri Shore-D sertlik ve çekme testleri ile incelenmiştir. Shore-D analizine göre nanokompozitlerin sertlik değerlerinin PLA:PMMA oranından etkilendiği ve PLA oranı arttıkça sertlik değerinin azaldığı gözlenmiştir. Eklenen SiO2 ise PLA'nın hidrolitik bozunmasına sebep olarak sertlik değerini düşürmüştür. Ancak PMMA miktarına bağlı olarak sertlik değerindeki düşüş miktarının azaltılabileceği görülmüştür. Çekme testi verilerine göre PMMA miktarı arttıkça malzemenin maksimum çekme mukavemeti ve kopma yükü artmaktadır. SiO2'nin malzemenin tokluğunu arttırdığı ve malzemeye sünek davranış kazandırdığı görülmüştür. Biyobozunurluk özelliklerinin incelenmesi için biyolojik ve enzimatik bozunma analizleri gerçekleştirilmiştir. Biyolojik bozunma için kaktüs toprağı ve humuslu toprağa gömülen, kütle kaybı tayini ile biyobozunurluğu ölçülen numunelerin ayrıca gömme işlemi öncesinde ve bozunma sürecinde ışık mikroskobu görüntüleri ile yapısal incelemesi de gerçekleştirilmiştir. Kaktüs toprağının humuslu toprağa göre daha iyi bir bozunma ortamı oluşturduğu ve PLA oranı fazla olan numunelerin daha yüksek yüzde kütle kaybı oranlarına sahip olduğu gözlemlenmiştir. Enzimatik bozunma çözeltisinde lipaz enziminin biyobozunurlu hızlandırdığı gözlenmiştir. Her iki bozunma içinde SiO2 katkısının artmasıyla birlikte % kütle kaybı oranlarında da artış eğilimi belirlenmiştir.

Abstract:
Biodegradable composites are important materials that can minimise environmental impacts by being harmlessly degradable in nature. These materials have significant potential for sustainability in our age. In this study, a type of biodegradable polymer called polylactic acid (PLA) was blended with polymethyl methacrylate (PMMA) to make it biodegradable and to increase its thermal stability and mechanical properties with the addition of silica (SiO2) nanoparticles. In the experimental study, PMMA was synthesised from methyl methacrylate (MMA) monomer by emulsion polymerisation. Then, PLA/PMMA/SiO2 nanocomposites were synthesised using SiO2 nanoparticles at ratios of 0, 2, 5 and 10 wt% and PLA:PMMA at ratios of 30:70, 50:50 and 70:30 wt, by in-situ and solution blending methods. SiO2 was modified with stearic acid (SA) before use. After emulsion polymerisation, the % monomer conversions and viscosity average molecular weights of the polymers were determined. The surface properties of the prepared nanocomposite materials were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and light microscopy. Thermal properties were characterised by differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). The study observed that the thermal durability of SiO2-doped nanocomposites increased compared to pure polymer. In addition, the mechanical properties of the synthesised nanocomposites were investigated by Shore-D hardness and tensile tests. According to Shore-D analysis, it was observed that the hardness values of the nanocomposites were affected by the PLA:PMMA ratio. The hardness value decreased as the PLA ratio increased. The added SiO2 caused the hydrolytic degradation of PLA, which reduced the hardness value. However, it was observed that the amount of decrease in hardness value can be reduced depending on the amount of PMMA added. According to tensile test data, as the amount of PMMA increases, the maximum tensile strength and breaking load of the material also increase. It was observed that SiO2 increases the toughness of the material and gives it ductile behavior. The study also carried out biodegradation and enzymatic degradation analyses to examine the biodegradability properties. For biodegradation, the samples were buried in cactus soil and humus soil, and biodegradability was measured by mass loss determination. Structural examination was carried out with microscope images before and after the burial process. It was observed that cactus soil created a better degradation environment than humus soil. The samples with higher PLA content had higher percent mass loss rates. In the enzymatic degradation solution, it was observed that lipase enzyme increased biodegradability. In both degradations, an increasing trend was determined in the % mass loss rates with increasing SiO2 contribution.