Geri Dön

Production and characterization of antibacterial glass and glass ceramic materials

Antibakteriyel cam ve cam seramik malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 828387
  2. Yazar: BARIŞ DEMİREL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 120

Özet

Cam ve cam seramik malzemeler insan yaşamında mutfak eşyası, pencere ve otomobil camı gibi kullanım alanları geniş olan çok önemli malzemelerdir ve önemi de her geçen gün artmaktadır. Dünyadaki nüfus artış ile beraber cam ve cam seramik tüketimi de artmaktadır. Bakteri küf, virüs, vb. hastalığa yol açan mikroorganizmalardan korumak için birçok endüstriyel ürüne antibakteriyel özellik kazandırma çalışmaları büyük artış göstermiş ve bilim adamları bu tehdidi aşmak için yeni metotlar geliştirmektedir. Bakteriler ve virüslerle mücadele etmek için birçok yol vardır. Bakterilerin büyümesini önlemek amacıyla antibakteriyel özelliği olan iyonların camın yapısına katılması bu çözüm yollarından birisidir. Gümüş, çinko, stronsiyum ve bakır gibi bazı metal iyonları bakterilerle savaşma ve bu bakterilerin proteinlerini etkisiz hale getirme fonksiyonuna sahiptir. Bu sebeple, bu tür iyonları cama eklemek antibakteriyel özelliğin kazandırılması adına önemlidir. Günümüzde, cam malzemelere antibakteriyel özellik sol-jel yöntemi ile kaplanarak veya iyon değişimi yöntemi ile kazandırılmaktadır. Bu doktora tezi kapsamında, sol-jel ve iyon değişimi yöntemlerine ihtiyaç olmadan, klasik ergitme yöntemiyle antibakteriyel cam geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu yöntem kolay ve ekonomik bir yoldur. Bu yöntemle üretilen antibakteriyel camlar, günümüzde sol-jel ve iyon değişimi yöntemiyle üretilenlerden daha üstün niteliklere ve daha düşük maliyete sahip bir alternatif olabilecektir. Sol-jel yönteminde hammaddelerin yüksek saflıkta olması gerekliliği, seri üretimi maliyetli hale getirmektedir. Sol-jel oluştururken kullanılan kimyasallar pahalı ve alternatifi olmayan hammaddelerdir. Klasik ergitme yöntemine kıyasla, sol-jel yönteminde uzun çevrim süreleri ve ilave ünite yatırımları gerekmektedir. Tavlama sırasında püskürtme yöntemi ile kaplama yapılmakta ve püskürtmenin düzgün yapılamamasından dolayı camın iç yüzeyinde homojen kaplama sağlanamamaktadır. Zaman içerisinde kaplamanın soyulması nedeni ile camın antibakteriyel özelliği kaybolmakta ve metal iyonları ürünün yapısından ayrılarak bu camlar insan sağlığı açısından zararlı hale gelmektedir. Ancak, gümüş, çinko, bakır ve stronsiyum gibi antibakteriyel özellik sağlayan metal iyonlarının harmana katılarak ergitme yöntemiyle elde edilen antibakteriyel camlar sıyrılma dezavantajını ortadan kaldırmaktadır. Klasik ergitme yöntemiyle üretilen antibakteriyel camlar iyon değişimi ile üretilen antibakteriyel camlara kıyasla üretim zamanı ve maliyeti açısından önemli bir avantaj sağlamaktadır. Tez çalışması kapsamında, soda kireç ve borosilikat cam kompozisyonuna ve bu borosilikat camın uygun ısıl işlem koşullarıyla elde edilen borosilikat cam seramiklere gümüş oksit ve çinko oksit ilavesiyle antibakteriyel özelllik kazandırılmıştır. Çalışmada öncelikle soda-kireç camlarına harmandan katkı ile antibakteriyel özelliği güçlü olan gümüş, stronsiyum