Polilaktik asit/polistiren/çinko oksit nanokompozit sentezi ve yağ-su ayırmadaki etkinliğinin incelenmesi
Polylactic acid/polystyrene/zinc oxide nanocomposite synthesis and investigation of its efficiency in oil-water separation
Yazar: HANDE ZİNCİRKARA
Danışman: PROF. DR. AYLA ALTINTEN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yapılan çalışmada, üstün termal ve kimyasal kararlılık özellikleri sayesinde oldukça yaygın kullanılan petrol türevi bir plastik malzeme olan polistiren (PS) matris olarak kullanılmıştır. PS matrisine eklenen inorganik dolgu maddesi olarak çinko oksit (ZnO) nanopartikülleri kullanılmıştır. Sonrasında yapıya polilaktik asit (PLA) katılarak malzemeye biyobozunur özellik kazandırmak amaçlanmıştır. ZnO nanopartikülleri sentezde kullanılmadan önce stearik asit (SA) ile modifiye edilmiş ve organik madde içerisindeki dağılımı iyileştirilmiştir. Yapılan çalışmada PS sentezi emülsiyon polimerizasyonu yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Çözelti harmanlama ve in-situ yöntemleri ile farklı oranlarda PLA:PS (kütlece 30:70 ve 50:50) kullanılarak ve farklı yüzdelerde takviye edici ZnO (kütlece %3,5,10) eklenerek PLA/PS/ZnO nanokompozitleri sentezlenmiştir. Nanokompozit sentezi sonunda hazırlanan plakalar, kaktüs toprağı ve humuslu toprak olarak farklı mineraller içeren iki ayrı toprağa gömülmüştür. Ayda bir kez 6 ay boyunca topraktan çıkarılıp tartımı alınan numunelerde kütle kaybı ölçümüyle nanokompozitlerin biyobozunurluk özelliği gözlenmiştir. Son olarak çalışmanın esas amacı olan PLA/PS/ZnO nanokompozitlerinin yağ-su ayırmadaki etkinliği incelenmiştir. Çalışmada pamuklu kumaş ve poliüretan (PU) sünger kullanılmıştır. PLA/PS/ZnO nanokompozitleri ile kaplanan malzemelere hidrofobik ve oleofilik yüzey özellikleri kazandırılarak yağ-su ayırma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen nanokompozitlerin yapısal özellikleri için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM); termal özellikleri için Termogravimetrik Analiz (TGA); yapı karakterizasyonu için Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) kullanılmıştır. Polimer ve nanokompozitlerin setlik ölçümleri Shore-D setlik testiyle belirlenmiştir. Karakterizasyon çalışmaları sonucunda, çözelti harmanlama yöntemiyle sentezlenen nanokompozitlerin mekanik ve termal dayanımının in-situ yöntemi ile sentezlenen nanokompozitlere göre daha iyi olduğu görülmüştür. PLA'nın nanokompozit içindeki yüzdesinin artmasıyla bozunma artış göstermiştir. Toprak testi sonucuna göre kaktüs toprağına gömülen numunelerde humuslu toprağa göre daha çok bozunma görülmüştür. Yapılan bu çalışmada PLA/PS/ZnO biyobozunur nanokompozitlerinin yağ-su ayırmadaki etkinliğinin yüksek olması ve PLA katkısı sayesinde kullanılan petrol türevli PS miktarının da azaltılmış olması sebebiyle yeşil su arıtma alanında potansiyel uygulama alanı bulabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
In the study, polystyrene (PS), a widely used petroleum-derived plastic material due to its superior thermal and chemical stability properties, was used as the matrix. Zinc oxide (ZnO) nanoparticles were used as inorganic filler added to PS matrix. Afterwards, polylactic acid (PLA) was subsequently added to the structure to impart biodegradable properties to the material. Before using ZnO nanoparticles in synthesis, they were modified with stearic acid (SA) to improve their dispersion within the organic medium. In the study, PS synthesis was carried out by emulsion polymerization method. PLA/PS/ZnO nanocomposites were synthesized by using the solution blending method and in-situ methods at different ratios of PLA:PS (30:70 and 50:50 by mass) and by adding different percentages of reinforcing ZnO (3.5%, 5%, and 10% by mass). The plates prepared at the end of the nanocomposite synthesis were buried in two different soils containing different mineral as cactus soil and humus soil. The biodegradability of the nanocomposites was observed by measuring the mass loss in the samples that were taken out of the soil and weighed once a month for 6 months. Finally, the efficiency of the PLA/PS/ZnO nanocomposites, which is the main purpose of the study, in oil-water separation was investigated, by using cotton fabric and polyurethane (PU) sponge. Oil-water separation experiments were carried out by adding hydrophobic and oleophilic surface properties to the materials coated with PLA/PS/ZnO nanocomposites. Scanning Electron Microscopy (SEM) was used for the structural characterization of the synthesized nanocomposites, Thermogravimetric Analysis (TGA) for its thermal properties, and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) for structural characterization. The hardness measurements of the polymers and nanocomposites were determined by Shore-D hardness test. As a result of characterization studies, it was seen that the mechanical and thermal strength of nanocomposites synthesized by solution blending method were better than nanocomposites synthesized by in-situ method. The degradation increased with increasing percentage of PLA in the nanocomposite. According to the soil test results, more degradation was observed in the samples buried in cactus soil than in the humus soil. In this study, it is thought that PLA/PS/ZnO biodegradable nanocomposites can find potential application in green water treatment due to the high efficiency of oil-water separation and the reduced amount of petroleum-derived PS used thanks to PLA additive.