Bariyer uygulamaları için biyopolimer nanokompozitlerin geliştirilmesi
Development of biopolymer nanocomposites for gas barrier aplications
Yazar: MELİKE ŞATIROĞLU
Danışman: PROF. DR. MUALLA ÖNER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Plastik endüstrisi, son yıllarda petrol kaynaklı ürünlerin yarattığı sorunları çözmek için alternatif hammadde kaynakları aramaya başlamış, doğal, yenilenebilir çözümler bu noktada ilgi görmüştür. Bu eğilim, çevresel kirliliğin azalmasına büyük bir fayda sağladığı gibi fosil yakıtlara bağımlılığın da azalmasına katkıda bulunmaktadır. Geri dönüşümlü çevre dostu malzemelerin büyük yararlarından ve geniş uygulama yelpazesinden dolayı birçok araştırma grubu biyoplastiğin özelliklerini geliştirmeye çalışmaktadır. Biyo-polimerler yenilenebilir kaynaklardan elde edildiğinden ambalajlama, tarım, tıp uygulamalarında kullanılan petrol esaslı polimerlere kıyasla pek çok avantaja sahiplerdir. Bu polimerlerin endüstriyel kullanımını geliştirmek amacıyla biyo-polimerlerden ve nano dolgu malzemelerinden oluşan yeni bir nano-yapılandırılmış malzeme sınıfı olan biyopolimer nanokompozitleri ortaya çıkmıştır. Üretilen biyo-nanokompozitlerin birincil uygulama hedefleri, ambalaj ve kaplama uygulamaları için kullanılan petrokimyasal polimerlerin yerini almasıdır.  
Bu çalışmada polihidroksibutirat-ko-valerat (PHBV) bazlı nanobiyokompozitler (PHBV / BN) hekzagonal bor nitürün çeşitli yüzdeleri ile eriyik karıştırma yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. PHBV'nin gaz bariyeri özelliklerini iyileştirmek için farklı şekil, boyut ve yüzey alanlarına sahip üç farklı bor nitrür parçacığı kullanılmıştır. Bu çalışmanın amacı, eksfoliye edilmiş bor nitrür parçacıklarının PHBV/BN nanokompozitlerinin gaz bariyer özellikleri üzerindeki etkilerini tanımlamak ve karakterize etmektir. Kompozit üretiminden önce h-BN'yi eksfoliye etmek için çeşitli yöntemler uygulanmıştır ve bor nitrür parçacıkları SEM, NanoS ve partikül boyutu analizi kullanılarak ile karakterize edilmiştir. 2D bor nitrür nano plakalarının üretilmesi için izoproponal-su karışımı kullanılarak sıvı fazda eksfoliasyonun en uygun yöntem olduğu bulunmuştur. Silan bağlama ajanı PHBV'nin BN ile etkileşiminin geliştirilmesi için kullanılmıştır. Hazırlanan biyo-nanokompozit XRD, FTIR, SEM ile karakterize edilmiştir. Kompozitlerin gaz geçirgenliği ve mekanik özellikleri ölçülmüştür. Sonuçlar, kompozitlerin bariyer özelliklerini arttırmada eksfoliye edilen ve silanlanan plaka yapılı BN (PHPP325B)'in, silanlı hekzagonal yapılı BN (Bortek) 'ten daha iyi olduğunu göstermiştir. En iyi bariyer özelliği, ağırlıkça % 0.5 PHPP325B içeren nanokompozit numunesi için elde edilmiş; saf PHBV 'ye kıyasla, oksijen gaz geçirgenliğinde % 28.3'lük bir azalma elde edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Biyo-polimer, polihidroksialkanoat(PHA), PHBV, h-BN (hekzagonal bor nitrür), gaz bariyer özellikleri.

Abstract:
In recent years, the plastics industry has started to look for alternative raw material sources to solve the environmental the problems created by petroleum-based products, and natural, renewable solutions have attracted attention at this point. This trend has contributed greatly to the reduction of environmental pollution as well as to the reduction of dependence on fossil fuels.
Many research groups are trying to improve the properties of bioplastic because of the great benefits of recyclable eco-friendly materials and a wide range of applications.  As bio-polymers are obtained from renewable sources, they have many advantages over petroleum-based polymers used in packaging, agriculture, medical applications. Biopolymer nanocomposites, a new class of nano-structured materials consisting of bio-polymers and nano-filling materials, have emerged to improve the industrial use of these polymers. The primary application targets of the produced bio-nanocomposites are to incorporate the petrochemical polymers used for packaging and coating applications.
In this study,  polyhydroxybutyrate-co-valerate (PHBV)  based nanobiocomposites (PHBV/BN) were prepared with the incorporation of the various percentage of hexagonal  boron nitride (h-BN) by using melt blending method. Three boron nitride particles of different shapes,sizes and surface area were used to improve the gas barrier properties of PHBV. It is the objective of this study to identify and characterize the effects of the exfoliated boron nitride nanoplatelets on gas barrier properties of PHBV/BN nanocomposites. Several methods were performed to exfoliate h-BN prior to composite production, and the powders were characterized by SEM, NanoS and particle size analysis. It was found that the most appropriate method for producing 2D boron nitride nanosheets was liquid phase exfoliation by using isoproponal-water mixture. The silane coupling agent was used to improve the bonding of PHBV with BN. The prepared bio-nanocomposites were characterized by XRD, FTIR, SEM. The gas permeability and mechanical properties of the prepared composites were measured. The results demonstrate that barrier properties of the composites were found to increase more for the silanized exfoliated flake type BN (PHPP325B) compared to silanized hexagonal disk type BN (Bortek). The best barrier properties are obtained for the nanocomposite sample containing 0.5% wt, PHPP325B, for which a reduction of oxygen permeability up to 28.3% was observed in comparison to the neat PHBV.
Key words: Bio-polymer, polyhydroxyalkanoate (PHA), PHBV, h-BN (hexagonal boron nitride), gas barrier properties.