Comparison of polylactide/cellulose nanocrystal nanocomposites properties prepared through solution casting and melt mixing
Çözelti dökümü ve eriyik karıştırma yöntemleriyle hazırlanan polilaktik asit/ selüloz nanokristal nanokompozitlerin özelliklerinin karşılaştırılması
- Tez No: 606482
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Petrol bazlı polimerler, işlenebilirlikleri ve düşük maliyetleri nedeniyle sanayide en yaygın kullanılan malzemelerdir. Bununla birlikte, bu tür polimerleri küresel çevre ve enerji kaygıları nedeniyle biyopolimerlerle ikame etme eğilimi vardır. Biyopolimerler, yenilenebilir kaynaklardan elde edilebilmesi, doğada bozunmayan petrol bazlı polimerlerin aşırı kullanımının neden olduğu ekolojik sorunlara umut verici bir çözüm sunar. Poli (laktik asit) veya polilaktit (PLA), mısır nişastası ve şeker kamışı gibi sürdürülebilir kaynaklardan üretilen laktit dimerlerinin halka açılması polimerizasyonu yoluyla ticari olarak üretilen, biyo-bazlı ve biyobozunur bir alifatik polyesterdir. PLA yüksek mekanik (yüksek dayanım ve sertlik) ve bariyer özelliklere sahip olasından dolayı bu özllikler günlük uygulamalarda yaygın olarak kullanılan polistiren (PS) ve polietilen tereftalat (PET) gibi petrol bazlı polimerlerinkilerle karşılaştırılabilir seviyededir. Bununla birlikte PLA, yavaş kristallenme hızı ve düşük erime mukavemeti gibi dezavantajlara sahip olup ve bu durum, üretimini büyük ölçüde sınırlayan düşük işlenebilirlik, biçimlenebilirlik ve köpüklenme davranışları ile sonuçlanmaktadır. PLA aynı zamanda farklı uygulamalarda kullanımlarını sınırlayan düşük tokluğa ve düşük servis sıcaklığına sahip kırılgan bir polimerdir. Nano doldurucuları kullanarak nanokompozit yapı geliştirmek; PLA'nın bu dezavantajların bazılarının üstesinden gelmek için kullanılan yaklaşımlardan biridir. Böylece PLA'nın kristalleşmesi ve erime mukavemeti ve nihayetinde işlenebilirliği geliştirilebilir. Bu yöntemle aynı zamanda PLA bazlı nanokompozitlerin servis sıcaklığı ve termal stabilitesi de arttırılabilir. Son yıllarda, selüloz nanokristalleri (CNC) gibi biyobazlı ve biyobozunur selüloz bazlı nanoparçacıkların kullanılması, PLA'nın belirtilen dezavantajlarının bir kısmını çözebilecek, PLA bazlı biyo-kompozitlerin üretilmesi için önerilmiştir. Diğer nanoparçacıklara kıyasla, CNC ayrıca üretilen ürünlerin nihai ağırlığını etkileyebilecek çok düşük bir yoğunluğa sahiptir. Fakat , CNC nanopartikülleri arasında güçlü hidrojen bağların oluşmasına neden olan CNC'nin hidrofilik yapısı, hidrofobik PLA matrisi ile uyumsuzdur. Bu nedenle, CNC'nin PLA matrisindeki dağılımı, bu nanokompozitleri geliştirmek için çözülmesi gereken önemli bir problemdir. Bu problemi çözmek için literatürde yüzey modifikasyonu, yüzey aktifleştiriciler ve bağdaştırıcı kullanımı önerilmiştir. Bu çalışmada amacımız, PLA/CNC nanokompozitleri iyi bir dağılıma sahip olarak, çözelti döküm yöntemiyle ve eriyik karıştırma yöntemiyle üretmektir. Eriyik karışırma yönteminde; PLA/CNC nanokompozitler çift vidalı ekstruder kullanarak çözelti dökümü ile hazırlanan yüksek oranda (%7 CNC) yüklenmiş PLA nanokompozitlerinin masterbatch'i kullanılarak geliştirmektir. Bu çalışmada, uyumlaştırıcılar gibi herhangi bir modifikasyon ve katkı maddesi kullanmaktan kaçınılmıştır. Bunun yanında, CNC dispersiyonunu farklı molekül ağırlığı ve kristallenebilirliği olan dört farklı PLA matrisi içerisinde nasıl değişebileceğini araştırdık. Moleküler ağırlık ve kristalliliğin etkisini belirlemek için matris olarak dört farklı PLA türü kullanılmıştır: (i) amorf yüksek moleküler ağırlıklı PLA (A-HPLA), (ii) amorf düşük moleküler ağırlıklı PLA (A-LPLA), ( iii) yarı kristalin yüksek molekül ağırlıklı PLA (C-HPLA) ve (vi) yarı kristalin düşük molekül ağırlıklı PLA (C-LPLA). Her şeyden önce, bu nanokompozitler, CNC dispersiyonu için en uygun PLA matrisini belirlemek amacıyla çözücü olarak dimetilformamid (DMF) kullanılan çözelti döküm yöntemiyle ağırlıkça % 5 CNC içeren PLA/CNC nanokompozitler üretildi. Reolojik özellik ölçümlerine göre, kısa zincirlerin CNC nanoparçacıkları ile daha iyi iç içe geçebildiğinden, CNC nanoparçacıklarının etrafında toplanan kristal çekirdeklenmelerin CNC'lerin yeniden topaklanmasını engelleyebileceği için yarı kristalin düşük molekül ağırlıklı PLA'da daha iyi CNC dispersiyonunun ortaya çıktığı gösterilmiştir. Bu nedenle, CNC'nin sonraki aşamada üretilen nanokompozitlerin nihai reolojik termal, mekanik, ve bariyer özelliklerinin üzerindeki etkisini araştırmak için C-LPLA seçilidi ve çözelti döküm yöntemi kullanılarak (ağırlıkça % 1, %3 ve % 5) CNC içeren nanokompozitleri