Ayçiçeği saplarından bazı nanoselüloz türevlerinin üretimi, karakterizasyonu ve farklı uygulama alanlarında değerlendirilmesi
Production and characterization of some nanocellulose derivatives from sunflower stalks and their evaluation in different application areas
Yazar: EKREM DURMAZ
Danışman: PROF. DR. SAİM ATEŞ
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products ; Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Toplumsal çevre bilincinin artmasıyla birlikte, yenilenebilir doğal kaynaklardan selüloz esaslı nanomalzemelerin üretimine olan ilgi de hızla artmaktadır. Nanoselülozik parçacıklar, toplumumuzun mevcut çevresel ve sürdürülebilirlik endişelerini giderebilecek yüksek performanslı özel malzemelerin tasarımının yolunu açmaktadır. Biyo-esaslı nanomalzeme olarak adlandırılan bu yeni nesil ürünlerin, petrol fiyatlarındaki dalgalanmalar, petrol ve türevleri gibi fosil kaynakların sınırlı olması ve bu ürünlerin yoğun miktarda sera gazına sebep olmalarından ötürü geleneksel petrol esaslı malzemelerin yerini alacağı inancı, bu konuda yapılan küresel çaptaki araştırmaları tetikleyen unsurdur.
Bu tez kapsamında ülkemizde önemli miktarda açığa çıkan, ancak yakılma, tarlada bırakma vb. dışında endüstriyel anlamda hiçbir şekilde yararlanılamayan ayçiçeği sapları hammadde olarak kullanılmıştır. Atık ayçiçeği saplarından literatürdeki optimum şartlar göz önünde bulundurularak mekanik yöntemle nanofibril selüloz (NFS) ve kimyasal yöntemle nanokristalin selüloz (NKS) üretimleri gerçekleştirilmiştir. NFS üretimi sırasında yapılan öğütme işlemi kademelerinde tüketilen enerji miktarlarının yanı sıra, hem NFS ve hem de NKS örneklerinin türbidite ve zeta potansiyel değerleri, gelişmiş lif morfolojisi analizleri, kristalinite ve termal analizler ile birlikte, elde edilen NKS ve NFS'lerde var olan bağ yapıları da hammadde ve ağartılmış lif örnekleri ile karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir.  
NKS ve NFS'ler farklı oranlarda borik asit (BA) ve polivinil alkol (PVA) matrisleri ile karıştırılarak nanokompozit filmler üretilmiş ve bu nanokompozit filmlerin bağ yapıları, ısıl özellikleri ve mekanik özelliklerindeki değişimler belirlenmiş ve karşılaştırılmıştır. BA takviyeli nanokompozit filmlerin bağ özellikleri incelendiğinde, NFS ve NKS liflerinin BA ile etkileşimlerini yansıtan karakteristik B–O–B, B–O–C vb. bağlar tespit edilmiştir. PVA oranlarındaki değişimin ise nanokompozit filmlerin bağ yapılarını çok fazla etkilemediği ortaya konulmuştur. NFS ve NKS süspansiyonlarına BA ilavesinin, nanokompozit filmlerin yüksek sıcaklıklardaki ısıl dayanımlarını %25 – %40 arasında iyileştirdiği görülmüştür. NFS ve NKS süspansiyonlarına farklı oranlarda PVA ilavesi ise BA'nın aksine nanokompozit filmlerin ısıl özelliklerini %10 – %15 arasında düşürmüştür. Nanokompozit filmlerin mekanik özelliklerine bakıldığında, hem NKS hem de NFS filmlerine BA ilavesinin bu filmlerin çekme dirençlerini %90'a kadar azalttığı tespit edilmiştir. NFS ve NKS filmlerinin elastikiyet modülleri bu filmlere ilave edilen PVA ya da BA matrislerinin oranlarının artmasıyla birlikte %15 – %90 arasında değişen oranlarda azalma göstermiştir. NFS ve NKS filmlerine yapılan PVA ilavesi bu nanokompozitlerin kopma anındaki uzamalarını arttırırken, BA ilavesi ise azaltmıştır. Nanoselüloz süspansiyonları ile kaplanmış ahşap yüzeylerin aynasal yansıtma değerleri, nanoselüloz türü, matris türü ve kaplama tabaka sayısına bağlı olarak farklılıklar göstermekle birlikte kaplanmış kontrplak yüzeylerinin genel olarak düşük (10 GU'dan az) ve orta (10 – 70 GU arası) aynasal yansıtma özelliklerine sahip oldukları tespit edilmiştir. Kontrplak yüzeylerinin sertlik testi sonuçları incelendiğinde, NFS ve NKS süspansiyonları ile yapılan kaplamalarda sıvama kat sayısındaki artışın, nano partikül içeren süspansiyon içerisine farklı matrislerin ilavesinin ve MF tutkalı ilavesinin, yüzeylerin sertlik değerlerini en yüksek seviyeye kadar (7H) yükselttiği görülmüştür. Su temas açısı deneyi sonuçlarına göre, NFS ve NKS süspansiyonlarına farklı konsantrasyonlarda BA, PVA ve MF ilavesinin, bu nano-partiküllerle kaplanmış kontrplakların yüzey hidrofobikliğini azaltarak temas açılarını düşürdüğü tespit edilmiştir. 
