Şeker pancarı atığından geri kazanılan selülozun biyokompozit olarak değerlendirilmesi
Evaluation of cellulose recovered from sugar beet bagasse as biocomposite
Yazar: EMİNE EVKAYA
Danışman: PROF. DR. OYA ATICI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Şeker endüstrisinde şeker üretimi sonucunda atık olarak açığa çıkan küspe, içerisinde selüloz, hemiselüloz, lignin gibi önemli lifli maddeler bulundurur. Selüloz; doğal, lineer homopolisakkarit olup D-glukoz birimlerinin β-1,4 bağlanmasıyla oluşur. Hemiselüloz ve ligninle birlikte bitkilerin hücre duvarında bulunur. Bu bileşenlerden alkali peroksit ortamda izole edilebilir. Selüloz; hidrofilik, kimyasallara karşı kararlı, biyobozunur olması gibi özellikleri sayesinde; kağıt, gıda, ilaç, boya gibi endüstride birçok alanda kullanılmaktadır.
Polimerik malzemeler son yıllarda cam ve metal gibi malzemelerin yerini almaya başlamıştır. Fakat, çoğunlukla petrol temelli monomerlerden üretilen polimerlerin doğada uzun yıllar parçalanmadan kalması, doğayı ve insan sağlığını olumsuz etkilemektedir. Petrol temellli üretilen monomerlerin doğal fiberlerle yapılarının birleştirilmesi, bu soruna çözüm sunabilmektedir. Redoks polimerizasyonuyla birçok monomer gibi vinil monomerlerin de doğal fiberler üzerine graft polimerizasyonu gerçekleştirilebilmektedir. 
Farklı tipte iki yada daha fazla bileşenin biraraya getirilmesiyle elde edilen kompozit malzemelerde amaç; fiziksel, mekanik ve termal yönden daha dayanıklı yapılar oluşturmaktır. Polimer-kil nanokompozitleri bu amaçlara yönelik malzeme eldesinde önemli bir yer tutmaktadır. Kil minerali tabakalı yapıya sahiptir ve tabakalar arasında Na+, Ca2+ gibi katyonlar bulunur. Polimer moleküllerinin bu tabakalar arasına girmesiyle tabakalar arasındaki mesafeler arttırılabilir. Nanoboyuttaki bu tabakalar polimer içerisinde düzgün olarak dağıtıldığında ise kompozit özelliklerinde gelişme sağlanır.
Çalışmamızda; şeker pancarı küspesinden geri kazanılan selülozun Ce(IV) başlatıcılı redoks polimerizasyonuyla vinil asetatla graft kopolimeri elde edilmiştir. Daha sonra elde edilen bu graft kopolimerin sodyum montmorillonit (NaMMT) tipi kil ile nanokompozit eldesi gerçekleştirilerek özelliklerinde gelişme sağlanması amaçlanmıştır. Kopolimerler ve nanokompozitlerin; spektral, termal ve morfolojik analiz metotlarıyla yapısının aydınlatılmasına çalışılmıştır. 
Selüloz geri kazanımı için küspe önce sokslet eksraktöründe toluen:etanol (3:1) karışımıyla reflux edildi (devaks işlemi). Sonra oksidasyon için hidrojen peroksit (H2O2) oranı 0,25mol/L, sodyum hidroksit (NaOH) miktarı 0,75 mol/L civarında olacak şekilde reaksiyonlar gerçekleştirildi. Küspe miktarı, süre, sıcaklık gibi parametrelerin değiştirilmesiyle ideal oksidasyon şartları belirlendi. Reaksiyonlarda sıcaklık artışı selüloz kazanımını yükseltirken, reaksiyon süresinin uzaması olumsuz etkiledi. Küspe başına düşen baz ve peroksit miktarının azalmasına bağlı olarak verimlerde az oranda düşme gözlendi. Oksidasyon denemeleri sonucunda; 60ºC ve 2 saatte yapılan, NaOH/küspe oranının 0,15 (mol/g)  ve H2O2/küspe oranının 0,05 (mol/g) olduğu şartlarda küspeden %33 civarında kararlı bir kazanım elde edildi.
Polimerleştirme reaksiyonları, alkali peroksit oksidasyonuyla küspeden çektiğimiz selülozlar birleştirilerek bu toplu selüloz (S) üzerinden gerçekleştirildi. Reaksiyonlarda; indirgen madde (selüloz), Ce(IV) ve monomer miktarları ile çözeltinin asitliği, reaksiyon ortamının sıcaklığı, reaksiyon süresi gibi parametreler değiştirilerek optimum reaksiyon koşulları belirlendi. Optimizasyon sonucunda; toplam asit derişiminin 0,02 mol/L, indirgen madde miktarının 7,8 g/L, Ce(IV) miktarının 0,039 mol/L, reaksiyon sıcaklığının 46ºC ve reaksiyon süresinin 1 saat olduğu koşullar en ideal koşul olarak bulundu. 
