Synthesis and characterization of novel environment-friendly lignin-based adhesives
Yeni çevre dostu lignin bazlı yapıştırıcıların sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 994780
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER, DR. AYDA YARİ-İLKHCHİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yenilenemeyen petrol kaynaklarından elde edilen geleneksel yapıştırıcılar, toksisiteleri ve düşük biyolojik parçalanabilirlikleri nedeniyle önemli çevresel ve sağlık riskleri oluşturur. En yaygın yenilenebilir doğal polimerlerden biri, onu biyolojik bazlı yapıştırıcılar için uygun bir seçenek haline getiren lignindir (Lig) . Yenilenebilir aril bileşiklerinin tek doğal, petrol dışı kaynağı olarak, Lign fenilpropan birimleri onu fenole uygun bir alternatif haline getirir. Kimyasal yapısı; p-kumaril, koniferil ve sinapil alkollerden türeyen fenilpropanoid birimlerin düzensiz ve dallanmış şekilde bağlanmasıyla oluşur. Bu aromatik yapı lignine yüksek mekanik dayanım, UV direnci ve termal kararlılık kazandırırken, fenolik ve alifatik hidroksil grupları sayesinde hidrojen bağları, π–π etkileşimleri ve iyonik etkileşimler kurabilme yeteneği sağlar. Bu özellikleri lignini, yapıştırıcılar ve fonksiyonel polimer sistemleri gibi uygulamalarda hem mekanik güçlendirici hem de reaktif bir biyobazlı bileşen olarak oldukça değerli kılmaktadır. Düşük üretim maliyetleri, biyouyumlulukları ve biyolojik olarak parçalanabilirliklerinin yanı sıra hidroksil, karboksil ve aldehit gibi çok sayıda fonksiyonel gruba sahip olmaları nedeniyle, Lig diğer polimerlerle çapraz bağlanabilir ve bu da biyolojik olarak parçalanabilir hidrojellerin ve yapıştırıcıların sentezinde kullanım için yüksek bir potansiyel sağlar. Tannik asit (TA), çok çeşitli bitkilerde bulunan, renksiz ila soluk sarı katı halde ve buruk bir tada sahip doğal bir polifenoldür. Ayrıca midye esinli yapıştırıcıların ana bileşeni olarak da bilinir. TA, diğer malzemelerle etkileşime girdiğinde antioksidan, antibakteriyel ve antiinflamatuar özelliklere sahip pirogallol ve katekol gruplarından oluşur. PVA (Polivinil Alkol), suda çözünebilen, sentetik, ucuz ve toksik olmayan bir polimerdir. PVA üzerindeki hidroksil grupları (-OH), birden fazla fonksiyonel grupla bağlanarak, iyi mekanik stabiliteye sahip çapraz bağlı ve suya dayanıklı ağlar oluşturabilir. PEI, bol miktarda amin grubu içeren pozitif yüklü hidrofilik bir polimerdir. Bu amin grupları sayesinde PEI, protonlanabilir karakter göstererek geniş bir pH aralığında yüksek pozitif yük yoğunluğuna sahip olur ve bu durum iyonik etkileşimler ile elektrostatik bağlanmayı mümkün kılar. Ayrıca, PEI'nin amin grupları hidrojen bağları oluşturabilme yeteneğine sahiptir ve polimer ağları içerisinde güçlü kohezyon ve ara yüzey etkileşimlerini destekler. Bu özellikleri sayesinde PEI, yapıştırıcı sistemlerde çapraz bağlanmayı güçlendiren, mekanik dayanımı artıran ve farklı yüzeylere tutunmayı iyileştiren fonksiyonel bir katkı maddesi olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, bu çalışmada alkali Lig, PVA, PEI and TA kullanarak hidrojen bağı, π-π istiflemesi, katyon-π ve iyonik etkileşimler gibi kovalent olmayan bağlarla çapraz bağlanan çevre dostu, lignin esaslı yapıştırıcılar sentezledi. Giderek artan Lig içeriğine sahip PVA-TPL0, PVA-TPL0.2, PVA-TPL0.4, PVA-TPL0.8 ve PVA-TPL1.6 adlı bir dizi yapıştırıcı formülasyonu ve değişen PVA konsantrasyonlarına sahip ek formülasyonlar (PVA0.75-TPL0.8 ve PVA2-TPL0.8) hazırlandı. Çapraz bağlama sırasında yapıştırıcıların kimyasal yapılarını ve fonksiyonel gruplarını karakterize etmek için Forier Transform Fourier Dönüşümlü Kızötesi Spektrometrsi (FTIR) analizi yapılmıştır. FTIR'deki tepe kaymaları, numunelerin hidrojen bağları yoluyla verimli bir şekilde çapraz bağlanmasını vurgulamaktadır. Thermal Gravimetrik Analizi (TGA), yapıştırıcı numunelerinin 227-294°C aralığında termal kararlılığını ortaya koymuştur. Lignin