ve bakır iyonlarının ilavesine karar verilmiştir Bu iyonların seçiminden sonra ise, antibakteriyel özelliğin gıda maddelerindeki artan önemi nedeniyle renksiz süt şişeleri bu çalışmada cam kompozisyonu olarak seçilmiştir. Cam kompozisyonunun seçiminden sonra ise, cama antibakteriyel özellik kazandırmasını sağlayacak olan gümüş oksit, bakır oksit ve stronsiyum oksidin öncelikli olarak harmanda %0.5, %1, % 1.5 ve % 2.5 olacak şekilde, % 0.5'e kadar kalsiyum oksitten bu miktarın fazlası için de silisyum oksitten azaltılarak cam harmanına eklenmesine karar verilmiştir. Harman kompozisyonunun belirlenmesinden sonra harmanlar yüksek sıcaklık fırınında 1450 oC'de 1 saat ergitildikten sonra, homojenliği sağlamak için cam eriyik suya dökülmüştür. Kırma ve toz haline getirme işleminden sonra, döküm camlar, eriyikteki hava kabarcıklarını uzaklaştırmak için aynı sıcaklıkta fırında 2 saat süreyle yeniden ergitilmiş ve uygun tavlama koşullarında cama tavlama işlemi yapılarak cam numuneler elde edilmiştir. Cam numunelerin elde edilmesinden sonra, ISO 22196: 2011 (Measurement of antibacterial activity on plastics and other non-porous surfaces) standart metoduna göre elde edilen camların Escherichia coli (E. coli) ve Staphylococcus aureus bakterilerine karşı antibakteriyel aktivite testleri yapılmıştır. Hem antibakteriyel aktivitesinin istenen seviyede olması hem de hammadde maliyeti tasarrufu nedeniyle çalışmalara %2.0 Ag2O içerikli soda kireç camı ile devam edilmiştir. Ağırlıkça %2.0 Ag2O içeren soda kireç cam numunesinin toksik özelliğini belirlemek amacıyla ISO 6486-1 (Ceramic ware, glass-ceramic ware and glass dinnerware in contact with food release of lead and cadmium) yöntemi kullanılarak iyon salımı ICP-OES cihazı yardımıyla ölçülmüş ve sonuçların toksik değerlerin altında olduğu görülmüştür. Sağlık açısından önemli olan antibakteriyel aktivite ve iyon salımı sonuçlarından sonra, camın yapısı ve özelliklerini belirlemek amacıyla XRD analizi, XPS analizi, optik analizler, fiziksel analizler, mekanik analizler ve detaylı ergitme deneyleri yapılmıştır. Bu analiz ve deneyler sonucunda, elde edilen numunenin günlük hayatta kullanılan antibakteriyel özelliğe sahip olmayan soda kiraç camı ile benzer özellikler gösterdiği tespit edilmiş, ancak gümüş katkısı nedeniyle rengi değişen camın optik özellikleri farklı çıkmıştır. Gümüş katkılı antibakteriyel soda kireç camının farklı renkte olmasından dolayı, renksiz antibakteriyel cam üretme ihtiyacı ortaya çıkmış ve bu yüzden çalışmalara literatürde antibakteriyel etkisi olduğu bilinen çinkonun cama antibakteriyel katkı olarak kullanılmasına karar verilmiş ve çinko oksit olarak cam harmanına ilave edilmiştir. Cam kompozisyonun seçiminden sonra ise, cama antibakteriyel özellik kazandırmasını sağlayacak olan çinko oksidin öncelikli olarak harmanda %5.0, %7.5 ve % 10.0 olacak şekilde, % 2.0 CaO'dan ve %2.5 MgO'dan ve bu miktarların fazlası için de SiO2'den azaltılarak cam harmanına eklenmesine karar verilmiştir. Ergitme işlemi, antibakteriyel test, iyon salımı testi, camın yapısını ve özelliklerini belirleyen testler gümüş oksit katkılı antibakteriyel soda kireç camlarındaki yapılan işlemler ile aynı olacak şekilde yapılmıştır. Çinko