Cellulose Nanocrystals: Extraction from Wood Waste and Their Thermo-responsive Composites with Block Copolymer Vesicles
Selüloz nanokristallerinin odun atıklarından eldesi ve blok kopolimer vezikülleri ile sıcaklık duyarlı kompozitleri
- Tez No: 915597
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN ŞENSES
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 98
Özet
Döngüsel ekonomiye ulaşmanın önemli hedeflerinden biri farklı atık türlerinin yeniden kullanılmasıdır. Odun atıkları, tüm katı atıkların önemli bir kısmını oluşturduğu için günümüzde giderek büyüyen bir sorun haline gelmiştir. Odun atıklarının tekrar değerlendirilmesi, yakma ve depolama gibi mevcut atık yönetimi yöntemlerine göre birçok fayda sağlar ve daha sürdürülebilir bir çevreye ulaşma potansiyeline sahiptir. Selüloz nanokristalleri (CNC), yüksek yüzey alanı, en boy oranı, biyo uyumluluğu, doğadaki bolluğu ve üstün mekanik özellikleriyle karakterize olan, yüksek değerli ve gelecek vaat eden sürdürülebilir bir malzemedir. Bu nanopartiküller, reoloji değiştiricilerinden biyosensörlere, hidrojeller, flokülantlar, enerji depolama ve ilaç iletim sistemlerine kadar geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılmaktadır. Ancak büyük ağaç yongalarından başlayan CNC ekstraksiyonu ve bunun sonucunda elde edilen sert ağaç ve yumuşak ağaç CNC özellikleri ayrıntılı olarak araştırılmamıştır. Ayrıca, CNC'lerin uyaranlara tepki verme özelliği bulunmadığından, bu malzemeyi akıllı sistemlere dönüştürmenin zorlukları hala devam ediyor. Bu tezin ilk bölümünde, panel üreten bir tesisin atık hattından alınan çam (yumuşak odun) ve meşe (sert odun) yongalarından CNC izole edilmiştir. Atık ağaç yongaları alkali işlem ile muameleye tabi tutularak selülozik olmayan içeriğin çıkarılması ve selüloz hamuru eldesi için ağartıldı. Ortaya çıkan selüloz hamuru asit hidroliz işlemine maruz bırakılarak nanokristal elde edildi. Üretilen nanokristaller morfoloji ve fizikokimyasal özellikler açısından karşılaştırıldı. Sert ağaç ve yumuşak ağaç CNC'leri aynı kimyasal süreçten geçmiş olmalarına rağmen özellikle boyut, zeta potansiyeli ve kristallik açısından farklı özellikler sergilediler. Sonuçlar, sert odun CNClerinin yumuşak odun CNClerine kıyasla daha yüksek kristalliğe sahip olduğunu gösterdi. Ek olarak, sert ağaç CNCleri, yumuşak ağaç CNClerine göre daha büyük zeta potansiyeline ve daha küçük hidrodinamik çaplara sahiptir. İkinci bölümde, ağaçtan elde edilen CNC'ler ve sıcaklığa duyarlı geri dönüşümlü şekilde polimerzom oluşturan Pluronic L121 PEO-PPO-PEO blok kopolimeri ile sıcaklığa cevap veren bir nanokompozit inşa edildi. Elde edilen kompozitin morfolojisi, faz davranışı ve mekanik özellikleri detaylı olarak incelendi. Unimerlerin ve polimerzomların CNC ağı üzerindeki etkisini anlamak için L121 konsantrasyonu %1 ila %20 arasında değiştirilerek iki farklı CNC konsantrasyonu (ağırlıkça %4 ve %5) incelenmiştir. Sonuçlar, Pluronic L121'in seyreltik ve yüksek konsantrasyonlarının CNC jelleşme davranışı üzerinde farklı etkilere sahip olduğunu gösterdi. %5 konsantrasyona kadar Pluronic L121 eklenmesi, kompoziti geçiş sıcaklığının altında yumuşatır. %10'dan %20'ye kadar L121 ilavesi ise kompoziti daha da güçlendirerek geçiş sıcaklığının üzerinde bir jel sisteminin oluşmasını sağladı. Yüksek gerilmelerde CNC hidrojel ağının büyük boyutlu polimerzomların sisteme dahil edilmesi nedeniyle mikroyapısal bozulmaya karşı daha fazla deforme edilebildiği ve daha dirençli hale geldiği anlaşıldı. Sonuçlar, CNC-Pluronic L121 hidrojellerinin termo-geri dönüşümlü reolojik davranış gösterdiğini ve bu sistemlerin biyomedikal uygulamalar için kullanılabilecek uyaranlara duyarlı fonksiyonel malzemeler geliştirmekte potansiyel adaylar olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