içeriği yüksek olan numunelerde numunelerin Tmax değeri azaldı. Test edilen formülasyonlar arasında, PVA-TPL0 en düşük hidrofil derecesini sergilerken, Lig içeriğindeki kademeli artış hidrofiliği artırmıştır. PVA-TPL1.6, Lig'in hidroksil gruplarının deprotonasyonu nedeniyle en yüksek değeri göstermiştir. Çelik, metal, ahşap, plastik ve cam dahil olmak üzere farklı malzemelerdeki yapışmayı karşılaştırmak için çeşitli yüzeylerde lap-kesme testleri gerçekleştirilmiştir. Yapışma mukavemetinin ahşapta yüksek, çelikte orta, cam ve polikarbonatta ise zayıf olduğu bulunmuştur. Lap-kesme testleri ayrıca farklı ortamlardaki yapışma mukavemetini değerlendirmek için deniz suyu, phosphate tampon çozeltisi (PBS), damıtılmış su (DW), pH 3, pH 11 ve yağlı çözeltilerde gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, PVA-TPL0'ın tüm ortamlarda en düşük yapışma mukavemetini sergilediğini, Lig'in kademeli olarak artmasının ise yapışma mukavemetini PVA-TPL0.8'e kadar artırdığını, ardından PVA-TPL1.6'da bir düşüş olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, yüksek Lig miktarı ve etkili çapraz bağlama nedeniyle en yüksek yapışma mukavemeti PVA-TPL0.8'de bildirilmiştir. Numuneler, Elmer's Glue ve Gorilla Glass gibi ticari yapıştırıcılarla karşılaştırılmış olup, kuru, ıslak ve yağlı ortam koşullarının tamamında daha yüksek yapışma dayanımı sergiledikleri gözlemlenmiştir. Yapışma dayanımını niteliksel olarak değerlendirmek amacıyla, numuneden 70 kg ağırlık asılmış ve kopma veya ayrılma gözlenmemiştir. Ayrıca pH 3, pH 11 ve saf su gibi farklı ortam koşullarında numuneden 1 kg ağırlık asılmış, bu koşullar altında da numunede herhangi bir bozulma veya kırılma meydana gelmemiştir. Yapıştırıcıların tekrar kullanılabilirliğini değerlendirmek için PVA-TPL0.8, önce kurudu sonra su ilave edildi. Yeniden nemlendirilmiş numunenin özellikleri orijinal numuneyle karşılaştırıldı. Yeniden nemlendirme işleminden sonra, bu numune kesme testine göre güçlü yapışma özelliklerini korumuştur. Numunenin kohezyon özellikleri ve gerilebilirliği de yeniden nemlendirme işleminden sonra korunmuştur. Bu nedenle, bu numune günler boyunca depolanabilir ve yeniden kullanılabilir. PVA içeriğinin etkisini daha fazla araştırmak için PVA0.75-TPL0.8, PVA2-TPL0.8 ve PVA-TPL0.8in bindirme-kesme mukavemeti yalnızca kuru koşullar altında incelenmiştir. Bunlar arasında PVA-TPL0.8 kuru halde en yüksek yapışma mukavemetini göstermiştir. Numunelerin kendi kendini iyileştirme yeteneğini araştırmak için bir reometre kullanılarak daha fazla çalişma yapılmıştır. Yapıştırıcılara altı periyodik yüksek ve düşük gerilim uygulandıktan sonra, PVA-TPL0 için kendi kendini onarma verimliliği yaklaşık %79, PVA-TPL0.8 için %64 ve PVA-TPL1.6 için %70 olarak ölçülmüştür. Genel olarak, bu çalışma lignin bazlı yapıştırıcıların geleneksel petrol türevi yapıştırıcılara sürdürülebilir ve etkili bir alternatif sunabileceğini göstermektedir. Farklı formülasyonlar arasında, PVA-TPL0.8 güçlü yapışma özelliğini, yeniden kullanılabilirlik ve kendi kendini onarma yeteneğiyle birleştirerek öne çıkmıştır. Bu sonuçlar, çevre dostu, kovalent olmayan çapraz bağlı yapıştırıcıların yalnızca çevresel endişeleri azaltmakla kalmayıp aynı zamanda farklı koşullar ve malzemelerde güvenilir performans sağladığını da göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Conventional adhesives, derived from non-renewable petroleum resources, pose significant environmental and health risks due to their toxicity and poor biodegradability. To address these challenges, we synthesized eco-friendly, lignin-based adhesives using polyvinyl alcohol (PVA), tannic acid (TA), polyethyleneimine (PEI), and alkali lignin (Lig), which are crosslinked via noncovalent bonds, such as hydrogen bonding, π-π stacking, cation-π, and ionic interactions. A series of adhesive formulations were prepared, namely PVA-TPL0, PVA-TPL0.2, PVA-TPL0.4, PVA-TPL0.8, and PVA-TPL1.6, with progressively increasing Lig content, alongside additional formulations (PVA0.75-TPL0.8 and PVA2-TPL0.8) with varying PVA concentrations. