Biyo-esinlenmiş hiyerarşik polimer nanokompozitlerin tasarımı, hazırlanması ve karakterizasyonu
Design, preparation and characterization of bio-inspired hierarchical polymer nanocomposites
Yazar: FATMA DÖNMEZ
Danışman: PROF. DR. HATİCE KAPLAN CAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞE ÇAĞIL KANDEMİR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Biyouyumluluk = Biocompatibility ; Hiyerarşik yapı = Hierarchical structure ; Kil mineralleri = Clay minerals ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Polivinilpirollidon = Polyvinylpyrrollidone

Özet:
Günümüzde polimer kompozit üretmek için kullanılan yöntemler mekanik mukavemeti artırırken, tokluğun ve sünekliğin azalmasına neden olmaktadır. Bu durum, kompozit malzemelerin kopma dayanımının ve dolayısıyla ömürlerinin azalmasına sebep olmaktadır. Polimer kompozit malzemeler modern yaşamın pek çok alanında yer alır ve bu sebeple mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi oldukça önem teşkil eder. Örneğin; polimer kompozit malzemelerden endüstriyel ölçekte havacılık (uçak ve roketlerin bileşenleri) ve sağlık (yapay kol, bacak, kemik protezleri v.b.) sektörlerinde faydalanılmaktadır. Makro ölçekte ise başta mikro-elektronik sistemler ve ince film kaplamalar olmak üzere pek çok uygulamada yararlanılmaktadır.
Bu tezde amaç, insan kemiği ve istiridye gibi yüksek mekanik özelliğe sahip biyolojik yapılardan ilham alınarak, hiyerarşik ölçekli ve parçacık yoğunluğu konuma göre değişen (kademeli) polimer nano/mikro kompozit malzemelerin tasarımı, sentezi, karakterizasyonu ve üretilen malzemelerin mekanik özelliklerinin incelenmesidir. Hiyerarşik kademeli kompozitler geleneksel kompozitlere göre iki avantaja sahiptir. İlk olarak, doğada kademeli kompozitler, mekanik olarak farklı bölgeleri kesintisiz şekilde birleştirir. Örneğin, kemik, kıkırdak, tendon gibi biyolojik sistemler ara yüzey hasarını ve kırılmasını önleyen kademeli parçacık dağılımı ile bağlanır. İkinci olarak doğada (insan kemiği) farklı boyuttaki parçacıkların (nano, mikro ya da makro ölçekte) polimer matris içinde hiyerarşik etkisi hem güçlü hem de tok mekanik özelliklere neden olur. Bu özellik günümüzde ticari ölçekte polimer teknoloji seviyesinin izin verdiği sadece tek boyutta parçacık takviyesiyle elde edilememektedir. Matrisi polimer olan sentetik hiyerarşik kompozitler, elastik yapıları ve düşük yoğunlukları sayesinde biyolojik malzemeleri daha iyi taklit edebilirler.
Çevre dostu bir yol izlenilerek bu çalışmada, biyouyumlu polimer nanokompozit üretimine odaklanılmıştır. Takviye malzemesi olarak silika ve iki farklı nanokil; halloysit nanotüp (HNT) ve bentonit (BNT), polimer matris olarak polivinilpirolidon (PVP)  kullanılmıştır. Tüm nanokompozitler çözelti ortamında sentez yöntemiyle sentezlenmiş; kil ve nanokompozit yapıları FTIR, XRD ve TGA analizleri ile karakterize edilmiştir. PVP matris içerisinde HNT ve BNT dağılımı TEM ile araştırılmıştır. Hem PVP hem de sentezlenen nanokompozitler, düşük yoğunluklu polietilen ile (LDPE) karıştırılarak enjeksiyon kalıplama makinesi ile mekanik test numunesi üretimleri gerçekleştirilmiştir. Enjeksiyon numunelerine mekanik testlerden 3-nokta eğme ve darbe testleri uygulanmıştır. 3-nokta eğme testi sonrasında numunelerin kırılma yüzeyleri SEM ile incelenmiştir. Halloysit nanotüp takviyeli polimer nanokompozitler ile kademeli film üretimleri yapılmış ve bunun için döndürmeli kaplama cihazı kullanılmıştır. Filmlerin morfolojisi ve pürüzlülüğü AFM ile analiz edilmiştir. Halloysit nanotüp kil minerali ilavesi ile elde edilen mekanik gelişmeleri açıklamak için mikro indentasyon testi yapılmıştır. Bu çalışmanın sonunda önerilen nanokompozitler; gerek sentez yöntemi gerekse nanokompozit bileşenlerinin biyouyumlu, çevre dostu ve toksik olmaması nedeniyle kemik ve diş protezlerinde ve biyosensör esnek elektroniklerde kullanılan ticari polimer/kompozitlere çevre dostu bir alternatif olarak hizmet edebilecektir.