üretildi. Devamında, yüksek oranda CNC yüklü (ağırlıkça%7) PLA/CNC nanokompozitlerinin masterbatchleri de çözelti dökümü yoluyla hazırlandı ve daha sonra ağırlıkça (%1, %3, ve %5) CNC içeriğine sahip nanokompozitlere ulaşmak için bir çift vidalı ekstruderle seyreltildi. Çözelti dökümü ve eriyik karışımından elde edilen nanokompozitlerin belirtilen özellikleri daha sonra karşılaştırıldı.Morfolojik, reolojik, termal, XRD, mekanik ve bariyer analizleri çözelti dökümü ve TSE eriyik karıştırma ile hazırlanan C-LPLA/CNC nanokompozitleri için yapıldı. Reolojik sonuçlar, eriyik işlemenin, çözelti dökümü yoluyla hazırlanan PLA içinde zaten dağılmış olan CNC nanopartiküllerinin yeniden topaklanmasına neden olabileceğini ortaya koydu. Ayrıca PLA'nın eriyik işlenmesi sırasında yapı içerisnde kalan DMF çözücüsünün kalıntısıda reolojik özelliklerin baskılanmasının başka bir nedeni olabilir. Transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntüleri, CNC nanopartikülleririnin C-LPLA matrisinde çözelti döküm yöntemiyle etkin dağılımını ortaya çıkardı. CNC'nin heterojen çekirdeklenme etkisi diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) ile gözlemlendi ayrıca X-ışını difraktometresi (XRD, CNC'nin PLA matrisinin kristal yapısı üzerindeki etkisini anlamamıza yardımcı oldu. Dahası, CNC'nin PLA matrisinin elastic modülünü özellikle camsı geçiş sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda etkin birşekilde arttırdığı dinamik mekanik anliz (DMA) cihazıyla gözlemlendi. Yapılan mekanik analizler sonucunda, C-LPLA matrisine CNC eklenmesiyle çekme modülünün artmasına rağmen, tokluğunda CNC miktarıyla doğru orantılı olarak azalma meydana gelmiştir. Bariyer özellik ölçüm analizlerinde PLA matrisine CNC eklenmesiyle yapının oksijen geçirgenliği önemli ölçüde azaldığı tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Petroleum-based polymers are the most widely used materials in industry due to their ease of processing and low cost. However, there is a tendency to substitute such polymers with biopolymers because of the global environmental and energy concerns. Biopolymers offer a promising solution to ecological problems caused by the overuse of petroleum-based polymers that are not degradable in the nature while they could also be derived from renewable resources. Poly (lactic acid) or polylactide (PLA) is a biobased and biodegradable aliphatic polyester which is derived from sustainable resources such as corn starch and sugar cane and is eventually produced commercially through ring-opening polymerization of lactide dimers. PLA has high mechanical (high strength and stiffness) and barrier properties which are comparable with those of petroleum-based polymers such as polystyrene (PS) and polyethylene terephthalate (PET) that are widely used in daily applications. However, PLA also suffers from series of drawbacks such as slow crystallization and low melt strength which result in poor processability, formability and foamability which substantially limit its production. PLA is also a brittle polymer which has low toughness and low service temperature that eventually limit its usage in different applications. One of the approaches to overcome some of these drawbacks is to develop their nanocomposites by using nanofillers where they could enhance PLA's crystallization and melt strength and eventually their processability. The service temperature and thermal stability of such PLA based nanocomposites could also be enhanced through the use of nanoparticles. In recent years, the use of biobased and biodegradable cellulose based nanoparticles such as cellulose nanocrystals (CNC) have been proposed to manufacture fully green PLA-based biocomposites while they could resolve some of the noted drawbacks of PLA. Comparing to other nanoparticles, CNC also possesses very low density which could eventually affect the final weight of the produced products. However, hydrophilic structure of CNC, which causes strong hydrogen bonding among CNC nanoparticles, makes it incompatible with hydrophobic PLA matrix. Therefore, the dispersion of CNC in PLA matrix is a big challenge to develop their nanocomposites. Surface modification and using surfactants/compatibilizer have been proposed in literature to solve this problem. In this study, our objective was to develop PLA/CNC nanocomposites with improved CNC dispersion in PLA through solution casting method and also through using highly loaded masterbatch of PLA nanocomposites prepared via solution casting and diluted through melt mixing using a twin screw extruder. This was while avoiding using any modification and additives such as compatibilizers. We also investigated how the CNC dispersion could be varied in four different PLA matrices with different molecular weights and crystallizability that could eventually vary the final properties of nanocomposites. To determine the effect of molecular weight and crystallinity four different types of PLA were used as the matrix which were: (i) amorphous high molecular weight (A-HPLA), (ii) amorphous low molecular weight PLA (A-LPLA), (iii) semicrystalline high molecular weight PLA (C-HPLA), and (vi) semicrystalline low molecular weight PLA (C-LPLA). First of all, these nanocomposites were filled with 5 wt.