NFS ve NKS süspansiyonları atık oluklu mukavva, gazete kağıdı ve ofis kağıdı hamurlarından üretilen geri dönüşüm kağıtlarının içerisine farklı oranlarda katılmış, diğer taraftan nano partikül içeren bu süspansiyonlar düşük gramajlı ağartılmamış kraft kağıtlarının kaplanmasında kullanılmışlardır. Kağıtlara ilave edilen NFS ve NKS süspansiyonlarının oranının ve uygulanan kaplama işlemindeki tabaka sayısının artmasıyla, kaplama işlemi yapılmış kraft kağıtlarının ve atık kağıt hamurlarından üretilmiş geri dönüşüm kağıtlarının gramajlarının %1 – %15 ve kalınlıklarının ise %5 – %35 arasında arttığı tespit edilmiştir. Kaplanmış kraft kağıtlarının mekanik özelliklerinin nanoselüloz süspansiyonu ile sıvanması sonrasında istatistiksel olarak önemli bir gelişme sağlamadığı, atık kağıt hamurlarına NFS süspansiyonu ilavesiyle üretilen geri dönüşüm kağıtlarının mekanik özelliklerinin iyileştiği, ancak NKS süspansiyonu ilavesinde ise geri dönüşüm kağıtlarının mekanik özelliklerinin benzer değerlerde seyrettiği tespit edilmiştir. Gazete kağıdı ve oluklu mukavva hamurlarına ilave edilen NFS süspansiyonun üretilen kağıtların su absorpsiyon özelliklerini %3 – %18 arasında geliştirdiği, NKS süspansiyonu ilavesinin ise düşürdüğü saptanmıştır. Kaplanmış kağıtlarda ise uygulanan tabaka sayısının artmasıyla su absorpsiyon değerlerinin arttığı tespit edilmiştir. Kağıtların porozite özelliklerinin hem NFS süspansiyonu ilavesinde hem de NFS süspansiyonu ile yapılan kaplama işleminde ileri bir seviyeye ulaştığı gözlenmiştir. Yapılan nano partikül takviyesinin ve bunlarla yapılan kaplama işlemlerinin ise optik özellikleri etkilemediği görülmüştür. 
Elde edilen sonuçlar literatürdeki çalışmalar ile kıyaslanarak, önemli bir tarımsal atık olan ayçiçeği saplarından elde edilen biyo-esaslı nanoselüloz partiküllerinin endüstriyel ölçekte üretim olanakları incelenmiş ve bu yeni nesil nano malzemelerin kompozit filmlerde, ahşap yüzeylerde, kağıt esaslı ürünlerin yüzeylerinde ve üretimlerinde çevre dostu bir ajan olarak görev alabilecekleri ortaya konulmuştur. Böylelikle kullanım alanları kısıtlı olan yıllık bitki ve tarımsal atıkların nanoselüloz üretiminde değerlendirilmesi teşvik edilerek, hem bu atıklardan faydalanmanın bir yolu bulunmuş, hem de son derece değerli bir ürün olan odun hammaddesinin nanoselüloz üretiminde kullanımının da önüne geçilmesi amaçlanmıştır.

Abstract:
With the increase in social environmental consciousness, the interest to the production of cellulose-based nanomaterials from renewable natural resources has rapidly increased. Nanocellulosic particles allow the design of special materials with high performance that can eliminate present environmental and sustainability problems. Increasing interest for this kind of new generation products, which are called bio-based nanomaterials, will replace traditional petroleum-based materials due to fluctuations in oil prices and limited resources.