Anahtar Kelimeler: biyouyumluluk, polivinilpirolidon, kil mineralleri, polimer nanokompozit, hiyerarşik yapı, mekanik özellikler, kademeli film

Abstract:
Synthetic routes in the polymer composite production induce strength by compromising toughness and ductility. This results in premature failure leading to reduced life-time. It is crucial to enhance the lifetime of contemporary composite materials by implementing new reinforcing approaches since they are utilized vastly in many aspects of modern life. For instance, in macro-scale polymer composites are utilized in aviation (as components of rockets and aircrafts) and prosthetic (as artificial bone, leg and arm) industries. In addition to it, in micro-scale; they are used in many applications such as in micro-electronics and thin film protections.
In this thesis, it is aimed to design, synthesis, characterization of hierarchical graded polymer nano/micro composite materials and investigation of the mechanical properties of the produced materials, inspired by biological structures with high mechanical properties such as human bones and oysters. There are two benefits to replace hierarchical graded composites with their conventional counterparts. First, graded composited are crucial to join mechanically different materials in continuous manner. For instance, biological systems such as bone, cartilage and mussel are connected via graded particle distribution preventing interface damage and failure. Second, composites could become both strong and tough by inducing hierarchical distribution of particles which have diverse length scales (nano-, micro and macro-scaled). In fact, living organisms utilizing hierarchic distribution of reinforcements are able to preserve both strength and toughness which could not be attained by reinforcing in only one particular length-scale. Artificial hierarchical composites with polymer matrix could mimic nature in the means of elasticity and low density thanks to their organic nature.
Eco-friendly route has been developed in this study focusing on the production of the biocompatible polymer nanocomposites. Two different types of nanoclay (halloysite nanotube and bentonite) and silica were utilized in this study. As the polymer matrix, Polyvinylpyrrolidone (PVP) was chosen. All nanocomposites were produced via solution mixing production method. Nanocomposite structures were characterized by FTIR, XRD and TGA analyses. Distribution of HNT and BNT within PVP matrix was investigated by high resolution Transmission Electron Microscopy (TEM). Both PVP and the synthesized nanocomposites were blended with low density polyethylene (LDPE). Mechanical test specimens were produced by injection molding machine. The three-point bending tests and notched impact tests of the specimens were carried out. The fracture surface of the specimens (after 3-point bending test) were examined via Scanning Electron Microscopes (SEM). Gradient PVP-HNT nanocomposite films were fabricated by spin coater. The morphology and roughness analysis of the films were analyzed via Atomic Force Microscopy (AFM). Instrumented-micro indentation test was conducted to unveil mechanical improvements achieved by halloysite nanotube clay mineral addition. The proposed nanocomposites at the end of this study would serve as an environmentally-friendly alternative to commercial engineering polymers/composites which could be utilized in bone implants, dental implants, biofilms and as substrates of flexible electronics for biosensors.

Keywords: biocompatibility, Polyvinylpyrrolidone, polymer nanocomposite, hierarchical structure, clay mineral, mechanical properties, gradient film