Selüloz-graft-polivinilasetat kopolimerlerinin FTIR spektrumlarında; polivinilasetat homopolimerine ait 1736 cm-1ʼde görülen karakteristik karbonil grubu (C=O) bandı ve selüloza ait 3448 cm-1ʼdeki hidroksi bandı gözlendi. Selüloza ait 899 cm 1ʼde görülen β glikozidik bağlarına ait band örtülerek görüntülenememiştir. Bu durum selüloz ana zincirindeki aktif gruplar ile vinil asetat monomerinin kovalent bağlarla birbirine bağlandığı ve graft kopolimerizasyonun gerçekleştiğine işarettir. 1H NMR ve katı hal 13C-NMR ölçümleri ve diğer analizler de bunu desteklemiştir.
Kompozit eldesi reaksiyonları; yüksek selüloz içeriğine sahip ve yüksek verim elde edilen kopolimerleştirme reaksiyonunun şartları kullanılarak gerçekleştirildi. Kil ile selülozun etkileşmesi için su ile birlikte 1 saat süreyle karıştırıldıktan sonra monomer ve başlatıcı eklenip 1 saat reaksiyon sürdürülerek ağırlıkça %1, %3 ve %5ʼlik kompozitler sentezlendi. FTIR spektrumlarında NaMMT kiline ait karakteristik bandların açıkça görülmesi ve bazı bandlarında gözlenen değişiklikler; kilin selüloz-graft-polivinilasetat kopolimerlerine dağılımının gerçekleştiğini düşündürmüştür. Katı hal 13C-NMR analizlerinden kompozitlerin benzeri bir verimle elde edildiği ve yapılarının ana hatlarla aynı olduğu görüldü.
XRD analizlerine göre; elde edilen kompozitlerin nanoboyutlarda olduğu saptandı. Kompozit difraktogramlarında NaMMTʼye ait pikin literatüre göre daha düşük θ değerinde görülmesi kil ile kopolimerin birbiriyle tamamen etkileştiğinin ve yapraklanmış (exfoliated) tipte nanokompozit elde edildiğinin göstergesidir.
DSC analizlerinde; kopolimer ve nanokompozit örneklerinde camsı geçiş sıcaklığı (Tg) değerleri görünmemiştir. Bunun yerine her örnekte farklı kristallenme noktaları (Tc) saptanmıştır. Buradan kopolimer ve nanokompozitlerin farklı oranlarda kristallenmeye sahip olduğu anlaşılmıştır. 
TGA sonuçlarında; kopolimer ve nanokompozitler iki bozunma sıcaklığı göstermiştir. Kopolimerlerin maksimum bozunma sıcaklıklarında saf polivinilasetata göre artışlar olmuştur. Eklenen NaMMT miktarının artmasıyla birlikte nanokompozitlerin termal dayanımlarında farklılıklar gözlenmiştir.
Kopolimer örneklerinin SEM görüntülerindeki farklılıkların örneklerdeki farklı selüloz oranlarından kaynaklandığı düşünülmüştür. Ayrıca kopolimer ve nanokompozitlerin görüntüleri incelendiğinde kil tabakaları açıkça görülmektedir.    
Kısacası, bu tez çalışması sırasında, öncelikle selüloz ile vinil asetatın graft kopolimerlerini sentezledikten sonra bu kopolimerlerin NaMMT kili ile nanokompozitleri elde edildi. Tüm reaksiyonların herbir aşaması için optimal parametreler belirlenip; oluşan ürünlerin (kopolimerler ve kompozitler) termal, spektral ve morfolojik analizleri gerçekleştilerek yapıları incelenmiştir.

Abstract:
Throughout the world, the need of sugar is supplied with some plants such as maple tree and chicory and mostly from sugar beet and sugar cane. However, the sugar production is provided mostly from sugar beet in our country. Sugar beet bagasse is released as a waste during the production of sugar in the sugar industry and it contains important fibrous materials such as cellulose, hemicellulose and lignin. Cellulose is natural, linear homopolysaccharide composed of β-1,4 linked D-glucose units and it is located in plant cell walls with hemicellulose and lignin. Cellulose can be isolated by hydrogen peroxide in alkaline solutions from hemicellulose and lignin. Because of its extending properties, mainly strong hydrophilicity, resistance to chemicals, biodegradability, cellulose is used in several industries such as paper industry, food industry, pharmaceutical, paint and many more.
In recent years polymeric materials bagan to take the place of other materials such as glass and metal. However, these polymeric materials are usually produced from petroleum-based monomers that are not biodegradable and have negative effects on nature and human health. This problem can be solved by combining (grafting) natural fibers such as cellulose with petroleum based polymers. As like other monomers, vinyl monomers can be grafted on natural fibers by redox polymerization method. 
Composites are used in many areas of industry such as construction, paint, food, packaging, electronics, automotive. Composite materials are made of two or more different materials and the purpose of constructing composite materials is to increase physical, mechanical and thermal properties. For this aim, lots of researches have been conducted with several materials and polymer-clay composites are one of the most interesting composites. Clay has a layered structure and alkaline cations such as Na+, Ca2+ are present between these layers. When the polymer molecules enter between the layers, the distance between the clay layers can be increased and mechanical, thermal and morphological properties of the resulting composite can be enhanced when these nanoscale layers uniformly disrubuted within a polymer matrix.