oksit katkılı antibakteriyel cam çalışmasında da hem antibakteriyel aktivitesinin istenen seviyede olması hem de hammadde maliyeti tasarrufu nedeniyle antibakteriyel testen sonraki çalışmalara %5.0 ZnO içerikli soda kireç camı ile devam edilmiştir. %2.0 Ag2O ve %5.0 ZnO katkılı antibakteriyel soda kireç camların yüksek sıcak gözlem sistemi ile yapılan detaylı ergitme deneylerinde elde edilen sonuçlar, klasik soda kireç camlarının ergitme performanslarına benzer çıkmıştır. Bu sonuç, elde edilen antibakteriyel soda kireç camların üretilmesi sırasında cam ergitme fırınlarında herhangi bir ilave maliyet gerektirmeyeceğini ve üretim parametrelerini ve fırın tasarımının değiştirilmesine gerek kalmayacağını göstermektedir. Antibakteriyel soda kireç camlarına ilave olarak tez kapsamında soda kireç camlarından sonra özellikle mutfak eşyası olarak kullanılan borosilikat camlarına antibakteriyel özellik kazandırılmasına karar verilmiştir. Ev eşyasının yanında borosilikat camlar inert olması ve kimyasal dayanımı nedeniyle ilaç ambalaj malzemesi olarak ve özellikle de aşı flakonlarında sıklıkla kullanılmaktadır. 2020 yılının başında tüm dünyayı etkileyen ve etkileri günümüzde hala devam eden Covid-19 pandemisinin çözümü olarak geliştirilen aşılar için de borosilikat cam ihtiyacı artmış ve özellikle de sağlık alanında kullanılan borosilikat camlar için antibakteriyel özellik eklemek çok önemli bir hale gelmiştir. Tez çalışmasının son bölümünde yukarıda anlatılan sebeplerden ötürü %5.0 ZnO katkılı borosilikat cam ve ısıl özellikleri nedeniyle bu camdan dönüştürülebilecek borosilikat cam seramik çalışılmasına karar verilmiştir. Borosilikat cam kompozisyonun seçiminden sonra ise, cama antibakteriyel özellik kazandırmasını sağlayacak olan çinko oksidin harmanda %5.0 olacak şekilde, % 5.0 SiO2'den azaltılarak cam harmanına eklenmesine karar verilmiştir. Harman bileşiminin belirlenmesinden sonra harmanlar yüksek sıcaklık fırınında 1550 oC'de 3 saat süreyle ergitilmiş ve uygun tavlama koşullarında camın tavlama işlemi yapılarak cam numuneler elde edilmiştir. DTA, XRD ve SEM sonuçlarına göre, cam seramik yapısı elde edilmiş ve antibakteriyel testlere göre de borosilikat cam ve cam seramiğin E. coli'ye karşı antibakteriyel aktivitesi ve çinko iyon salım değerleri de istenilen seviyede olmuştur. Isıl genleşme katsayısı ve sertlik değerlerine göre, antibakteriyel borosilikat cam seramiğin, antibakteriyel borosilikat cama göre daha iyi olduğu görülmüştür. Bu çalışma ile soda kireç cama, borosilikat cama ve borosilikat cam seramiğe antibakteriyel özellik kazandırılarak cam endüstrisine yeni ürünler katılabilecek ve soda kireç ve borosilikat cam fırınlarında antibakteriyel cam üretimi için herhangi bir ilave maliyet gerektirmeden ve üretim parametrelerini ve fırın tasarımını değiştirmeye gerek kalmadan antibakteriyel cam ve cam seramik malzemelerin üretilmesi sağlanacaktır. Dolayısıyla, bu antibakteriyel cam ve cam-seramik malzemeler, günümüz teknolojisinde sol-jel kaplama veya iyon değiştirici kullanılarak elde edilen antibakteriyel cam ve cam seramik ürünlere alternatif olacaktır. Böylece bu çalışma ile, ülke ekonomisine önemli bir katkı sağlanabileceği öngörülmektedir.

