Kitosan poliakrilonitril/sepiyolit nanokompozitlerinin eldesi ve elyaf özelliklerinin araştırılması
Nanocomposite synthesis of chitosan polyacrylonitrile/sepiolite and investigation of fiber properties
Yazar: ELİF AKŞİT
Danışman: DOÇ. DR. NESRİN KÖKEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Akrilik elyaf = Acrylic fiber ; Akrilonitril = Acrylonitrile ; Biyopolimerler = Biopolymers ; Elyaf = Fibre ; Kitosan = Chitosan ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Nanolif = Nanofiber ; Poliakrilonitril = Polyacrylonitrile ; Polimerler = Polymers ; Sepiyolit = Sepiolite

Özet:
Polimerik malzemeler insan hayatının her alanında yer alan oldukça kullanışlı malzemelerdir. Diğer malzemelerle karşılaştırıldığında hafiflik, yüksek mekanik özellik, kolay işlenebilme gibi pek çok avantaja sahip olmaları onları tercih edilir kılmaktadır. Günümüzün en büyük sorunlarından biri petrol kaynaklı malzemelerin çevreye verdiği zararlardır. Petrol bazlı olan plastik gibi malzemelerin doğaya olan zararlarını azaltmak için doğada kolay çözünen biyolojik bazlı polimerler üzerine birçok çalışma yapılmaktadır. 

Doğada selülozdan sonra en fazla bulunan biyopolimer kitindir. Kitin kabuklu canlıların dış iskeletinde ve mantarların hücre duvarında bulunmaktadır. Kitinin deasetillenmesiyle oluşan kitosan, β-(1–4) bağlı D-glukozamin ünitelerinden oluşan lineer bir polisakkarittir. Kimyasal modifikasyonlar için aktif hidroksil ve amin gruplarına sahiptir. Kitosanın biyouyumlu olması, vücut bileşenlerine kolaylıkla biyobozunabilmesi, toksik özellik göstermemesi, hemostatik olması ve bakteri, mantar ve virüslere karşı antimikrobiyal etki göstermesi nedeniyle gıdadan kozmetiğe, biyomedikalden tekstile olmak üzere çeşitli birçok endüstriyel alanda kullanılmaktadır. 

Son yıllarda antibakteriyel veya aleve dayanıklı malzemeler tekstil endüstrisinde önemli bir yer kaplamaktadır. Akrilik elyaflar tekstil endüstrisinde en çok kullanılan elyaf türüdür. Dünyada artan yün ihtiyacını karşılamak amacıyla yapılan araştırmalar sonucu bulunan akrilik elyaf, yüne benzeyen doğal his vermesi, kolayca yıkanabilme, güneş ışığına ve kimyasallara karşı dayanıklı olma gibi özelliklere sahip olmasından dolayı çok fazla tercih edilmektedir. %100 akrilonitrilin polimerizasyonu ile homopolimer olarak üretilen ilk akrilik elyaf, sert ve kırılgan olması, boyanmasının zor olması gibi sebeplerden dolayı ikinci bir monomer ile karıştırılarak, kopolimere dönüştürülerek tekstilde kullanıma uygun hale getirilmiştir. Akrilonitril monomeri ve komonomerinden oluşan akrilik elyaf, nanoelyaf olarak da üretilmektedir.
Sepiyolit yeryüzünde yaygın bulunan maddelerden olan killerin bir sınıfıdır. Si12Mg8O30(OH)4(H2O)4.8H2O kimyasal yapısında magnezyum silikattır. Lifsi bir yapı ve lif boyunca devam eden kanal boşluklarına sahiptir. Yapısı itibariyle son derece yüksek bir sorpsiyon özelliğine sahip yanmaz bir malzemedir.

Son zamanlarda nano boyutlu malzemeler üzerinde, geniş ve aktif yüzey alanı gibi birçok avantaja sahip olmaları nedeniyle araştırılmalar yapılmaktadır. Nano boyutlu malzemelerden nanoelyaflar; diğer nanomalzemelere kıyasla üretim işlemlerinde kolaylık ve sahip oldukları özellikler nedeniyle sanayide geniş çapta uygulama alanı bulmaktadır. Elektrospinning işlemi kurulum kolaylığı ve düşük maliyeti ile çok kısa sürede nanoelyaf üretmek için en kullanışlı yöntemdir.

Bu çalışmada öncelikle poliakrilonitril homopolimeri, kitosan/poliakrilonitril kopolimerleri, poliakrilonitril/sepiyolit nanokompozitleri ve kitosan/poliakrilonitril/ sepiyolit nanokompozitleri sentezlenmiştir. Sentezlenen polimer ve nanokompozitler Fourier Transform Infrared Spectrometre (FTIR), Termogravimetrik Analiz (TGA) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) yöntemleri ile karakterize edilmişlerdir. Viskozite ölçümleri ve su absorpsiyon testleri yapılmıştır. Sepiyolit ve kitosan içeriklerinin nanokompozite etkileri bu analiz yöntemleriyle incelenmiştir. DSC sonuçlarına göre kopolimer ve nanokompozitin homopolimere göre daha düşük bozunma sıcaklığına sahip olduğuğu görülmektedir. Kitosan ve sepiyolit termal dayanımı arttırmıştır. TGA sonuçlarına göre kopolimer ve nanokompozitlerin homopolimerden daha fazla termal dayanıma sahip olduğu görülmüştür. Su absorpsiyon testine göre poliakrilonitril homopolimeri ile kıyaslandığında kitosan ve sepiyolit eklenmesiyle su absorpsiyon kapasitesinin arttığı görülmüştür. Poliakrilonitril homopolimeri, kitosan/poliakrilonitril kopolimerleri, poliakrilonitril/ sepiyolit nanokompozitleri ve kitosan/poliakrilonitril/sepiyolit nanokompozitlerinin DMF ile uygun çözelti şartları sağlanarak elektrospinning yöntemi ile nanoelyaf eldesi gerçekleştirilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile elde edilen nanoliflerin morfolojik özellikleri incelenmiştir.

