Biyopolioller ile antibakteriyel poliüretan nanokompozit filmlerin üretimi ve tekstil uygulamaları
Production of antibacterial polyurethane nanocomposite films with biopolyols and textile applications
Yazar: SEVİLAY NİGAR ÖZVEREN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Poliüretanlar (PU) polimer ailesinin en büyük ve önemli gruplarından biridir.  Dayanıklılık, esneklik, biyouyumluluk, iyi abrasyon dayanımı, yüksek su buharı geçirgenliği, çözücü direnci ve yüksek mekanik dayanım gibi geniş bir yelpazeye sahip benzersiz özellikleriyle PU'lar; kauçuk ürünleri, sentetik deri ve lifler, kaplamalar, yalıtım köpükleri, otomotiv ve havacılık bileşenleri, tıp ve medikal ürünleri gibi farklı alanlarda ve çeşitli uygulamalar için yaygın olarak kullanılırlar. Ayrıca PU'lar, yaralar için giysiler, cerrahi elbise, hastane yatakları, çeşitli tıbbi cihaz uygulamaları, sentetik deri, membranlar ve biyomedikal uygulamalar gibi ticari uygulamalarda da yaygın olarak kullanılmaktadır.  PU hammaddeleri olan polioller ve diizosiyanatlar petrol türevli kimyasal yapılardan oluşmaktadır. Son yıllarda petrol türevli hammaddeler yerine bitkisel yağlar gibi sürdürülebilir kaynaklardan üretilen biyopolioller ile sentezlenen poliüretan malzemeler oldukça önem kazanmıştır. PU'lara istenilen özellikler, farklı ve çok çeşitli yapılarda sentezlenen hammaddeler ve nanomateryaller kullanılarak kompozitlerinin üretimi  olmak üzere iki yol ile kazandırılabilir. 
Çalışmanın ilk aşamasında, bakır tabanlı (CuBTC) ve çinko tabanlı (ZIF-8) metal organik çerçeveler (MOF'lar) sentezlenmiştir. Ticari PU'lar ve sentezlenen MOF yapıları kullanılarak elde edilen PU-MOF nanokompozitleri transfer kaplama tekniği ile poliester kumaşlara kaplanmıştır. Hazırlanan PU-MOF kaplamalı kumaşların antibakteriyel özelliğine MOF türlerinin etkisini incelemek amacıyla antibakteriyel aktiviteleri belirlenmiştir ve ticari antibakteriyel katkı maddeleri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, PU-MOF kaplı kumaşların kopma mukavemeti, % uzama, yırtılma mukavemeti ve hızlandırılmış yaşlandırma testleri yapılarak MOF içermeyen PU kaplanmış  kumaşlar ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, sentezlenen PU-MOF nanokompozit kaplı kumaşların uygun mekanik dayanıma ve antibakteriyel özelliğe sahip olduğunu göstermiştir.
Çalışmanın ikinci aşamasında, epokside soya yağı (ESO) kullanılarak halka açılması reaksiyonu ile bitkisel yağ temelli biyopolioller sentezlenmiştir. Bitkisel yağ temelli biyopoliollerin sentezinde, halka açılması reaksiyonları farklı subsituentler ile yapılmıştır. Sentezlenen ESO esaslı biyopolioller ve petrol türevli polioller farklı oranlarda kullanılarak PU filmler hazırlanmıştır. ESO temelli biyopoliollerin ve sentezlenen PU filmlerin moleküler yapıları FTIR ve H-NMR analizleri ile karakterize edilmiştir. ESO esaslı biyopoliollerden elde edilen PU filmlerin ticari PU filmlerin yerine kullanılabilirliğini incelemek amacıyla kopma mukavemeti, % uzama, yırtılma mukavemeti ve hızlandırılmış yaşlanma testleri yapılarak mekanik özellikleri belirlenmiştir ve ticari PU'lar ile karşılaştırılmıştır. Sentezlenen ESO esaslı biyopoliollerin % 50 oranında kullanılmasıyla elde edilen PU'ların mekanik özellikleri, petrol türevli PU'ların yerine kullanılabileceğini göstermiştir. Sürdürülebilir kaynak olarak bitkisel yağdan sentezlenen biyopolioller ile üretilen PU filmlerin, petrol türevli PU'lara iyi bir alternatif olarak ikame edilebileceği anlaşılmıştır.

Abstract:
Polyurethanes are one of the largest groups in the family of polymers. PUs which have a wide range of unique properties such as durability, flexibility, biocompatibility, good abrasion resistance, high water vapor permeability, solvent resistance, and high mechanical strength; They are widely used in different fields and for various applications, such as rubber products, synthetic leather and fibers, coatings, insulation foams, automotive and aerospace components, medicine and medical products. In addition, PU have found extensive use in commercial applications such as wound dressings, surgical gowns, hospital mattresses, various medical device applications, synthetic leathers, membranes, and biomedical applications. 
Most of the raw materials for polyurethane reactions are petroleum based. Polyols and diisocyanates, which are PU raw materials, consist of petroleum-derived chemical structures. In recent years, polyurethane materials synthesized with biopolyols produced from sustainable sources such as vegetable oils instead of petroleum-derived raw materials have gained great importance. 
In the first stage of the study, copper based (CuBTC) and zinc-based (ZIF-8) metal organic frameworks (MOFs) were synthesized. PU-MOF nanocomposites obtained using commercial PUs and synthesized MOF structures were coated on polyester fabrics using the transfer coating technique. To examine the effect of MOF types on the antibacterial properties of the prepared PU-MOF coated fabrics, their antibacterial activities were determined and compared with commercial antibacterial additives. Additionally, tensile strength, % elongation, tear strength and accelerated aging tests of PU-MOF coated fabrics were compared with PU coated fabrics without MOF. The results obtained showed that the synthesized PU-MOF nanocomposite coated fabrics had appropriate mechanical strength and antibacterial properties.
In the second stage of the study, vegetable oil-based biopolyols were synthesized by ring opening reaction using epoxidized soybean oil (ESO). In the synthesis of vegetable oil-based biopolyols, ring opening reactions were carried out with different subsituents. PU films were prepared by using synthesized ESO-based biopolyols and petroleum-derived polyols in different ratios. The molecular structures of ESO-based biopolyols and synthesized PU films were characterized by FTIR and H-NMR analyses. In order to examine the usability of PU films obtained from ESO-based biopolyols instead of commercial PU films, their mechanical properties were determined by performing tensile strength, % elongation, tear strength and accelerated aging tests and compared with commercial PUs. The mechanical properties of PUs obtained by using 50% of synthesized ESO-based bio polyols have shown that they can be used instead of petroleum-derived PUs. It has been understood that PU films produced with bio polyols synthesized from vegetable oil as a sustainable source can be substituted as a good alternative to petroleum-derived PUs.