Within the scope of this thesis, sunflower stalk, produced with significant amounts in Turkey, were used as raw material. This lignocellulosic raw material potential could not be used effectively in any way as industrially except for burning, leaving in the field, etc. Considering the optimum conditions in the literature, nanofibrillated cellulose (CNFs) was produced via mechanical method and nanocrystalline cellulose (CNCs) was obtained by chemical method from waste sunflower stalks. In addition to the amount of energy consumed in the grinding process stages during CNF production, turbidity, zeta potential, advanced fiber morphology analyzes, crystallinity, thermal and chemical reactive groups of both CNF and CNC samples were determined. Also some results for nanocellulose samples were analyzed comparatively both raw material and bleached fiber. 
Nanocomposite films were produced by mixing CNCs and CNFs with different amounts of boric acid (BA) and polyvinyl alcohol (PVA) as matrix, and the changes in chemical bond structures, thermal properties and mechanical properties of these nanocomposite films were compared each other. When chemical reactive groups of nanocomposite films reinforced with BA were examined and characteristic B–O–B, B–O–C ether bonds reflected the interactions between CNFs and CNCs with BA. Changing in PVA ratios did not affect the chemical bond structures of nanocomposite films. It was observed that the addition of BA to CNF and CNC suspensions improved the thermal resistance of nanocomposite films at high temperatures between 25% and 40%. The addition of PVA at different ratios to CNF and CNC suspensions reduced the thermal properties of nanocomposite films between 10% – 15%, in contrary to BA. Considering the mechanical properties of nanocomposite films, it was determined that the addition of BA to both CNC and CNF films decreased the tensile strength of these film samples up to 90%. The elasticity modulus of CNF and CNC film samples decreased between 15% to 90% with increasing the ratios of PVA or BA matrixes. Addition of PVA to pure CNF and CNC composite films increased the elongation at break of these nanocomposites, whereas addition of BA decreased it. In addition the gloss values of plywood surfaces coated with nanocellulose suspensions changed depending on the nanocellulose type, matrix type and number of coating layers, it was determined that the coated plywood surfaces had low (less than 10 GU) and medium (between 10 – 70 GU) gloss properties. When the surface hardness test results of the plywood were examined, it was seen that the increase in the number of coating layers using with CNF and CNC suspensions, the addition of different matrixes increased the pencil hardness values of the plywoods to the maximum level (7H). It was determined that the addition of BA, PVA and MF with different concentrations to the CNF and CNC suspensions reduced the contact angles of the plywoods coated with these nanoparticles by decreasing the surface hydrophobicity.
CNF and CNC suspensions, added to the recycling papers produced from waste corrugated cardboard, newsprint and office paper pulps in different proportions, were also used in the coating of unbleached kraft papers. It was determined that the weights in unit area of the coated kraft papers and the recycled papers produced from waste pulps increased between 1% – 15% and the thickness increased between 5% – 35% with the increase in the ratio of CNF and CNC suspensions added to the papers and the number of layers in the applied coating process. It was determined that the mechanical properties of the coated papers did not show a statistically significant improvement after coating with nanocellulose suspension, the mechanical properties of the recycled papers produced by adding CNF suspension to the waste pulps were improved as a result of the statistical analyzes. Besides, the mechanical properties of the recycled papers remained at similar values with the addition of CNC suspension. It was determined that CNF suspension, added to newsprint and corrugated cardboard pulps, improved the water absorption properties of the produced papers between 3% and 18%, while the addition of CNC suspension decreased it. It was determined that the water absorption values increased with the increase in the number of layers applied in the coated papers. It was observed that the porosity properties of the paper samples increased too much with adding CNF suspension and vanished in the coating process with CNF suspension. It was seen that the nanoparticle reinforcement and the coating processes made with them did not affect the optical properties statistically.   
According to the results, industrial scale production possibilities of bio-based nanocellulose particles obtained from sunflower stalks, important agricultural waste, can be used as a new generation eco-friendly nanomaterials in production of composite films, covering of wooden surfaces, coating and recycling of waste paper. Thus, by encouraging the use of annual plant and agricultural wastes, which have limited usage areas, in nanocellulose production, both a way to benefit from these wastes was found and it was aimed to prevent the use of wood raw material. Consequently, some lignocellulosic raw materials like sunflower stalks can be evaluated with production for value added nano-products industrially.