Surface modified cellulose nanocrystal incorporated nanocomposites
Yüzey modifiye selüloz nanokristal katkılı nanokompozitler
- Tez No: 757024
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Selüloz nanokristal (CNC), selülozun asit ile hidrolizinden elde edilen bir nano malzemedir. Asit hidrolizi ile birlikte kristalin bölgeler varlığını korurken amorf bölgeler ise parçalanmaktadır. CNC'nin yüksek mekanik mukavemeti, elastik modülünün yanı sıra yüksek yüzey alanına sahip olması gibi önemli avantajları bulunmaktadır. Bu dikkate değer özellikleri sayesinde polimer kompozitler için önemli bir takviye alternatifi olarak görülmektedir. Bu üstün özelliklerinin yanı sıra CNC'nin elde edilmesi için kaynak bolluğunun olması ve biyobazlı olması gibi avantajları bulunmaktadır. Günümüz şartlarında, çevre dostu malzemelere olan önem de git gide artmaktadır. Burada CNC bu değerli özellikleri sayesinde göze çarpmaktadır. Son yıllarda CNC hakkında yapılan yayınlar ve bu yayınların aldığı atıflarda önemli bir artış söz konusudur. Bununla birlikte polimer matrisleri içinde iyi bir CNC dağılımı elde etmek oldukça zorlu bir işlemdir. CNC yüzeyindeki -OH grupları nedeniyle birbirleriyle hidrojen bağları kurmaktadır. Bu fiziksel etkileşimler nedeniyle de özellikle hidrofobik polimer matrisleri içersinde CNC aglomerasyonları görülmektedir. CNC'nin polimer matrisleri içersindeki dağılımını geliştirmek için birçok yöntem denenmiş ve bunlarla ilgili çalışmalar yapılmıştır. Bunlardan ilk akla gelen ise çözelti dökümü ile polimer nanokompozitlerin üretilmesidir. Bu yöntemde dimetilsülfoksit (DMSO), tetrahidrofuran (THF), kloroform (CHL), dimetil formamid (DMF) gibi çözeltiler kullanılmaktadır. Bu çalışmalarla birlikte CNC'nin dağılımında olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Ancak, çözelti dökümü ile yapılan üretimler laboratuvar ölçekli olup, büyük ölçekli üretimler için yetersiz kalmaktadır. Bu yöntemle ile sadece CNC ve polimer matrisleri arasındaki uyumun arttırılabileceği tespit edilebilmektedir. Bu yöntemin bir diğer dezavantajı ise kullanılan çözeltiler sebebiyle çevre dostu bir üretim şekli olmamasıdır. Bunun için çözelti kullanılmadan laboratuvar ölçekli olarak eriyik karıştırıcı cihazları tercih edilmektedir. Bu cihaz sayesinde, büyük ölçekli üretimler hakkında fikir sahibi olunabilir. CNC'nin dağılımını geliştirmek için çözelti dökümünün yanı sıra CNC' ye yapılan yüzey modifikasyonlarına başvurulmaktadır. Bu modifikasyonlar fiziksel bağlarla kurulabileceği gibi genellikle esterifikasyon, amidasyon, oksitleme, silanlama ve polimer modiye etme gibi birçok kimyasal yöntemi içermektedir. Bu tezde de bu yöntemler hakkında bilgi verilmektedir. Bu yöntemler ile modifiye edilmiş selüloz nanokristallerin çözelti dökümü, eriyik proses yöntemleri ile üretilen numunelerin mekanik, termal, reoloji özellikleri ile ilgili literatürde birçok çalışma vardır. CNC'nin yüzeyindeki hidroksil grupları sayesinde kimi zaman ön bir işleme tabi tutulan yüzey ardından bir kimyasal yapı ile modifiye edilmektedir. Örneğin, literatürde de çokca karşılan oksitleme işlemleri bir ön işlem olarak ifade edilmektedir. Bu işlemin ardından yüzey bazı kimyasal yapılarla, belirli koşullar sağlandığında modifiye edilebilmektedir. Polimer modifikasyonu da sıkça karşılaşılan bir yöntemdir. Bu modifikasyon iki şekilde yapılabilir. Polimer zincirleri direkt yüzeye modifiye edilebilir ya da polimerizayon CNC'nin yüzeyinde gerçekleştirilebilir. İkinci işlem için başlatıcı ve monomer gerekmektedir. Literatürde bulunan birçok çalışmaya rağmen dikkate değer bir gelişme kaydedilmemiştir. Bu çalışmada CNC ile polimer matrisleri arasındaki etkileşimi arttıracak ve CNC'nin dağılımını geliştirecek bir kimyasal modifikasyon bulunması üzerine durulmuştur. Polimer nanokompozit üretimi için ise biyoparçalanabilir bir malzeme olan Poli (bütilenadipat-ko-tereftalat) seçilmiştir. Bu malzeme biyoparçalanabilir olmasına rağmen mekanik mukavemeti ve elastik modülüsü bakımından gelişime açık bir malzemedir. Bu polimerin mekanik özelliklerinin geliştirilmesiyle birlikte gündelik uygulamalarda ve biyomedikal alanında kullanım alanları geliştirilebilir. Bu çalışmada CNC yüzeyi PGMA ile modifiye edilmiştir. PGMA seçilirken dikkat