Selüloz nanolif (CNF) takviyeli biyo-yapıştırıcı nanofilm geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of cellulose nanofibril (CNF) reinforced bio-adhesive nanofilm
Yazar: BERK DALKILIÇ
Danışman: PROF. DR. ERTAN ÖZEN
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Ağaç İşleri Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Adesif film = Adhesive film

Özet:
Günümüzde ahşap bazlı kompozit levha üretiminde, mobilya birleştirmelerinde ve kenar bantlama işlemlerinde kullanılan ticari yapıştırıcılar petrol esaslı kaynaklardan sentezlenmektedir. Bu yapıştırıcıların kullanımı benzen, tolüen ve formaldehit gibi zehirli uçucu bileşenlerin salınmasına yol açarak çevre ve insan sağlığı için risk oluşturmaktadır. Diğer taraftan, sıvı formdaki yapıştırıcıların kullanım öncesi, sırası ve sonrasında bazı problemlere karşılaşılmaktadır. Yüzeylerde leke bırakma, cumbalardan sızma, dökülerek fire verme ve yüksek sıcaklarda bağ oluşturma bu problemlerden bazılarıdır.
Tez kapsamında belirlenen problemlerin giderilmesi için çalışmanın ana amacı insan ve çevre sağlına toksik etkisi olmayan, yüksek performans özelliklerine sahip film formunda yapıştırıcı geliştirmek ve ağaç işleri endüstrisinde kullanılabilirliğini araştırmaktır. Bununla birlikte alt amaçları ise geliştirilecek filmleri karakterize ederek sonuçları değerlendirmek, analiz etmek, mevcut ticari yapıştırıcılar ile karşılaştırmak ve biyo-yapıştırıcıların sürdürülebilirliğine katkı sağlamaktır. Tez çalışmasında "kitosan (CS) ve polivinil alkol (PVA) polimerleri selüloz nanolif (CNF) ile takviye edilerek yapıştırıcı nanofilm geliştirilebilir" hipotezi ileri sürülmüştür. 
Tez çalışmasının kapsamı CS/PVA ve CNF takviyeli biyo-yapıştırıcı nanofilmlerin deney tasarımının hazırlanması, CS/PVA ve CNF takviyeli biyo-yapıştırıcı nanofilmlerin laboratuvar ortamında üretilmesi ve karakterize edilmesi, CS/PVA ve CNF takviyeli biyo-yapıştırıcı nanofilmlerin etkinliğinin değerlendirilmesi, mevcut çalışmalar ile karşılaştırılması ve potansiyel kullanım alanları için önerilerin getirilmesidir.
Tez çalışmasının yönteminde ise ilk olarak CS/PVA matrisine ağırlıkça %0 (Kontrol), %3, %5, %7 ve %8 oranında CNF takviyesi yapılmıştır. Yapıştırıcı solüasyonları solvent casting (döküm) metoduyla ile hazırlandıktan sonra etüvde kurutularak nanofilmler elde edilmiştir. Farklı oranlardaki CNF takviyesinin CS/PVA nanofilmlerin performans özelliklerine etkisi incelenmiştir. CS/PVA ve CNF takviyeli nanofilmlerin fiziksel (Film kalınlığı, suda çözünme miktarı, rutubet miktarı ve temas açısı), morfolojik (Taramalı elektron mikroskobu-SEM, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi-FTIR), termal (Termogravimetrik analiz-TGA, Diferansiyel taramalı kalorimetre-DSC), viskoelastik (Dinamik mekanik ve termal analiz-DMTA), mekanik (Çekme testi) ve yapışma (Çekme-makaslama testi-Single lap shear) özellikleri belirlenmiştir. 
Tez çalışmasında gerçekleştirilen test ve analiz sonuçlarına göre CS/PVA ve CNF takviyeli nanofilmlerin su ile aktive edilmesiyle ahşap yüzeylerde yapışma sağladığı anlaşılmıştır. CNF takviyesi CS/PVA nanofilmlerin fiziksel, termal, viskoelastik, mekanik ve yapışma özelliklerini belirli oranlarda geliştirmiştir. SEM görüntüleri CNF'lerin ağırlıkça %7 oranına kadar matris içerisinde homojen olarak dağıldığını, %8 oranında ise istenmeyen topaklaşmalar oluşturduğunu göstermiştir. CS/PVA ve CNF takviyeli nanofilmler ile birleştirilen kayın sandviç biyo-kompozitlerin yüksek sıcaklıklarda (>125°C) masif kayından daha yüksek depolama modülü (E') ve kayıp modülü (E") değerlerine sahip olduğu belirlenmiştir. %3CNF takviyeli CS/PVA nanofilmlerin (4.20 MPa) ticari D3-PVAc tutkalı (4.42 MPa) ile yakın yapışma direncine sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, ayrılan yüzeylerde kalan nanofilmlerin aktive edildiğinde tekrar yapışma sağladığı aynı deney örneğine 2.çekme-makaslama testi ile anlaşılmıştır. 
