Biyo-kompozit tabanlı gaz sensörü algılama katmanının geliştirilmesi ve karakterize edilmesi
Development and characterization of bio-composite-based gas sensor detection layer
Yazar: MERVE BAHAR OKUYUCU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE AKAY SEFER ; DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖZDE KONUK EGE
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Bitki lifleri = Plant fibers ; Biyokompozit substrat = Biocomposite substrates ; Doğal lifler = Natural fiber ; Lifli kompozitler = Fiber composites ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Selüloz lifler = Cellulosic fibers

Özet:
Çeşitli uygulama alanlarındaki fonksiyonel malzeme talebinin artmasıyla birlikte, araştırmacıların nanoteknoloji ve nanomalzemeler üzerine ilgisi oldukça artmıştır. Bu bağlamda araştırmacılar; Koruyucu giysiler, yapı ve inşaat malzemeleri, filtrasyon, sağlık hizmetleri doku mühendisliği, ilaç dağıtımı ve sensörler gibi çeşitli alanlarda oldukça iyi bir kaynak olan nanofiberlerin üretim tekniklerini geliştirmeye odaklanmışlardır. Küçük çaplara sahip olmaları, yüzey alanlarının genişliği, biyo-uyumluluk, kontrol edilebilir mekanik özelliklere sahip olması ve ağ yapılarının gözenekli olması da nanofiberlerin kullanım alanlarının çeşitliliğini arttırmaktadır. Cam elyaf ve polimer temelli fiberlerin yüksek miktarda karbon ayak izine sahip olmaları ve sürdürülebilirlik anlamında yetersiz kalmaları birçok endüstri alanında doğal kaynaklı malzeme arayışına sebep olmuştur. Doğal kaynaklardan elde edilmesi sebebi ile doğal fiberler olarak bilinen doğal nanofiberler, çevre dostu olarak bilinmektedirler. Ayrıca doğal fiberler; yenilenebilir, biyobozunur ve sürdürülebilir olduklarından birçok endüstri dalında yaygın kullanım alanına sahiptir. Doğal lif takviyeli kompozitler, bitkisel liflerden elde edilen doğal malzemelerin polimer matrislerle birleştirilmesiyle üretilir. Düşük yoğunlukları ve yüksek özellikleri, biyolojik olarak parçalanabilir olmaları ve aşındırıcı olmamaları gibi kullanım avantajlarına sahiptirler. Bu kompozitler, geleneksel lif takviyeli kompozitlere benzer özellikler gösterirler. Fakat daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir seçenek sunarlar. Çalışmada; kabak bitkisinin liflerinden elde edilen ve süngerimsi bir yapıya sahip bir malzeme olan kabak lifi, düşük maliyetli, yüksek iletkenliğe sahip Polianilin (PANI) ve metal oksit olarak TiO2 kullanılarak yarı iletkenlik ve biyobozunurluk özelliklerine sahip organik lif tabanlı biyokompozit bir malzeme üretilmiştir. Elektroeğirme yöntemi; elde edilen liflerin istenilen tüm özellikleri sağlayabilmesi ve lif kalınlığı/inceliğinin kontrol edilebilir olması sebebi ile Nanolif üretim yöntemleri arasında en tercih edilen çok yönlü bir yöntemdir. Bu yöntemde, oluşturulan polimer çözeltilerinden nanolifler elde edebilmek maksadı ile elektrostatik kuvvet kullanılmaktadır. Bu çalışmada, PANI/PEO/kabak lifi (luffa) ve TiO2 kullanılarak oluşturulan homojen çözelti kullanılarak farklı parametrelerdeki voltaj değeri, akış hızını yönlendiren pompa hızı, levha mesafesi kullanılarak biyokompozit nanolif yapı farklı elektro eğirme metodu aracılığı ile üretilmiştir. Elde edilen nanofiberlerin yüzey morfolojisi ve mikroyapısal özellikleri, yüzey temas açısı ölçümü, kimyasal yapısal özellikleri; fourier transform infrared spektroskopisi (FT- IR), X-ray difraktometresi (XRD), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri kullanılarak yapılmıştır. Çözelti yoğunluğu, çözelti akış hızı ve uygulanan voltaj ve iğne ucu ile dağıtıcı arasındaki mesafedeki değişimlerin nanoliflerin meydana gelmesine yönelik etkisi araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda; malzemenin karakterizasyon verilerinin literatür ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
With the increasing demand for functional materials in various application areas, researchers' interest in nanotechnology and nanomaterials has significantly increased. In this context, researchers have focused on developing production techniques for nanofibers, which are highly valuable resources in various fields such as protective clothing, construction materials, filtration, healthcare, tissue engineering, drug delivery, and sensors. The diversity of applications for nanofibers is enhanced by their small size, large surface area, biocompatibility, controllable mechanical properties, and porous network structures. The high carbon footprint of glass fiber and polymer-based fibers and their inadequacy in terms of sustainability have led to a search for natural material alternatives in many industries. Natural fibers obtained from natural sources, known as natural nanofibers, are considered environmentally friendly. Additionally, natural fibers are widely used in various industries because they are renewable, biodegradable, and sustainable. Natural fiber-reinforced composites are produced by combining natural materials derived from plant fibers with polymer matrices. They offer advantages such as low density, high specific properties, biodegradability, and non-abrasiveness. These composites provide similar properties to traditional fiber-reinforced composites but offer a more sustainable and environmentally friendly option. In this study, a bio-composite material with semi-conductivity and biodegradability properties was produced using pumpkin fiber, which is obtained from pumpkin plant fibers and has a spongy structure, along with polyaniline (PANI) with high conductivity and titanium dioxide (TiO2) as a metal oxide. The electrospinning method was chosen as it allows for the production of nanofibers with desired properties and controllable fiber thickness/thinness among various nanofiber production methods. In this method, electrostatic forces are used to obtain nanofibers from polymer solutions. In this study, bio-composite nanofibers were produced using a homogeneous solution created with PANI/PEO/pumpkin fiber and TiO2 by adjusting different parameters such as voltage value, pump speed directing flow rate, and plate distance through different electrospinning methods. The surface morphology and microstructural properties of the obtained nanofibers were analyzed using surface contact angle measurement, chemical structural properties, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), and scanning electron microscopy vii (SEM). The effect of changes in solution concentration, solution flow rate, applied voltage, and distance between the needle tip and collector on the formation of nanofibers was investigated. The results obtained were observed to be consistent with the literature in terms of material characterization data.