Degrade olabilen metilselüloz esaslı filmlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of degradable methylcellulose based films
Yazar: KAMİLE NAZAN TURHAN
Danışman: DOÇ.DR. FERHUNDE ŞAHBAZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1999
Konu: Gıda Mühendisliği = Food Engineering
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Film = Film ; Gıda mühendisliği = Food engineering ; Karakterizasyon = Characterization ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Metil selüloz = Methyl cellulose ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Bu araştırmada değişik formülasyonlu metilselüloz (MS) esaslı filmler üretilmiş, bunların yapısal, mekanik ve geçirgenlik özellikleri belirlenmiş ve çözünme yüzdeleri saptanmıştır. Filmler MS, su, etanol ve farklı molekül ağırlığındaki polietilen glikol (PEG) kullanılarak hazırlanmıştır. Filmlerin bileşimi oluşturulurken çözücüdeki su- etanol oranı (etanol: %0-75), MS miktarı (1.5-6 g/100 mi çözücü), PEG400 miktarı (0.11-0.88 g/g MS) değiştirilmiş ve formülasyona değişik molekül ağırlıklı PEG 1er (PEG 1450, 4000 ve 8000) eklenmiştir. Filmlerin FTIR spektrumları incelendiğinde 3466.5 cm"1 de görülen simetri bozulması MS molekülleri arasında intra ve intermoleküler hidrojen bağının varlığını göstermiştir. Simetri kayması etanol derişiminden etkilenmezken, PEG400 miktarındaki artıştan ve farklı molekül ağırlığındaki PEG lerden etkilenmiştir. Bu frekanstaki simetri kayması, MS ile PEG arasında hidrojen bağı oluşumunu gösterirken PEG un molekül ağırlığındaki artışla PEG molekülünün hidrojen bağı oluşturma kapasitesinin azaldığı görülmüştür. MS formülasyonlarının x-ışını kırınım desenleri incelendiğinde, bileşime bağlı olarak üç boyutlu düzeni gösteren keskin bir pik (26=7.6-8.0) ve küçük kristalit yapılara bağlı yayvan bir pik (29=20.0-20.8) saptanmıştır. Bu pikler MS filmlerde 29=7.9-8.4 ve 29=15.9-28.0 de görülmüştür. Yapıdaki kristalinite belirlenmiş, formülasyonlara ait kristalinite bileşime bağlı olarak %39-56, filmde ise %51-75 değerleri arasında bulunmuştur. Yönlendirme işleminin genelde filmlerdeki kristaliniteyi arttırdığı saptanmıştır. MS filmlerin yüzey morfolojisi alttan aydınlatmak polarizan mikroskobu ile incelenmiştir. Çift nikol X2.5 ve X10 büyütme ile görüntüler fotoğraflanmıştır. Çift kırma özelliği PEG içeren filmlerde görülmüş, bu filmlerdeki kristal yapılanmanın daha boyutlu olduğu saptanmış ve bunlar sferülit olarak nitelendirilmiştir. Filmlerin nem adsorpsiyon özelliklerini belirlemek amacıyla iki farklı sıcaklık (5 ve 25°C) ve beş farklı % bağıl nemde (%52-98) deneyler gravimetrik olarak gerçekleştirilmiştir. Nem miktarının sıcaklık, ortamın % bağıl nemi ve formülasyonun bileşimine bağlı olarak değiştiği görülmüştür. Nem adsorpsiyonu PEG400 varlığına ve PEG400 miktarındaki artışa bağlı olarak artmıştır.Filmlerin mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla gerilme direnci ve kopma uzaması saptanmış ve gerilme direnci 8-44 N/mm2 ve kopma yüzdesi %6-97 arasında değişmiştir. Filmlerin su buharı geçirgenliği 25°C da ve %52-0 bağıl nem aralığında gravimetrik olarak ölçülmüş ve 0.232-1. 160*10"10 g/s.m.Pa değerleri arasında saptanmıştır. Filmlerin oksijen geçirgenliği 25°C da saptanmış ve 0.04-0.92* 10"ıs mol/s.m.Pa değerleri arasında bulunmuştur. Filmin ışık geçirgenliğini ölçmek amacıyla riboflavinin ışık varlığında bozunma kinetiğini esas alan bir yöntem geliştirilmiştir. Filmlerin ışık geçirgenliği %52-96 olarak bulunmuştur. MS filmlerin mekanik ve geçirgenlik özellikleri çözücü bileşimi, plastikleştirici miktarı, PEG un molekül ağırlığı ve MS miktarına bağlı olarak değişmiştir. MS filmlerin çözünme yüzdesi karıştırmak ve karıştırmasız ortamda, 25 °C da zamanın fonksiyonu olarak hesaplanmıştır. Filmlerin çözünme yüzdeleri karıştırmalı ortamda 90 dakika için %24-96, durağan ortamda ise 8 saat için %38-85 aralığında bulunmuştur. Çözünme yüzdesi çözücü bileşimine ve PEG varlığına bağlı değişmiştir. Etanol varlığı ve ortama PEG400 eklenmesi çözünme hızında artışa neden olmuştur. PEG400 miktarında artış ve PEG molekül ağırlığındaki azalmaya bağlı olarak çözünme hızı artmıştır. ANAHTAR KELİMELER: metilselüloz film, yapısal özellikler, geçirgenlik özellikleri, mekanik özellikler, adsorpsiyon, çözünme