As known, agricultural wastes containing lignocellulosic are used to manufacture biocomposite materials. Natural fibers like cellulose are produced from the agricultural wastes and biocomposites of these natural fibers with polymers are used to produce nature-friendly materials that have improved mechanical and thermal properties. Then, such nature-friendly materials are used in many fields of industry.
In our study, redox polymerization with Ce(IV) redox initiator was used to graft vinyl acetate monomer on cellulose recovered from sugarcanne bagasse. Then, the resulting graft polymer was nanocomposited with sodium montmorillonite (NaMMT) clay to increase its properties. Spectral, thermal and morphological analyses were conducted to understand the cellulose-graft-polyvinylacetate copolymers and nanocomposites.
To recover cellulose from sugar beet bagasse, firstly, sugar beet bagasse was dewaxed with soxhlet extraction with toluen:etanol (3:1). Then, alkaline peroxide extraction method was used with 0.25M hydrogen peroxide and 0.75M sodium hydroxide. Ideal extraction parameters were optimized by trying several sugar beet bagasse amount, reaction time and reaction temperature. We found that increasement of reaction temperature increased the cellulose recovery but higher reaction time decreased the cellulose recovery. Lower hydrogen peroxide sugar beet bagasse amount resulted in small decreasement in the cellulose recovery. Finally, we found the optimal parameters: 60ºC temperature, 2 hours of reaction time, NaOH/sugar beet bagasse content as 0.15 (mole/g) and H2O2/sugar beet bagasse as 0.05 (mole/g) with the recovery yield of 33%. 
Polymerization reactions were carried out through this bulk cellulose by combining cellulose which was obtained from pulp with alkaline peroxide oxidation. In the reactions; optimal conditions were determined by changing parameters such as the acidity of the solution, temperature of the reaction medium with reducing agent (cellulose), Ce(IV) and the amount of monomer. As a result of optimization; optimal parameters were found: total acid concentration as 0.02 M, reducing agent amount as 7.8 g/L, Ce(IV) concentration as 0.039 M, the reaction temperature as 46ºC and reaction time as 1 hour.  
When we investigated the FTIR spectra of synthesized cellulose-graft-polyvinyl acetate copolymers, they have a characteristic carbonyl group peak of polyvinylacetate homopolymer at 1736 cm-1 and a characteristic hydroxyl group peak of cellulose at 3448 cm-1. However, -glycosidic group bands of cellulose at around 899 cm 1 did not observed. This situation shows that graft polymer was synthesized by covalent reactions of active groups of main cellulose chain with vinyl acetate monomers. 1H NMR and solid state 13C-NMR spectra and other analyses supported this situation too.
Composite synthesis reactions were conducted at the same conditions of the optimal graft polymerization parameters which resulted in high cellulose content and high yield. Firstly, clay and cellulose were activated by mixing them in water for 1 hour. Then, monomer and initiator were added and the reaction was conducted for 1 hour. %1, %3 and %5 composites (% is clay weight) were obtained. We suggest that NaMMT clay was distributed into the cellulose-graft-polyvinylacetate copolymer well because of the characteristic peaks of NaMMT clay and shifts of some peaks at FTIR spectrum of the composite. Also, solid satate 13C-NMR spectral analyses confirmed the synthesis of the composites and the core structures of the composites were the same.
XRD analyses confirmed that the synthesized composites were nanostructures. When we investigated the composite diffractograms, the peak belonging to NaMMT was at lower θ value than that of NaMMt alone in the literature. This situation proved that NaMMT clay and the graft polymer were interacted completely each other and the resulted in exfoliated type nanocomposite.
DSC analyses of graft polymers and the composites did not show glass transition temperature (Tg). Instead, there were crystallization temperature (Tc) values specific to each sample. This situation shows that graft polymer and nanocomposites have different degree of crystallization.
TGA analyses showed that graft polymer and nanocomposites have 2 degradation temperature. Degradation temperature of the graft polymers were higher than that of polyvinyl acetate homopolymer. Increasement of NaMMT amount changed the thermal resistance of the composites.
When we investigated SEM images, graft polymers had different SEM images because of different cellulose ratios. Also, clay layer was clearly distinguishable when we compare the SEM images of graft polymers and nanocomposites.
In short, during this thesis work, we firstly synthesized graft copolymers of vinyl acetate with cellulose and than transform the resulting graft copolymers to nanocomposite with NaMMT. We find the optimal reaction conditions of each step and confirmed the structures with thermal, morphological and spectral analyses. As a result, cellulose in the sugar beet bagasse, an industrial waste, was recovered and its evaluability in any field of industry as biocomposite was investigated. 
In conclusion, obtained results of this thesis showed that the cellulose in sugar beet bagasse is evaluable. Also the industrial applicability of this thesis work needs more comprehensive researches.