Modifiye edilmiş çift tabakalı magnezyum-alüminyum hidroksit takviyeli nişasta bazlı biyopolimer nanokompozitlerin incelenmesi
Investigation of starch-based biopolymer nanocomposites reinforced with modified magnesium-aluminum layered double hydroxide
Yazar: SEMİHA MURAT
Danışman: DOÇ. DR. EMEL AKYOL ; PROF. DR. MEHMET SAYIP EROĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Termoplastik nişasta (TPS), nişastanın genellikle su ve/veya gliserol gibi plastikleştiricilerin varlığında yüksek sıcaklıklarda işlenmesi ile elde edilen bir malzemedir. Uygulanan ısıl işlemler nişastayı yarı kristal granülden homojen amorf bir polimerik malzemeye dönüştürür. Doğal polimerlerin en büyük sorunlarından biri, yüksek su geçirgenliği ve suyla temas ettiklerinde şişme eğilimidir. Bu durum nişasta bazlı polimerin mekanik özelliklerinde önemli kayıplara yol açar ve doğrudan kullanımını zorlaştırır.   Özellikle nişasta ve kilin nanokompozit malzeme olarak bileşimi, yeni mühendislik malzemeleri geliştirmede önemli bir potansiyel taşır. Bu potansiyel tek kullanımlık plastik ürünlerin aşırı kullanımının neden olduğu çevresel sorunların çözümüne de katkı sağlar. 
Bu tez çalışması kapsamında, formamid ile modifiye edilmiş çift tabakalı magnezyum-alüminyum hidroksit (MgAl LDH) nanodolgularının, termoplastik nişasta (TPS) matrisinin özelliklerindeki iyileştirmelerdeki rolü araştırılmaktadır. MgAl LDH nanodolguları (Mg/Al mol oranı 3:1) birlikte çöktürme yöntemiyle sentezlenmiş ve nişasta matrisi içindeki dağılımı ve etkileşimi iyileştirmek amacıyla formamid ile modifiye edilmiştir (MgAl-F LDH). MgAl-F LDH nanodolgusunun TPS matrisinde homojen dağılımı çift vidalı ekstrüzyon ile sağlanmıştır. Çekme testi, su temas açısı ölçümü, FTIR, XRD, SEM, TEM ve TGA/DTG gibi çeşitli karakterizasyon teknikleri kullanılarak hem dolguların hem de elde edilen nanokompozit filmlerin özellikleri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir.
Bulgular, modifiye edilmiş MgAl-F LDH nanoparçacıklarının ortalama büyüklüğünün yaklaşık 48 nm olduğunu ve modifiye edilmemiş MgAl LDH'ye (ortalama büyüklük ~50 nm) kıyasla daha düşük kristaliniteye sahip olduğunu göstermiştir. MgAl-F LDH'nin eklenmesi, TPS filmlerinin termal kararlılığını ve hidrofobikliğini önemli ölçüde arttırırken, çekme mukavemetinde ise bir azalma gözlenmiştir. Bu bulgular, MgAl LDH'nin formamid ile modifikasyonunun TPS kompozitlerinin özelliklerini optimize etmede önemli bir rol oynayabileceğini ve bu sayede ambalaj ve biyobozunur malzemeler gibi alanlarda potansiyel uygulamalarını genişletebileceğini önermektedir.
Anahtar Kelimeler: Termoplastik nişasta (TPS), biyopolimer, magnezyum-alüminyum çift tabakalı hidroksitler (MgAI LDH), nanokompozit, formamid.

Abstract:
Thermoplastic starch (TPS) is a material obtained by processing starch at high temperatures, typically in the presence of plasticizers such as water and/or glycerol. The applied heat treatments transform starch from a semi-crystalline granule into a homogeneous amorphous polymeric material. One of the major issues with natural polymers is their high water permeability and tendency to swell upon contact with water. This results in significant losses in the mechanical properties of starch-based polymers, making their direct use challenging. In particular, the combination of starch and clay as nanocomposite materials holds significant potential for developing new engineering materials. This potential also contributes to addressing environmental issues caused by the excessive use of single-use plastic products.
As part of this thesis study, the role of formamide-modified magnesium-aluminum layered double hydroxide (MgAl LDH) nanofillers in improving the properties of a thermoplastic starch (TPS) matrix is investigated. MgAl LDH nanofillers (with a Mg/Al molar ratio of 3:1) were synthesized via co-precipitation and subsequently modified with formamide (MgAl-F LDH) to enhance dispersion and interaction within the starch matrix. The homogeneous dispersion of MgAl-F LDH nanofillers within the TPS matrix was achieved using twin-screw extrusion. Various characterization techniques, such as tensile testing, water contact angle measurement, FTIR, XRD, SEM, TEM, and TGA/DTG, were employed to comprehensively examine the properties of both the fillers and the resulting nanocomposite films.
The findings indicated that the modified MgAl-F LDH nanoparticles exhibited an average size of approximately 48 nm, with lower crystallinity compared to unmodified MgAl LDH (average size ~50 nm). The incorporation of MgAl-F LDH significantly enhanced the thermal stability and hydrophobicity of the TPS films, although a reduction in tensile strength was observed. These findings suggest that formamide modification of MgAl LDH can play a crucial role in optimizing the properties of TPS composites, thereby potentially expanding their applications in fields such as packaging and biodegradable materials.
Keywords: Thermoplastic starch (TPS), biopolymer, magnesium-aluminum layered double hydroxide (MgAl LDH), nanocomposite, formamide.