edilen iki önemli nokta bulunmaktadır. Bunlardan ilki hidrofobik bir yapıya sahip olmasıdır. CNC'nin hidrofilik doğasından ve kendi arasında oluşturduğu hidrojen bağlarından dolayı aglomerasyon belirgin bir şekilde görülmektedir. Ancak yüzeye modifiye edilen PGMA zincirleri ile birlikte bu hidrofilik karakter azaltılabilir. Ayrıca PGMA zincirlerinin içerdiği epoksi halkaları CNC ile polimer matrisi arasında kimyasal bağ oluşturarak bir köprü oluşturabilir. Proses esnasında epoksi halkaları açılarak polimer matrisi ile kimyasal reaksiyon verebilir. Bu iki nedenden dolayı CNC'nin polimer matrisi içinde dağılımı geliştirilirken, daha iyi özelliklere sahip bir polimer malzeme elde edilebilir. Literatürde PGMA modifikasyonu ile ilgili çalışmalar kısıtlıdır. Bir çalışmada modifikasyon üzerinde durulup, üretilen nanokompozitlerin üzerinde durulmamıştır. PGMA modifiye edilirken KPS başlatıcısıyla GMA monomeri kullanılmıştır. Polimerizasyon reaksiyonu saf suda gerçekleşmiş olup, polimerizazyon 3 saat boyunca sürmüştür. Polimerizasyon sıcaklığı ise 70 o C olarak belirlenmiştir. PGMA'in kendi başına PBAT matrisi üzerinde etkisini görmek için modifikasyonsuz halde de sentezleri yapılmıştır. CNC modifikasyonları ve saf PGMA sentezleri için farklı konsantrasyonlarda GMA oranları kullanılmıştır. Üretilen saf PGMA'ler 0.5,1,5,10 ml'lik GMA'lerin 50 ml'lik saf su içinde polimerleşmesiyle elde edilmiştir. CNC-g-PGMA'ler ise 0.5,1,5 ml'lik GMA'lerin 50 ml saf su içinde 1 gram CNC ile modifiye edilmesi sonucunda sentezlenmiştir. Üretilen modifiye edilmiş CNC'ler santrifüj işleminden geçirildikten sonra kurumaya alınmıştır. Sentezlenen ürünlerin kimyasal yapılarını incelemek için FTIR analizi yapılmıştır. Analiz sayesinde modifiye edilmiş yapılar ile saf CNC arasındaki pik farklılıkları gözlemlenmiştir. Özellikle 1725 cm-1 'de C=O ile ilgili olan pik göze çarpmaktadır. Bununlar birlikte modifiye edilmiş CNC'lere TGA testi yapılmış ve ağırlık kayıpları ile ilgili kıyaslama yapılmıştır. Modifiye edilmiş ve edilmemiş CNC'lerin yanı sıra sentezlenen saf PGMA'ler ağırlıkça %3 oranında kullanılarak, PBAT matrisi ile karıltırılmıştır. Bu üretim aşaması 160 oC'de 100 rpm vida hızı ve 5 dakika proses süresi olarak gerçekleştirilmiştir. Çıkan ürünlerden pres işlemi ile birlikte reoloji diskleri hazırlanmıştır. Reoloji disklerinden CNC-g-PGMA0.5 içeren PBAT'de kahverengi noktalar dikkat çekmektedir. Bu noktalar, proses sıcaklığı ile birlikte modifiye edilmiş CNC'lerin degradasyonuna işarettir. Az PGMA miktarı ile birlikte yeterince uzun zincirler elde edilememiş ve kısa zincirler proses sıcaklığın etkisiyle bozunmuş olabilir. Bununla birlikte reoloji sonuçları incelendiğinde PBAT/PGMA'lerin reoloji özelliklerinde belirgin bir artış göze çarpmaktadır. PGMA0.5 dışında polimerizasyon için gereken GMA miktarı azaldıkça reolojik özelliklerde artış olduğu gözlemlenmiştir. Bununla birlikte CNC-g-PGMA'lerin PBAT matrisine etkisi incelendiğinde ise en iyi sonuç CNC-g-PGMA 5 için elde edilmiştir. Reoloji özellikleri nanokompozitlerde takviye malzemenin dağılımındaki gelişime bağlı olarak artış göstermektedir. Özellikle frekans tarama yapılan reoloji analizlerinde düşük frekanslarda elde edilen kompleks viskozite ve depolama modüllerindeki artışlar malzemenin matris içinde dağılımı ile ilgili önemli bilgiler vermektedir. Numunlerin ayrıca DSC analizleri yapılmış ve modifiye edilen zincirin uzunluğu arttıkça kristalizayon kinetiğine olumsuz etkisi gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Cellulose nanocrystal (CNC) can be a good alternative to be used as a nanofiller in polymer matrix because of its superior properties such as lightweight, high mechanical strength and elastic modulus, high surface area, etc. Also, CNC has abundant sources and biodegradable material. It is obtained from a variety of cellulose sources. Thanks to these properties, eco-friendly nanocomposites can be produced. On the other hand, it includes a significant drawback. Due to their hydrophilic nature, CNC shows agglomeration in the polymer matrix, especially in the hydrophobic polymer matrix. In the literature, successful results were obtained for CNC nanocomposites by using the solution casting method. However, the