Kil takviyeli ve gümüş katkılı polimer nanokompozit üretimi ve antibakteriyel özelliklerinin incelenmesi
Production of clay reinforced and silver doped polymer nanocomposites and investigation of their antibacterial properties
Yazar: LEMİYE ATABEK SAVAŞ
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET HANÇER
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Mühendisliği Bölümü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Özellikle nano-boyuttaki takviye elemanları ile katkılandırılmış yapısal polimer kompozit malzemeler, takviye elemanlarının sahip oldukları yüksek yüzey alanı/hacim oranlarından dolayı üstün özellikler sergilerler. Bilhassa ambalaj sanayi bu alandaki en büyük uygulama sahalarından bir tanesidir. Polimer yapılar veya ince filmler içerisindeki doğal kil nano-partikülleri, oksijen, karbondioksit ve nemin gıdaya ulaşmasını engelleyen bariyer görevini yerine getirerek içerisindeki gıdanın raf ömrünü uzatırlar. Nano-killer ayrıca düşük ağırlık, yırtılmazlık ve yüksek ısıl direnç gibi özellikleri de beraberinde getirirler.

Bu çalışmada, organik olarak modifiye edilmiş (Setil Trimetil Amonyum Bromür-CTAB ile) 300 nm'den daha küçük boyuta sahip montmorillonit nano-partikülleri gümüş iyonları ile iyon-değişimi işlemine tabi tutulmuştur. Taşıyıcı görevi gören nano-kil partikülleri, bu işlemin ardından yüksek kesme gerilmelerinin oluşturulduğu eş-dönen çift vidalı bir ekstrüder kullanılarak alçak yoğunluklu polietilen (AYPE) içerisine karıştırılmıştır. Gümüş iyonları yüklenmiş montmorillonit ve AYPE karışımı peletler daha sonra 5 mikron'dan ince film halinde çekilmişlerdir. Negatif yüklenmiş kil yüzeyi üzerine gümüş ve amonyum iyonlarının adsorpsiyon ve değişim mekanizmalarını daha iyi anlamak için AgNO3 ve CTAB'lı montmorillonit yüzey yükü (zeta-potansiyel) ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Kil üzerine yapılan CTAB ve Ag iyon adsorpsiyon sırası, çoğu literatürde karşılaşılan AgBr nano-partiküllerinin oluşumu engellenecek şekilde değiştirilmiştir. Ayrıca, XRD, AFM ve SEM analizleri kullanılarak, gümüş ve CTAB ilaveli kil tabakalarının matriks içerisindeki dağılım mekanizmaları araştırılmıştır. Ardından, gümüş iyonu katkılı kil/AYPE kompozit filmlerin antibakteriyel etkisi güçlü gram negatif eşerişiya koli (E-coli) bakteri türüne karşı incelenmiştir. Sonuç olarak; literatürde karşılaşılan benzer çalışmalardan çok daha düşük miktarlarda aktif madde kullanılarak, AYPE filmlerle gerçekleştirilen hem sıvı hem de yüzey bakteri testlerinde anti-bakteriyel etki gözlenmiş olup, gümüş iyonları ile organo kil partikülleri arasında güçlü bir sinerjinin oluştuğu kanıtlanmıştır.

Abstract:
In this study, structured polymer composite materials, especially with nano-sized reinforcements are known to be more effective due to their high surface area/volume ratios. Food packaging, for example has been one of the most successful application of this field. Natural clay nano-particles, dispersed into the plastics and films, form a barrier against oxygen, and carbon dioxide and to prevent moisture into the food resulting in extended storage. Nano-clay materials are also lightweight, tear-proof and provide high heat resistance.

In this work, organically modified (with Cetyltrimethylammonium bromide, CTAB) montmorillonite nano particles of less than 300 nm sizes were ion exchanged with silver ions. Active carrier clay nano particles were then compounded into low density polyethylene polymer (AYPE) using a high shear force co-rotating twin screw extruder. The silver ion loaded montmorillonite and AYPE granules were then blown molded in order to achieve thin films of less than 5 micron. Montmorillonite surface charge measurement (zeta potential) in the presence of AgNO3 and CTAB were elucidated in order to understand adsorption and exchange mechanisms of both silver and quarternary amine ions on to negatively charged clay surfaces. The order of CTAB and Ag ion adsorption onto clay were changed/modified in order not to form AgBr nano particles of which existence was shown in many literature studies before. Furthermore XRD, AFM and SEM methods were also used to understand the intercalation and dispersion behavior of clay platelets in the presence of both silver and CTAB molecules. Antibacterial activity of the silver ion doped clay AYPE composite films were then investigated against powerful gram negative Escherichia coli (E-coli) bacteria. It seems there is strong synergetic effect between silver ions and organically modified clay nano particles as evidenced by the bacterial inhibition properties of thin AYPE film samples using both liquid and surface bacterial testings at a much lower active component concentrations then similar studies appeared in the literature.