Abstract:
In this research, methylcellulose (MC) based films with various formulations were produced and their structural and mechanical properties, permeabilities and solubilities were investigated. The films were produced by using MC, water, ethanol and polyethylene glycol (PEG) with different molecular weights. The film solutions were prepared by using different proportions of water and ethanol (ethanol: 0-75 %), different amounts of MC (1.5-6 g/100 ml solvent) and PEG400 (0.11-0.88 g/g MC), and PEG (MW=1450, 4000 and 8000) were added into the formulation. FTIR spectrum of the films at 3466.5 cm"1 exhibited symmetry distortion pointing existence of inter- and intra-molecular hydrogen bonds between MC molecules. While the ethanol concentration did not affect the symmetry distortion, it was influenced by both the amount of PEG400 as well as the its molecular weight. The symmetry distortion at the given frequency showed the formation of hydrogen bonds between MC and PEG, and also the decreasing hydrogen bond formation capability of PEG molecule with increasing molecular weight. X-ray diffraction patterns of MC formulations displayed two peaks depending on the formulation, namely a sharp peak due to three dimensional structures (26=7.6-8.0) and a broad peak due to the small crystallite structure (29=20.0-20.8). These peaks were obtained at 29=7.9-8.4 and 29=15.9-28.0 for the MC films. The crystallinities of the formulations and films were in the range of 39-56 % and 51-75 % respectively. In general orientation increased the crystallinity. Surface morphology of MC films were investigated through polarized microscopy. Images were taken at magnifications of 2.5X and 10X. Birefringence was observed in PEG including films. The size of crystals in the PEG including films were observed to be larger, compared to the others and they were considered to be spherulites. Moisture adsorption properties of films were determined gravimetrically at two temperatures (5 and 25°C) and five relative humidities (52-98 %). Temperature, relative humidity and the formulation affected moisture content of the films. The moisture adsorption increased with increasing amount of PEG400.VI Mechanical properties of the films were evaluated through tensile strength and elongation. The tensile strength and elongation were in the range of 15-44 N/mm2 and 11-97 %, respectively. Water vapour permeability of the films was gravimetrically determined at 25°C and 52-0 % RH and found to be between 0.232 and 1.160*10"10 g/s.m.Pa. Oxygen permeability of the films was measured at 25°C and determined to be 0.04-0.92* 10"15 mol/s.m.Pa. A method based on photodecomposition kinetics of riboflavin was developed to determine the light permeability of the films. The light permeability was obtained between 52 and 96 %. Mechanical properties and permeability of the films were affected by solvent composition, amount of plasticizer, molecular weight of PEG and amount of MC. Solubility of MC films were estimated as a function of time at 25°C in stirred and stagnant mediums. The solubility was found between to be 24 and 96 % in the stirred medium for 90 min and between 38 and 85 % in the stagnant medium for 8 h. The solubility was affected by composition of the solvent and presence of PEG such that the addition of PEG increased the solution rate. The solution rate increased as the amount of PEG increased and the molecular weight of PEG decreased. KEY WORDS: methylcellulose film, structural properties, permeability properties, mechanical properties, adsorption, solubility