Biyopolimer/kil nanokompozitlerinin üretimi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of biopolymer/clay nanocomposites
Yazar: EBRU GÜNİSTER CANBAZ
Danışman: PROF. DR. NURFER GÜNGOR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Tıpta, endüstrinin pek çok farklı alanında kullanılmakta olan biyopolimerlerin özelliklerini daha da iyileştirmek ve geliştirmek amacıyla yapılan araştırmalar, inorganik bir malzeme olan kilin katkı maddesi olarak kullanılmasının çok olumlu neticeler verdiğini göstermiştir. Polimerlerin fiziksel ve mühendislik özellikleri, az miktarda kil katkısı ile bile geliştirilebilmektedir. Bu başarılı sonuca kilin tabakalı kristal yapısı ve karakteristik olan pekçok özelliği neden olarak gösterilebilir. Kilin polimer içerisinde nano boyutta dağılımı; kil ve polimer arasında kil/polimer nanokompozitlerin üstün özelliklerinin temel nedeni olan çok kuvvetli bir etkileşim sağlar.Bu tez çalışmasında amacımız pek çok farklı kullanım alanı bulunan kitosan biyopolimerinin özelliklerini tabakalı yapıdaki montmorillonit kili katkısı ile geliştirmektir. Kil tanelerinin kitosan içinde en ideal şekilde dağıtılarak iki bileşenin en iyi şekilde etkileşebilmeleri için uygun koşullar reolojik, elektrokinetik ve morfolojik yapı çalışmaları ile araştırılmıştır. Bir montmorillonit kil numunesi; sedimantasyon, santrifuj, diyaliz, kurutma ve öğütme işlemleri ile saflaştırılmış ve boyutları küçültülerek saf kil (SMt) elde edilmiştir. Hidrofilik yapıda olan SMt kilinin kitosan biyopolimeri ile optimum etkileşimini sağlamak amacı ile, kil katyonik bir yüzeyaktif olan hekzadesiltrimetil amonyum bromür (HDTABr) ile modifiye edilerek organofilik yapıya dönüştürülmüş ve HDTABr/SMt (OSMt) organokili elde edilmiştir. Saflaştırılmış kil numunesi olan SMt ve bu numunenin HDTABr katyonik yüzeyaktifi ile etkileştirilmesi ile elde edilen OSMt organokilinin su bazlı dispersiyonları mikro yapı, reoloji ve elektrokinetik ölçümlerle karakterize edilmiştir. SMt ve OSMt killerinin kitosan polimeri ile etkileştirilmesi ile oluşan film kompozitlerin mikro yapıları, optik geçirgenlikleri ve termal dayanımları X ışını difraksiyonu (XRD) analizi, geçirimli elektron mikroskobu (TEM), termogravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC), ultaviyole/görünür spektrofotometri (UVS), Fourier transform infrared (FTIR) analizleri gibi klasik yöntemlerle belirlenmiştir. Sonuçta sentezlenen filmlerde kilin yapraklanmış veya tabakalaşmış yapılar şeklinde dağıldığı, kitosan polimerinin termal stabilitesinin kil ve organokil katkısı ile bir miktar arttığı saptanmıştır. Ayrıca filmlerin sert ve kırılgan özelliğinin giderilmesi, elastikliklerinin arttırılması için yapılan gliserin ilavesinin optik geçirgenliği azaltması nedeniyle; filmlerde UV geçirgenliğinin engellenmesi için gliserin kullanılabileceği anlaşılmıştır.

Abstract:
Researches which were made to develope the properties of biopolymers are showed that the usage of clays, an inorganic material, as an additive gives positive effects. Physical and engineering properties of polymers can be improven by even a few amount of clay addition because of the crystal layer structure and characteristic properties of clays. The distribution of nano-size clay particles in polymers gets a strong interaction between clay and polymer that caused by superior properties clay/polymer nanocomposites.The aim of this study is to improve the properties of chitosan biopolymers that have various usage areas with addition of layer structured montmorillonite clay. Clay particles were distributed homogenous in chitosan and suitable conditions for the best interaction of these two component are examined with using rheological, electrokinetical and morphological structure experiments. Clay samples that were purified by using sedimentation, centrifuge, dialize, drying, grinding and size seperation processes, and prufied clay (SMt) was obtained at the end of the size decreasing process. Organophilic structured organoclay HDTABr/SMt (OSMt) was obtained by using hexadecylammonium bromide (HDTABr), a cationic surfactant, with the aim of having optimum interaction between hydrophilic structured clay minerals and chitosan biopolymer. Water-based dispersions of the purified clay samples SMt and OSMt, HDTABr added form of these clay samples were characterize by using micro structure, reology and electrokinetic measurements. The micro structures, optical transmissions and thermal resistance of film composites that formed as an effect of interaction between chitosan polymer and SMt and OSMt clays were determined by using classical methods such as X-Ray diffraction (XRD) analysis, transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), ultraviolet(UV)/visible spectrometry , Fourier transformation infrared (FTIR) analysis. As a result, dispersion of clay as intercalation and exfoliation structres in the sythesized film, and increasing of thermal stability of the chitosan polymer a little amount addition of clay and organoclay were determined. Furthermore, glycerine can be used in film as a UV barrier due to addition of glycerine increasing of elasticity and losing of rough and brittle structure of films decreased the optical transmission.