Poli (bütilenadipat-ko-tereftalat) (PBAT) esaslı biyobozunur köpük materyallerin sentezi, karakterizasyonu ve bozunurluğu
Synthesis, characterization and degradation of poly (butylene adipate-co-terephyhalate (PBAT) based biodegradable foams
Yazar: ANIL KUBAN
Danışman: PROF. DR. HÜLYA YAVUZ ERSAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ KOUROUSH SALİMİ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Biyolojik parçalanma = Biodegradation ; Kompozit polimerler = Composite polymers ; Reaktif ekstrüzyön yöntemi = Reactive extrusion method

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, kesikli sistemde ve çift vidalı ekstrüder ile sürekli sistemde PBAT ve PBAT/TPS polimerik köpük materyallerinin sentezlenmesidir. Bu kapsamda, sentezlenen köpüklerin FTIR, TGA, DTG, SEM, Micro-CT ve elemental analiz ile optimizasyon ve karakterizasyonları yapılmıştır. 

FTIR analizinde hem PBAT hem de TPS'nin karakteristik pikleri gözlemlenmiştir. Spektrumda, 1708 cm-1'de PBAT'ın hem aromatik hem de alifatik grubunda bulunan C=O bağının ve 2957 cm-1'de aromatik grubundaki fenil halkasındaki C-H bağının piki görülmüştür. PBAT/TPS'de ise 3200 cm-1 - 3400 cm-1 arasında hidroksil gruplarından kaynaklanan geniş bant gözlemlenmiştir. Köpükleştirme sonrasında köpükleştirici ajan ve sıcaklık sebebi ile PBAT'ın esterifikasyona uğradığı saptanmıştır. 

TG analizi sonucunda PBAT köpüğün 310℃ - 460℃ arasında tek basamakta kütle kaybına uğradığı gözlemlenmiştir. PBAT/TPS köpük ise 25℃ - 150℃ arasında, 270℃ - 320℃ arasında ve 320℃ - 450℃ arasında olmak üç basamaklı olarak kütle kaybına uğramıştır. Bu kayıplar sırası ile yapıdaki suyun, TPS'nin ve PBAT'ın bozunmasını temsil etmektedir.

Micro-CT ve SEM analizlerine göre PBAT köpüğün, kesit alanındaki ortalama gözenek sayısı 577, kesit alanındaki toplam gözenek alanı 5.73 × 106 m, kesit alanındaki ortalama gözenek boyutu 9.95 × 103 m ve gözeneklilik oranı %31.5 olarak bulunmuştur. PBAT yoğunluğu köpükleştirme ile 1.26 g/cm3'ten 0.86 g/cm3'e düşürülmüş ve hücre yoğunluğu 2.63 × 〖10〗^5 (adet hücre/cm3) olarak hesaplanmıştır. 

PBAT/TPS köpüğün; kesit alanındaki ortalama gözenek sayısı 378, kesit alanındaki toplam gözenek alanı 1.41 × 106 m, kesit alanındaki ortalama gözenek boyutu 3.75 × 103 m ve gözeneklilik oranı %17.3 olarak bulunmuştur. PBAT/TPS karışımının yoğunluğu köpükleştirme ile 1.29 g/cm3'ten 1.06 g/cm3'e düşürülmüş ve hücre yoğunluğu 3.93 × 〖10〗^5 (adet hücre/cm3) olarak hesaplanmıştır.

Sentezlenen köpüklerin kontrollü kompost ortamında biyobozunurluğunun incelenmesi için ISO 14855-1:2013 standardına uygun olarak degradasyon testi yapılmıştır. 15 gün sonunda; PBAT köpüğün %17.56, PBAT/TPS köpüğün %27.43 ve selülozun %57.39 oranında bozulduğu görülmüştür. 

Kompostlaştırma sonrası FTIR ve TG analizlerine göre, kompost ortamında PBAT ve PBAT/TPS köpüğün yapısında bir değişme meydana gelmemiştir. Her iki analiz de biyobozunmanın öncelikle TPS'den başladığını ve kompostlaştırma sonrasında yapıdaki TPS'nin büyük oranda bozunduğunu göstermiştir. Kompostlaştırma sonrası SEM analizlerine göre, sentezlenen kapalı hücre yapısına sahip köpüklerin bozunması dış yüzeyden başlayarak iç kısımlara doğru ilerlemiştir. Biyobozunma işlemi köpüklerin gözenekli yapısını bozmamış, aksine artan yüzey alanı biyobozunurluğu hızlandırmıştır.

Abstract:
The purpose of this thesis is to synthesize PBAT and PBAT/TPS polymeric foam materials in a batch system and in a continuous system with twin screw extruders. Within this scope, the optimization and characterization of the synthesized foams by FTIR, TGA, DTG, SEM, Micro-CT and elemental analysis were performed.

The characteristic peaks of both PBAT and TPS were observed in FTIR analysis. C = O bond that found in both the aromatic and aliphatic groups of PBAT was observed at 1708 cm -1. Also peak of the C-H bond in the phenyl ring in the aromatic group was observed at 2957 cm-1. In PBAT/TPS, broadband due to hydroxyl groups was observed at of 3200 cm-1 to 3400 cm-1. After foaming process, PBAT undergoes the esterification reaction due to the foaming agent and temperature.

According to the results of TG analysis, PBAT foam lost its weight between 310℃ - 460℃ with single step and PBAT/TPS foam lost its weight in three stage between 25℃ - 150℃, 270℃ - 320℃ and 320℃ - 450℃. These losses represent the degradation of water, TPS and PBAT in the structure, respectively.

According to the Micro-CT and SEM analysis, the average pore number in the cross-sectional area of the PBAT foam is 577, the total pore area in the cross-sectional area is 5.73 × 106 m, the mean pore size in the cross-sectional area is 9.95 × 103 m and the porosity rate is 31.5%. The density of PBAT was reduced from 1.26 g/cm3 to 0.86 g/cm3 by foaming and the cell density was calculated as 2.63 × 〖10〗^5 (cells / cm3).

The average pore number in the cross-sectional area of PBAT/TPS foam is 378, the total pore area in the cross-sectional area is 1.41 × 106 m, the mean pore size in the cross-sectional area is 3.75 × 103 m and the porosity rate is 17.3%. The density of the PBAT/TPS was reduced from 1.29 g/cm3 to 1.06 g/cm3 by foaming and cell density density was calculated as 3.93 × 〖10〗^5 (cells / cm3).

In order to investigate the biodegradability of the synthesized foams in controlled compost medium, degradation test was performed according to ISO 14855-1: 2013 standard. After 15 days PBAT foam was degraded 17.56%, PBAT/TPS foam was degraded 27.43% and cellulose was degraded 57.39%.

According to FTIR and TG analysis after composting, there was no change in the structure of PBAT and PBAT/TPS foam in the compost medium. Both analyzes showed that biodegradation firstly started from TPS and the TPS in the structure was significantly degraded after composting. According to the SEM analysis after composting, the biodegradation of the closed cell structure foams that synthesized from PBAT and PBAT/TPS proceeded from the outer surface to the inner surface. The biodegradation process did not deteriorate the porous structure of the foams, but increased surface area accelerated biodegradability.