Özet (Çeviri)

Glass and glass ceramic materials are very important materials in human life, such as kitchen utensils, windows and automobile glass, and their importance has been increasing day by day. the consumption of glass and glass ceramics has been also increasing with the increase in the population of the world. The efforts to add antibacterial properties to many industrial products to protect them from disease-causing microorganisms such as bacteria mold, virus, etc. have increased greatly and scientists have been developing new methods to overcome this threat. There are many ways to struggle with bacteria and viruses. The addition of ions with antibacterial properties in order to prevent the growth of bacteria is one of these solutions. Some metal ions, such as silver, zinc, strontium, and copper, have a function for fighting bacteria and inactivating the proteins of these bacteria's enzymes. For this reason, it is important to add such ions to the glass and glass ceramic in order to gain them antibacterial properties. Today, antibacterial properties of glass materials are gained by using coating with sol-gel or ion exchange methods. Within the scope of this doctoral thesis, it was aimed to develop antibacterial glass and glass ceramic materials by using classical melting method, without the need for sol-gel and ion exchange methods. This method is an easy and economic way. Antibacterial glasses produced by this method can be an alternative with superior qualities and lower costs than those of produced by sol-gel and ion exchange methods in todays' technology. The requirement for high purity raw materials in the sol-gel method makes mass production costly. The chemicals to be used while creating the sol-gel are expensive and have no alternative raw materials. Compared to conventional melting, long cycle times and additional unit investments are required in the sol-gel method. During annealing, coating is made by spraying method and homogeneous coating cannot be achieved on the inner surface of the glass due to the inability to spray properly. Over time, due to the peeling of the coating, its antibacterial property is lost, and it becomes harmful for human health as the decomposed chemicals pass into the product. However, antibacterial glasses obtained by melting metal ions such as silver, zinc, copper and strontium, which provide antibacterial properties, eliminate the disadvantages of peeling. Within the scope of the study, silver, zinc, copper and strontium were selected as antibacterial agents and added to the soda lime and borosilicate glass batches in different amounts in oxide form. Glasses were obtained by using classical melting method at the suitable temperatures for each glass type. First of all, antibacterial activity tests, which is the main subject of the study, were performed. Afterwards, studies were continued with compositions that are suitable for antibacterial properties and can provide more advantages in terms of raw material costs. Secondly, ion release tests of these antibacterial ions, which can be harmful for human health at high amounts, were carried out. Afterwards, structural analyzes and some tests were carried out on the obtained samples to determine the optical, physical and mechanical properties of these glasses by using different techniques. Finally, detailed melting performances of these glass compositions were examined with a high-temperature monitoring system in order to demonstrate the manufacturability of these glass compositions. In addition, the crystallization temperature of antibacterial borosilicate glass was determined by the“Differential Thermal Analysis”method and its forming potential to glass ceramic structure was investigated. Crystal structures were determined by using XRD and Scanning Electron Microscopy (SEM) analyzes. Furthermore, antibacterial activity, ion release, optical, physical and mechanical properties of the obtained samples were also determined. As a result, antibacterial glass products doped with silver oxide and zinc oxide were provided to the soda lime glass industry. Besides household items, borosilicate glasses are frequently used in pharmaceutical packaging, especially vaccine vials, due to their inertness and chemical resistance. The need for borosilicate glass has also increased for vaccines developed as a solution to the Covid-19 pandemic, which has affected the whole world from the beginning of 2020 and whose effects are still continuing today and adding antibacterial properties to borosilicate glasses used in the health field is an important output of the Ph.D. study. Also, this study will enable the production of antibacterial glass and glass ceramic products without requiring any extra cost and without the need to change the production parameters and furnace design. Thus, it seen foreseen that a significant contribution can be made to Turkey's economy.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    496326

    Production and properties of biopolymer based fibers and films

    Biyopolimer tabanlı fiber ve filmlerin üretimi ve özellikleri

    TUĞÇE KÖROĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM

  2. Tez No

    888494

    Development and characterization of ceramic nanofiber membranes for dye removal from textile wastewater

    Tekstil atıksularından boya giderimi için seramik nanofiber membranların geliştirilmesi ve karakterizasyonu

    NURAY YERLİ SOYLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN

  3. Tez No

    665222

    Bakır ve çinko içeren biyoaktif cam katkılı nanokompozit yapı iskelesi üretimi

    Fabrication of nanocomposite scaffold with copper and zinc doped bioactive glasses

    ZEYNEP ATASAYAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SADRİYE OSKAY

  4. Tez No

    296899

    Çeşitli bor minerallerinden hidrofobik ve nanoyapılı çinko borat üretim yöntemlerinin geliştirilmesi

    The development of production methods of hydrophobic and nano zinc borate from different boron minerals

    EMRE ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Kimya MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NURCAN TUĞRUL

  5. Tez No

    900403

    Doku rejenerasyonunda kullanılmak üzere çinko katkılı biyoaktif cam ve doğal polimerler içeren iki tabakalı membranların elektroeğirme yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu

    Fabrication and characterization of double layered membranes containing zinc doped bioactive glass and natural polymers for tissue regeneration by electrospinning

    DİLAN ALTAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikYıldız Teknik Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVİL YÜCEL

    DOÇ. DR. YEŞİM MÜGE ŞAHİN

Geri Dön