An essential goal for achieving a circular economy is the reuse of different waste types. Wood waste is a growing issue since it comprises a significant portion of total solid waste. The valorization of wood has many benefits over current waste management methods, including incineration and landfilling, and it has the potential to achieve a more sustainable environment. Cellulose nanocrystal (CNC) is a high-value and promising sustainable material characterized by its high surface area, aspect ratio, biocompatibility, abundance, and outstanding mechanical properties. These nanoparticles have been used in a wide range of applications, from rheology modifiers to biosensors, hydrogels, energy storage, flocculants, and drug delivery systems. However, CNC extraction starting from bulk wood chips and the resulting hardwood and softwood CNC properties have not been investigated in detail. Also, since CNCs lack stimuli-responsiveness, turning CNCs into smart systems remains challenging. In the first part of this thesis, CNCs were isolated from pine (softwood) and oak (hardwood) wood chips obtained from a waste stream of a panel production facility. The waste wood chips were alkali-treated and bleached to remove non-cellulosic content. The resulting nanocrystals were compared in terms of morphology and physicochemical properties. Although they underwent the same chemical process, CNCs from hardwood and softwood wastes displayed different properties, especially in size, zeta potential, and crystallinity. The results showed that hardwood CNC has higher crystallinity compared to softwood CNC. Moreover, hardwood CNCs have smaller hydrodynamic diameters with greater zeta potential than softwood CNCs. In the second part, we aimed to create a thermo-responsive nanocomposite system constructed with wood-derived CNCs and temperature-responsive reversible polymersome-forming PEO-PPO-PEO block copolymers, specifically Pluronic L121. The morphology, phase behavior, and mechanical properties of the composite gels were investigated in detail. Two different CNC concentrations (4 wt. % and 5 %) were studied by varying the L121 concentration from 1% to 20% to understand the effect of unimers and polymersomes on the CNC network. The results showed that dilute and high concentrations of Pluronic L121 have different effects on the CNC gelation behavior. Adding Pluronic L121 up to 5% softened the composite below the transition temperature. The composite became stronger with L121 addition from 10 to 20% and a gel network was obtained above the transition temperature. Interestingly, the CNC hydrogel network became more deformable and resistant to microstructural breakdown at large strains due to the inclusion of large vesicles. The results demonstrate that CNC-Pluronic L121 hydrogels showed thermo-reversible rheological behavior, making them potential candidates for developing stimuli-responsive functional materials for biomedical applications.
Benzer Tezler
- Kayısı posasından fenolik bileşen ve selüloz nanokristali ekstraksiyon koşullarının optimizasyonu
Optimization of phenolic compounds and cellulose nanocrystals extraction conditions from apricot pomace
EKİN DİNÇEL KASAPOĞLU
Doktora
Türkçe
2023
Gıda MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATİH TÖRNÜK
YRD. DOÇ. DR. SİBEL KAHRAMAN
- Resource recovery and value added products from recycled aseptic Tetra Pak food packaging waste
Geri dönüştürülmüş aseptik Tetra Pak gıda ambalaj atığından malzeme geri kazanımı ve katma değeri yüksek ürünler
DAMLA AKGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİKEM ÖVEZ
- Elma posasından selüloz ve nanoselüloz takviye ajanlarının üretimi ve alçak yoğunluk polietilen esaslı biyobozunur gıda ambalaj malzemelerinin geliştirilmesinde kullanımı
Production of cellulose and nanocellulose reinforcement agents from apple pomace and their utilization in the development of low density polyethylene based biodegradable food packaging materials
ARZU YALÇIN MELİKOĞLU
Doktora
Türkçe
2020
Gıda MühendisliğiEge ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA ERSUS
- Liquid to soft solid transition of cellulose nanocrystal suspensions in presence of micelle forming surfactants
Selüloz nanokristal süspansiyonlarının misel oluşturan sürfaktanlar aracılığılya sıvıdan yumuşak katı formuna geçmesi
EREN KUŞHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN ŞENSES
- Bamya ve kenevir bitkilerinden selüloz nanokristal elde edilmesi
Obtaining cellulose nanocrystals from okra and cannabis plants
BURHAN KARATEKE
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiUşak ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NAZİRE DENİZ YILMAZ