Abstract:
Polymeric materials are very important for human's life. They are very useful, and used in every part of human's life. If they are compared with another materials, they have many advantages in terms of lightness, mechanical properties, and easy workability. Because of the these advantages, they are preferred by people a lot. One of the serious problem of the world is fossil fuels. Fossil fuels are very dangerous for today's world. In order to decrease the dangerous effect of the fossil fuels, people tend to different areas like based on biological polymers. Biological polymers are soluble in environment, biodegradable, biocompatible and mostly nontoxic, so it is a new trend among the people.

In the world, cellulose is the most found biopolymer. If cellulose is not counted, chitin is also the most found in the world in terms of biopolymers. Chitins can be found in the outer skeleton of insects, crab, shrimp, lobster and in the cell wall of fungi's and the other biological materials. Chitosan is a linear polysaccharide that is formed by chemical or enzymatic deacetylation of chitin. Chitosan has units of β- (1–4)-linked D-glucosamine and a little N-acetyl-D-glucosamine. Chitosan have active hydroxyl, and amine groups for chemical modifications. Chitosan is insoluble in most organic solvents, it is readily soluble in dilute acidic solutions. It contains primary amino groups with a pKa value of 6.3.  At low pH, these amines are protonated and become positively charged. It makes chitosan a cationic polyelectrolyte. On account of the fact that chitosan is biocompatible, easy to biosoluble, not having toxical properties, hemostatic, and antibacterial against bacterias, fungis and viruses, they are used in a great deal of fields. They are used in food, cosmetics, biomedical, and textile industries. Chitosan and its derivatives exhibit large spectrum of antimicrobial activity. So, chitosan-based materials are used as antimicrobial agents for the coating of different surfaces to prevent or eliminate microbial infections. Antimicrobial coatings inhibit the growth of microorganisms on a variety of high-touch surfaces such as medical devices, toys, gloves, textiles, among many others.

Polyacrylonitrile and copolymers of polyacrylonitrile have been widely studied for almost a century. Acrylic copolymers are used in a wide range of polymeric materials.  They are applied in various applications; such as in biomedical, adhesives, and textile industry. In the last decades, antibacterial, and flame-proof materials are widely used in the textile industry. Even though there are many fibers used in the textile industry, acrylic fibers are commonly preferred fiber. Day by day, need of fibers increase, so people made many explorations related the fibers, and they explored the acrylic fibers. As a result of the fact that they are easily washable, feeling like natural, and resistant to chemicals, and sunlight, they are one of the important preference of the people. These are the advantages of the acrylic fibers. Polyacrylonitrile (PAN) is one of the most prefered fiber-forming polymer. Its physical and chemical properties enable that it is applied in textile industry. When the first acrylic fiber as homopolymer by the polymerization of %100 acrylonitrile was made, it had some negative properties like hard, brittle, and difficulties of dying. In order to eliminate these negative effects, the acrylic fiber was mixed with another monomer, and was transformed to copolymer. In these days, acrylic fibers are made from monomers which contain 85% by mass acrylonitrile. It enables the acrylic fiber to be commonly used in textile industry. In addition to these properties, acrylonitrile monomer and comonomer acrylic fiber are also produced as nano fiber.

Sepiolites are clay minerals which are one of the common materials on earth. Clays which contain goethite, manganese oxide, hematite, zeolite can be found in many areas of the world. For decades, they have been used for catalytic applications because of their high surface area, sorptive and ion-exchange properties. Sepiolite mineral is a microcrystalline hydrated magnesium silicate. It contains Si12Mg8O30(OH)4(H2O)4.8H2O formula in its chemical structure. It has fibrous structure, and it has continuous channel gaps within the material. There are two tetrahedral silica layers, and central magnesium oxide layer. Cross-section of tunnels has 1.1x0.4nm2 dimension. On account of the fact that it has a special structure, it is non-flammable, and it has a high sorption property. Its application areas are filters, pesticides, adsorbents, decolorization and clarification systems.

When polymer layered silicate nanocomposites and pure polymer, conventional microcomposites and macrocomposites are compared, polymer layered silicate nanocomposites highlight because of the fact that they have improved properties. Improvements of properties polymer layered silicates consist of increased strength, high moduli, gas permeability, heat resistance and decreased flammability. Polymer layered silicates have two significant characteristic properties. One of them is that silicate particles disperse into single layers. Second ability is that in the ion exchange reactions with organic and inorganic cations, they well-match their surface chemistry  through the these exchange reactions.