solution casting method is not suitable for large-scale production and is not environmentally friendly due to using of solvents such as DMF, THF, etc. Compared to the solution casting method, melt mixing is environmentally friendly as no solvent is used in the production steps. Also, this method can give information about large-scale production. Despite these advantages, agglomeration of CNC is a noticeable drawback for CNC nanocomposites which are produced by using the melt mixing method. To eliminate this drawback, CNC can be modified with some chemical structures by using modification methods such as esterification, amidation, and polymer grafting. In this study, the aim is to obtain a new nanofiller with modification of CNC and produce bionanocomposites since a majority of petroleum-based polymers cause non-degradable wastes in the environment. To solve this problem, biodegradable polymers are crucial. These polymers such as Poly (butylene adipate terephthalate) (PBAT) have a significant potential to be used in commodity and biomedical applications, whereas PBAT cannot show sufficient mechanical properties and its mechanical strength and elastic modulus can be improved with some changes in the structure, for instance, the addition of CNC. In this study, CNC was modified with PGMA by using the grafting from method. Before the modification step, neat PGMA was synthesized and added to the PBAT matrix to observe the effects of PGMA on PBAT. In the PGMA modification of CNC, the polymerization reaction took place on the CNC surface and FTIR analysis was performed to determine changes in chemical structure. In FTIR analysis, a peak at 1725 cm-1 which is related to C=O was obtained. Modified CNCs were introduced in the PBAT matrix with 3 wt.%. Following the production step, thermal and rheological analyses were performed to characterize specimens. With thermal analysis, crystallization behavior and thermal properties were determined as well as with rheological analysis, improvement of dispersion was detected. For PBAT/CNC-g-PGMA5, a dramatic increase was obtained.
Benzer Tezler
- Development of interlayer based thin-film nanofibrous composite membranes adjusted by functionalized carbon nanotubes for effectual water purification
Etkili su arıtma için fonksiyonelleştirilmiş karbon nanotüplerle ayarlanan iç tabaka bazlı ince film nanolifli kompozit membranların geliştirilmesi
SEYEDEHNEGAR ARABI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİHTER ZEYTUNCU GÖKOĞLU
DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Sert poliüretan köpüklerin ısıl yalıtım özelliğine yüzey modifikasyonu uygulanmış selüloz nano kristallerin etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of surface-modified cellulose nanocrystals on the thermal insulation properties of rigid polyurethane foams
OĞULER SAZCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mühendislik BilimleriYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE BİNNAZ HAZAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇAĞATAY ELİBOL
- Farklı modifikasyon ajanları ile yüzey işlemi uygulanmış selüloz nano kristal (SNK) yapıların dental kompozitlerin mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of dental composites of surface treated with different modification agents on the mechanical properties of cellulose nano crystal (CNC) structures
MERVE YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyoteknolojiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE BİNNAZ HAZAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYSU AYDINOĞLU
- Investigation of mechanical properties of nanoparticle coated glass fiber/epoxy composites coated with dip coating and industrial production methods
Daldırma ve endüstriyel üretim yöntemleri ile üretilmiş nanoparçacık kaplı cam elyaf/epoksi kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi
EMİR ÇETİNALP
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİRGÜL BENLİ
- Surface functionalized nanocrystalline cellulose based materials: Synthesis, development and evaluation for biomedical and water treatment applications
Yüzeyi fonksiyonlaştırılmış nanokristal selüloz esaslı malzemeler: Biyomedikal ve çevre uygulamalarında kullanımları
FAHANWI ASABUWA NGWABEBHOH