Grafen oksit ve indirgenmiş grafen oksit katkılı biyopolimer nanokompozitlerin ekstrüzyon yöntemi ile hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of containing graphene oxide and reduced graphene oxide incorporated biopolymer nanocomposites by extrusion method
Yazar: AHMET ÖZKAN
Danışman: PROF. DR. HALE BERBER ; DOÇ. DR. SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya = Chemistry

Özet:
Son yıllarda biyolojik olarak çözünebilen polimerler, ekolojik sürdürülebilirlik bakımından giderek daha fazla önem kazanmış ve mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Polilaktik asit (PLA), biyobozunurluğu ve geri dönüştürülebilirliği nedeniyle öne çıkan bir polimerdir. Ancak, düşük mekanik dayanımı, kırılgan yapısı ve sınırlı termal kararlılığı gibi dezavantajları nedeniyle mühendislik uygulamalarında kullanımını artırmak için modifikasyon gerekmektedir. Bu bağlamda, grafen oksit (GO) ve indirgenmiş grafen oksit (rGO) gibi karbon bazlı nanomalzemeler, PLA'nın özelliklerini iyileştirmek amacıyla potansiyel takviye malzemeleri olarak değerlendirilmektedir.
Bu çalışmada, GO ve rGO katkılı PLA bazlı biyonanokompozitler üretilmiş ve bu katkıların termal, mekanik ve morfolojik özellikler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, GO'dan rGO sentezlenmiş ve elde edilen nanopartiküller eriyik harmanlama yöntemiyle PLA matrisiyle birleştirilmiştir. Üretilen biyonanokompozitler çeşitli karakterizasyon teknikleri ile analiz edilmiştir.
Termal analizler, GO ve rGO'nun PLA'nın termal kararlılığını artırarak kristallenme oranını artırdığını göstermiştir. Ancak, yüksek katkı oranlarında homojen dağılımın sağlanamaması nedeniyle kristallenme davranışında düzensizlikler gözlenmiştir. GO ve rGO'nun mekanik özellikler üzerindeki etkisi, katkı oranına bağlı olarak değişmiş ve belirlenen katkı oranlarında çekme mukavemeti en yüksek seviyeye ulaşmıştır. Bununla birlikte, yüksek oranlarda GO ve rGO aglomerasyon oluşturduğundan mekanik dayanımda düşüş gözlenmiştir.
Morfolojik incelemeler, GO ve rGO'nun PLA matrisi içinde homojen dağıldığını ve bu durumun mekanik ve termal özellikleri iyileştirdiğini göstermiştir. GO ve rGO'nun PLA matrisine ilavesi, düşük ve orta katkı oranlarında kristallenmeyi teşvik ederken, yüksek oranlarda düzensiz polimer-nanotanecik etkileşimlerine neden olmuştur.
Sonuç olarak, GO ve rGO katkılı PLA bazlı biyonanokompozitlerin biyomedikal cihazlar, esnek elektronikler, gıda ambalajları ve mühendislik uygulamalarında geniş bir kullanım potansiyeline sahip olduğu belirlenmiştir. Belirlenen katkı oranlarında PLA'nın mekanik ve termal dayanımı önemli ölçüde iyileşmiş, ancak yüksek yükleme oranlarında dispersiyon problemleri nedeniyle sınırlamalar ortaya çıkmıştır. Sonuçlar, GO ve rGO varlığında ve farklı oranlarında üretilen PLA bazlı biyonanokompozitlerin endüstriyel kullanımı için potansiyel taşıdığını göstermiştir.

Abstract:
In recent years, biodegradable polymers have gained increasing importance in terms of environmental sustainability and have been widely used in engineering applications. Polylactic acid (PLA) is a prominent polymer due to its biodegradability and recyclability. However, its low mechanical strength, brittle nature, and limited thermal stability pose significant disadvantages, necessitating modifications to enhance its applicability in engineering applications. In this context, carbon-based nanomaterials such as graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) are considered potential reinforcement materials to improve the properties of PLA.
In this study, PLA-based bionanocomposites containing GO and rGO were produced, and the effects of these additives on the thermal, mechanical, and morphological properties of the material were investigated. In the initial phase of the study, rGO was synthesized from GO, and the obtained nanoparticles were incorporated into the PLA matrix using the melt blending method. The produced bionanocomposites were analyzed using various characterization techniques.
Thermal analysis results showed that GO and rGO enhanced the thermal stability of PLA by increasing its crystallization rate. However, at high additive concentrations, the inability to achieve homogeneous dispersion led to irregular crystallization behavior. The effect of GO and rGO on mechanical properties varied depending on the additive concentration, with tensile strength reaching its highest level at specific loading ratios. However, at higher concentrations, GO and rGO formed agglomerates, leading to a decrease in mechanical strength.
Morphological investigations revealed that GO and rGO were homogeneously distributed within the PLA matrix, which contributed to the improvement of mechanical and thermal properties. The incorporation of GO and rGO into the PLA matrix promoted crystallization at low and moderate additive levels, whereas at higher concentrations, irregular polymer-nanoparticle interactions were observed.
In conclusion, PLA-based bionanocomposites containing GO and rGO have demonstrated a broad potential for applications in biomedical devices, flexible electronics, food packaging, and engineering applications. At the determined additive concentrations, the mechanical and thermal strength of PLA was significantly improved, whereas at high loading levels, dispersion problems introduced certain limitations. The results indicate that PLA-based bionanocomposites produced with different concentrations of GO and rGO have potential for industrial applications.