Çift vidalı ekstrüder yardımı ile farklı oranlarda polimerik filmlerin sentezlenmesi ve bu filmlerin kontrollü kompost ortamında biyobozunmalarının incelenmesi
Synthesis of polymer films at different ratios by using twin screw extruder and investigation of their biodegradability under controlled composting conditions
Yazar: SELİN CANSU ŞEN
Danışman: PROF. DR. HÜLYA YAVUZ ERSAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: L-laktik asit = L-lactic acid ; Mısır nişastası = Maize starch ; Polilaktik asit filmleri = Polylactic acid films

Özet:
Polimerler, günlük hayatımızda birçok uygulamada yer alan önemli malzemelerdir. Bu nedenle üretimleri yılda milyonlarca tona ulaşmıştır. Günümüzde polimerler esas olarak petrol ve doğal gaz kaynaklı maddelerden üretilmektedir. Bu kaynaklar yenilenebilir kaynaklar değildir. Ayrıca polimerlerin atık duruma gelmesi önemli bir katı atık sorunudur. Özellikle ambalaj malzemesi üretimi gibi uygulamalarda tonlarca sentetik polimer kullanılmakta ve bu polimerlerin tamamı çok kısa bir süre sonra atık durumuna gelmektedir. Bu önemli çevre sorunu bilim adamlarını çevre dostu yöntemler kullanmaya ve biyoesaslı malzeme geliştirmeye mecbur bırakmıştır. Bu amaç doğrultusunda biyoesaslı polimerlerden ambalaj malzemeleri üretmek kaçınılmaz hale gelmiştir.
Dünyada en fazla üretimi yapılan biyopolimerlerden bir tanesi nişastadır. Biyo uyumluluğu ve biyo bozunurluğu sayesinde kağıt üretimi, tekstil, farmakoloji gibi birçok sektörde kullanım alanı bulmuştur. Ancak nişastanın mekanik özelliklerindeki kısıtlamalar bu polimerin mekanik özellikleri daha iyi olan polimerlerle birlikte kullanımını gündeme getirmiştir. Nişasta ile birlikte kullanımı söz konusu olan polimerlerin başında gelen polilaktik asit (PLA) ise yenilenebilir bitki kaynaklarından türemiş olan, kompost edilebilir, biyobozunur ve biyouyumlu bir polimerdir. PLA'nın üstün mekanik özellikleri diğer biyopolimerler arasında ön sıralarda yer almasına neden olmuş ve insanların daha fazla bilinçlenmesi ve çevreye verilen önemin artmasından dolayı bu polimerlerle yapılan çalışmalar hızla artmaya başlamıştır. Ancak söz konusu polimerlerin atık haline geldikten sonra bertaraf edilebilmeleri için en uygun yöntem olan kompostlaştırma sürecindeki degredasyonlarına ilişkin mevcut çalışmalar yeterli olmayıp degredasyon mekanizmasının aydınlatılması ve sürecin hızlandırılmasına yönelik çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır. 
Bu tez çalışmasında çift vidalı ekstrüder yardımı ile farklı oranlarda laktik asit içeren nişasta-g-LA polimeri sentezlenmiştir. Sentezlenen bu polimerin biyobozunma özellikleri kontrollü kompost ortamında ISO 14855-1: 2013 standardına göre incelenmiştir. Kompostlaştırma süreci boyunca reaktördeki sıcaklık, nem ve oksijen miktarları istenen seviyelerde sabit tutularak açığa çıkan CO2 miktarı ölçülmüştür.  Polimerlerin fiziksel, kimyasal, termal ve morfolojik özellikleri incelenerek bozunma mekanizması aydınlatılmaya çalışılmıştır. Kullanılan nişasta ve laktik asitin reaksiyona girmesi için hiç bir toksik çözücüden yararlanılmamıştır. Nişasta-PLA polimerinin shear mixing ve reaktif ekstrüzyon yöntemleri kullanılarak sentezlenmesi ve sentezlenen bu polimerin kontrollü kompost ortamındaki biyodegredasyonunun incelenmesi ilk kez bu tez kapsamında gerçekleştirilmiştir.
Reaktif ekstrüzyon üfleme (şişirme) yöntemi ile üretilen polimer filmlerin analizleri FT-IR, 13C-NMR, XRD, TGA/DTG ve SEM teknikleri ile yapılmıştır. Kompost reaktörlerine beslenen filmlerin analizleri ise kompostlaşma prosesi sonrasında FT-IR, TGA/DTG ve SEM teknikleri ile yapılmıştır.

Abstract:
Polymers are significant materials that find place in various applications. That's why the production rate of polymers reaches a million tones per year. Nowadays polymers are mainly produced from petroleum products and natural gas which not renewable sources. Moreover polymer wastes are an important solid waste issue to deal with. Especially in some processes, tones of synthetic polymers are being used for the production of packaging material and after a very short time of all these polymers became solid waste. This significant environmental issue compels scientists to improve eco-friendly techniques and bio-based materials. In line with this objective, to produce packaging materials from bio-based polymers become inevitable.
Starch is one of the mostly produced biopolymers in the world. It is being used in many important industries as pulp and paper, textile and farmocology due to its biocompatibility and biodegradability. However, due to its weak mechanical properties it is preferred to use starch together with another polymer having good mechanical properties. Polylactic acid (PLA) which is reproduced from renewable sources, compostable, biodegradable and biocompatible, is one of the polymers that is used with starch. The superior mechanical properties of PLA and increase in the environmental consciousness make PLA the leading biopolymer that preferred for this purposes and rapidly increased the number of studies performed by these polymers. But existing studies about the degradation of the starch/PLA polymer in composting process are not enough to explain the degradation mechanism. Thus there is a need for new studies to improve performance degradation process and to decrease the degradation time.
In this study starch-g-LA polymer that composed of different amounts of lactic acid was fabricated by the help of twin screw extruder. The biodegradation properties of these polymer were examined in controlled composting conditions according to the ISO 14855:1, 2013 standard. The released CO2 along the composting process was measured by stabilizing the reactor conditions as temperature, humidity and amount of O2. Degradation mechanism of fabricated polymer was tried to be lightened via the examination of the physical, chemical, thermal and morphological properties. In order to provide the reaction between starch and lactic acid any toxic solvent was not used. The fabrication of starch-PLA polymer by shear mixing and reactive extrusion methods and the investigation of biodegradation of this polymer under controlled composting conditions were performed for the firs time by this study.
The characterization of polymer films that produced by blow molding extrusion method was performed by by FT-IR Spectroscopy, C-NMR Spectroscopy, XRD, TGA/DTG and SEM techniques. The films fed into the compost bioreactors were characterized by FT-IR, TGA/DTA and SEM techniques at the end of the composting process.