Polilaktik asitin mekanik özelliklerinin modifiye edilmiş doğal kauçuk ile iyileştirilmesi
Improvement of mechanical properties of polylactic acid with modified natural rubber
Yazar: CEREN ÖZBAY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER YUNUS GÜMÜŞ
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Lif ve Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Günümüzde petrol bazlı polimerler mühendislik ve ileri uygulamalar başta olmak üzere pek çok alanda ve yine polimerik ürünlerin üretiminde sıklıkla kullanılmaktadır. Petrol kaynaklarında öngörülen ve sıkça altı çizilen azalma payı, fiyatlardaki dengesizlik ve rekabetçi küresel piyasada sentetik polimerlerin üretimi ve hammadde temini endişe duyulan bir gerçektir. Bir diğer problem ise petrol bazlı polimerlerin doğada bozunmayan atık maddeler olarak kalmaları nedeniyle oluşacak olan çevre kirliliği endişesidir.
Son yıllarda özellikle ambalaj endüstrisinde en çok tercih edilen biyopolimer olan polilaktik asit (PLA), mekanik özellikerinin zayıf olması nedeniyle kısıtlı kullanım alanlarına sahiptir. Diğer alanlarda da kullanımını yaygınlaştırmak için biyomalzeme özelliğini koruyarak PLA'nın mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi önem kazanmıştır. Bu noktada bir diğer biyopolimer olan doğal kauçuk ile PLA harmanlarının hazırlanmasıyla daha iyi mekanik özelliklere sahip yeni bir biyomalzeme geliştirilmiş olunacaktır. 
Bu tez çalışmasında doğal kouçuk (DK) modifiye edilerek PLA ile homojen harmanların hazırlanması hedeflenmiş, böylece mekanik özelliklerinin artırılıması amaçlanmıştır. Homojen yapıda bir harman elde etmek için DK öncelikle epoksilenmiş, daha sonra epoksi grupları asetillenerek yapıya ester grupları kazandırılmış, bu şekilde de ester yapsındaki PLA ile uyumun sağlanması hedeflenmiştir.
Yapılan FTIR ve 1H-NMR analizleri ile DK'nın başarılı bir şekilde yaklaşık %30 oranında epoksilendiği, asetilleme reaksiyonu neticesinde ise yapıya yaklaşık %10 oranında asetil gruplarının başarılı bir şekilde kazandırıldığı tespit edilmiştir.  
Sonrasında %25, 50 ve 75 oranında PLA içeren PLA/DK, PLA/EDK ve PLA/ADK harman filmleri hazırlanarak ısıl, morfolojik ve mekanik özellikleri incelenmiştir. 
Harmanların ısıl geçişlerini belirlemek için yapılan DSC analizlerinde DK içeren harmanlarda Tg değerlerinin değişmediği, ancak EDK ve ADK içeren harmanlarda PLA miktarı azaldıkça Tg değerlernin arttığı anlaşılmıştır. Ayrıca harmanlar arasında eny üksek kristalinite değerinin %14,49 ile %25 ADK içeren harmanda olduğu hesaplanmıştır.
Harmanlara ait OM ve SEM görüntüleri incelendiğinde PLA/DK harmanlarının heterojen bir yapıya sahipken, PLA/EDK harmanlarında homojen bir yapıya sahip oldukları gözlemlenmiştir. PLA/ADK harmanlarında ise dairesel bölgelerin matris içinde düzenli dağılımıyla meydana gelen heterojen bir yapı oluştuğu, %25 ve 50 ADK oranında PLA'nın matris olarak bulunduğu %75 ADK içerğinde ise PLA'nın dağılan faz konumna geçtiği tespit edilmiştir.
Harmanlara uyuglanan mekanik testlerden EDK'nın kopma anındaki uzama ve gerilim değerlerinin DK ve ADK'ya göre daha fazla olduğu görüldü. Ancak ADK harmanlarının daha yüksek akma mukavemeti ve kopma dayanımına sahip oldukları anlaşılmıştır.  Ayrıca PLA/DK blendlerinin çekme testleri sırasında heterojen bölgelerin birbirlerinden eş zamanlı olarak ayrılmasından kaynaklanan gerilim-gerinim eğrilerinde dalgalanmalar olduğu gözlemlendi. %25ADK içeren harmanının 7,5 N/mm2, 11 N/mm2 ve %205 değerleri ile sırasıyla en yüksek akma dayanımı, kopma dayanımı ve kopma uzaması değerlerine sahip olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Nowadays, petroleum-based polymers are frequently used in engineering and advanced applications and in the production of polymeric products. The foreseen and underlined decrease in oil resources, with the imbalance in prices, difficulties in the production of synthetic polymers and the supply of raw materials in the competitive global market are some examples of the serious concern. Another problem is the apprehension of environmental pollution due to the petroleum-based polymers remain as non-degradable waste materials in nature.
Polylactic acid (PLA), which is the most preferred biopolymer in the packaging industry in recent years, has limited usage areas due to its poor mechanical properties. Improving the mechanical properties of PLA has gained importance to maintain its biomaterial property in order to expand its usage in other fields. At this point, the preparation of PLA blends with natural rubber, which is an another biopolymer, will allow the development of a brand new biomaterial with better mechanical properties.
In this thesis, natural rubber (NR) is modified to acquire homogeneous blends with PLA, for improving mechanical properties. NR is first epoxylated and then epoxy groups are acetylated to introduce ester groups to the structure, thus it is aimed to ensure compatibility with PLA in the ester structure.
With FTIR and 1H-NMR analysis, it is found that NR is successfully epoxilated approximately 30%, and acetylation reaction was successfully introduced to the structure by about 10%.
Then, PLA/NR, PLA/ENR, and PLA/ANR blend films containing 25, 50 and 75% PLA are prepared and their thermal, morphological and mechanical properties are examined.
To determine thermal transitions of the blends, from DSC analyzes it is found that Tg values did not change in NR-containing blends, however, Tg values increased as the amount of PLA decreased in ENR and ANR blends.
When the OM and SEM images of the blends are examined, it is observed that PLA/NR blends have a heterogeneous structure, while PLA/ENR blends have a homogeneous structure. Also, in PLA/ANR blends, a heterogeneous structure with a regular distribution of circular regions is formed and the matrix is formed by PLA in 25 and 50% ANR containing blends, whereas ANR is the matrix in 75% ANR content.
According to the mechanical tests applied to the blends, the elongation and ultimate strength values of the ENR at break are higher than those blends with NR and ANR. However, ANR blends are found to have higher yield strength and breaking strength. In addition, fluctuations are observed in stress-strain curves due to the simultaneous separation of heterogeneous regions from each other during tensile tests of PLA/NR blends. %25 ANR containing blend has the highest yield strength, tensile strength, and elongation at break with the values of 7,5 N/mm2, 11 N/mm2 ve 205%, respectively.