% CNC by solution casting in which dimethylformamide (DMF) was used as the solvent to determine the appropriate PLA matrix for dispersion of CNC. According to the rheological properties, it was shown that better CNC dispersion was appeared in semicrystalline low molecular weight PLA as the short chains could have better interpenetration with CNC nanoparticles while the crystal nucleation that happened around the CNC nanoparticles during the solvent evaporation could have hindered their re-agglomeration. Therefore, C-LPLA was used to investigate the effect of CNC content (i.e., 1, 3, and 5 wt.%) on the final thermal, mechanical, rheological, and barrier properties while using solution casting method. Highly CNC loaded (7 wt.%) masterbatch of PLA/CNC nanocomposite was also prepared through solution casting and subsequently was diluted in a twin screw extruder to reach the nanocomposites with final desired CNC contents of 1, 3, and 5 wt.%. The noted properties of the nanocomposites obtained from solution casting and melt mixing were then compared. The morphological, rheological, thermal, XRD, mechanical, and barrier analysis were conducted for solution casted and TSE melt mixed C-LPLA/CNC nanocomposites. The rheological results revealed that the melt processing could cause the re-agglomeration of CNC nanoparticles that were already dispersed within PLA prepared through solution casting. Through melt processing, degradation of PLA in the presence of any possible remaining DMF solvent could also be another reason of suppression of rheological properties. Transmission electron microscope (TEM) images revealed the effective dispersion of CNC in C-LPLA matrix through solution casting processes. Heterogeneous nucleation effect of CNC on crystallization kinetic was observed by differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffractometer (XRD) analysis helped us to understand the effect of incorporation of CNC on crystal structure of PLA matrix. Moreover, dynamic mechanical analysis (DMA) illustrated that by incorporation of CNC elastic modulus of PLA matrix enhanced especially beyond glass transition temperature (Tg). Mechanical analysis also showed that, although the stiffness of C-LPLA enhanced by incorporation of CNC, the toughness was slightly reduced. Moreover, barrier analysis revealed that incorporation of CNC in PLA matrix reduced its permeability against oxygen by creating tortious path through matrix.
Benzer Tezler
- Industrial scale sustainable nanocomposite production by melt mixing technique
Eriyik harmanlama tekniği ile endüstriyel ölçekte sürdürülebilir nanokompozit üretimi
NESRİN AVCIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
DR. MUSTAFA DOĞU
- Filtrasyon uygulamaları için yüksek performanslı bimodal filtre kumaşlarının üretilmesi ve karakterizasyonu
Production and characterization of high performance bimodal filter fabrics for filtration applications
MELİKE GÜNGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Effects of glass fiber content, 3D-printing and weathering on the performance of polylactide
Cam elyaf miktarının, 3D-yazıcı ile şekillendirmenin ve atmosferik yaşlandırmanın polilaktitin performansına etkileri
SAKİNE DENİZ VARSAVAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVDET KAYNAK
- Üç boyutlu biyoçözünür implant fiksatörlerinin tasarımsal özelliklerinin karşılaştırılması
Comparison of design aspects of biodegradable three-dimensional implant fixators
MOHAMMED MAHMOOD HASAN HASAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mühendislik Bilimleriİstanbul Yeni Yüzyıl ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ERCÜMENT ÖZER
- Polilaktik asit esaslı üç boyutlu iskele yapılarının karşılaştırılması
Comparison of polylactic acid based threedimensional scaffold structures
ALAA HUSSEIN HAMMAD ALHELAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mühendislik Bilimleriİstanbul Yeni Yüzyıl ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERCÜMENT ÖZER