CS/PVA ve CNF takviyeli yapıştırıcı nanofilmlerin homojen yapıda olması, istenilen kalınlıkta ve ölçüde üretilebilmesi, düşük fire sağlaması, düşük taşıma maliyetine sahip olması, geniş hammadde kaynağına sahip olması, biyo-esaslı olması ve yüksek yapışma direncine sahip olması en güçlü yanlarıdır. Bu yüzden ağaç işleri endüstrisinde kullanılan sentetik yapıştırıcılara iyi bir alternatif olması beklenmektedir. CS/PVA ve CNF takviyeli yapıştırıcı filmlerin, kontrplak üretiminde, mobilya birleştirmelerinde ve kenar bandı birleştirmelerinde kullanılması ön görülmektedir.

Abstract:
Today, commercial adhesives used in wood-based composite boards, furniture joints and edge banding processes, are synthesized from petroleum-based sources. These adhesives pose a risk to the environment and human health by causing the release of toxic volatile compounds such as benzene, toluene, and formaldehyde. Additionally, some problems occur before, during, and after using liquid-form adhesives.  These problems include leaving stains on surfaces, leaking from bay windows, shedding and wastage, and bonding at high temperatures.
The main purpose of this thesis is to develop adhesive in film form with high-performance properties that do not have toxic effects on human and environmental health and to investigate its usability in the woodworking industry. Also, its sub-goals are characterizing the adhesive films, evaluating, and analyzing the results, comparing them with current commercial adhesives, and contributing to the sustainability of the bio-adhesives. Components to be used in the adhesive formulation; it must be abundant in nature, easily obtainable, and sustainable. In this regard, the hypothesis that "water-activatable adhesive film can be developed from cellulose nanofiber (CNF), chitosan (CS) and polyvinyl alcohol (PVA) polymers" was put forward in the thesis study. 
The scope of this thesis; is preparing the design of the experiment of CS/PVA and CNF reinforced bio-adhesive nanofilms, manufacturing and characterization of CS/PVA and CNF reinforced bio-adhesive nanofilms in the laboratory environment, evaluation of the effectiveness of CS/PVA and CNF reinforced bio-adhesive nanofilms, comparison with existing studies and present suggestions for potential usage areas.
The method of this thesis; the bio-adhesive nanofilms were prepared by solvent casting, reinforcing the CS/PVA matrix with 0% (Control), 3%, 5%, 7%, and 8% CNF by weight. The effect of CNF reinforcement at different rates on the performance properties of CS/PVA nanofilms was examined. The physical (Film thickness, 24h water solubility, moisture content, and water contact angle), morphological (Scanning electron microscopy-SEM, Fourier transform infrared spectroscopy-FTIR), thermal (Thermogravimetric analysis-TGA, Differential scanning calorimetry-DSC), viscoelastic (Dynamic mechanical and thermal analysis-DMTA), mechanical (Tensile test) and adhesion (Single lap-shear) properties of the CS/PVA and CNF reinforced adhesives were determined. The adhesion resistance of CS/PVA and CNF-reinforced nanofilms was compared with commercial D3 PVAc (Polyvinyl Acetate) adhesive.
According to the test and analysis results, CS/PVA and CNF-reinforced nanofilms provided adhesion on wooden surfaces when activated them with water. CNF reinforcement improved the physical, thermal, viscoelastic, mechanical, and adhesion properties of CS/PVA nanofilms to certain extents. SEM images showed that CNFs were distributed homogeneously in the matrix up to 7% loading by weight and formed undesirable agglomerations at 10%. The sandwich bio-composites produced with beech veneer and nanofilm presented higher E' and E" values than beech wood at high temperatures (>125°C). It was determined that 3%CNF reinforced CS/PVA nanofilms (4.20 MPa) had adhesion strength close to that of commercial D3-PVAc adhesive (4.42 MPa). It was found by the second tensile-shear test on the same test sample that the nanofilms remaining on the separated surfaces provided adhesion again when activated.
CS/PVA and CNF-reinforced adhesive nanofilms have a homogeneous structure, can be produced in the desired thickness and size, provide low wastage, have low transportation costs, have a wide raw material source, are bio-based, and have high adhesive strength. Therefore, it is expected to be a good alternative to synthetic adhesives used in the woodworking industry. CS/PVA and CNF-reinforced adhesive films are expected to be used in wooden toy joints, plywood production, furniture joints, and edge band joints.