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analysis was conducted to characterize the chemical structures and fuctional groups of the adhesives during crosslinking. Thermal Gravimetric Analysis (TGA) revealed the thermal stability of adhesive samples in the range of 227–294°C. Among the tested formulations, PVA-TPL0 exhibited the lowest degree of hydrophilicity, while a progressive increase in Lig content resulted in enhanced hydrophilicity, with PVA-TPL1.6 showing the highest value due to the deprotonation of hydroxyl groups of Lig. Lap-shear tests were performed on various substrates to compare adhesion across different materials, including steel, wood, plastic and glass. Adhesion strength reported high on woods, medium on steel and weak on glass and polycarbonate. The lap shear tests were also performed in seawater, PBS, distilled water (DW), pH 3, pH 11, and oily solutions to assess the adhesive strength in different wet environments. Results demonstrated that the PVA-TPL0 exhibited the lowest adhesion strength in all environments, whereas gradually increasing Lig enhanced adhesion strength up to PVA-TPL0.8, followed by a decline in PVA-TPL1.6. Thus, the highest adhesion strength is reported in PVA-TPL0.8 due to the high Lig amount and efficient crosslinking. To evaluate the reusability of the adhesives, PVA-TPL0.8 was subjected to drying and rehydration. After rehydration, this sample remained its strong adhesion properties, according to lap shear test. Cohesion properties and stretchablity of sample also remained after rehydration. To further investigate the influence of PVA content, the lap-shear strength of PVA0.75-TPL0.8, PVA2-TPL0.8, and PVA-TPL0.8 was examined exclusively under dry conditions, with PVA-TPL0.8 demonstrating the highest adhesion strength. Further investigation was done using a rheometer to investigate the self-healing ability of the samples. After six periodic high and low strains were applied to adhesives, self-healing efficiency was measured at around 70% for the prepared adhesives. Overall, this work shows that lignin-based adhesives can offer a sustainable and effective alternative to traditional petroleum-derived adhesives. Among the different formulations, PVA-TPL0.8 stood out by combining strong adhesion with good reusability and self-healing ability. These results suggest that eco-friendly, noncovalently crosslinked adhesives not only reduce environmental concerns but also provide reliable performance across different conditions and materials.
Benzer Tezler
- Development of laser induced graphene & its composites for gas sensors and photocatalysis applications
Gaz sensör ve fotokataliz uygulamaları için lazerle üretilmiş grafen ve kompozitlerinin geliştirilmesi
GİZEM SOYDAN
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
PROF. DR. AHMET TUĞRUL ALPAS
- Synthesis and characterization of novel sensitizers for dye sensitized solar cells
Boyar madde uyarımlı güneş pilleri için yeni duyarlaştırıcıların sentezi ve karakterizasyonu
SAFACAN KÖLEMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENGİN UMUT AKKAYA
- Synthesis and characterization of upconversion nanoparticles for applications in life sciences
Upconversion nanoparçacıkların canlı biliminde kullanım amacıyla sentezlenmesi ve karakterizasyonu
SELMA NACAK
Doktora
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiUnıversıtat Potsdam (unıversıty Of Potsdam)PROF. DR. MİCHAEL KUMKE
- Synthesis and characterization of Mg-Al-layered double hydroxides intercalated by borate anions
Borat anyonları içeren Mg-Al-tabakalı çift hidroksitlerin sentezi ve karakterizasyonu
AHMET NEDİM AY
- Synthesis, characterization and investigations of thermal behavior of the nitro-imidazole-based energetic coordination compounds
Nitro imidazol içeren enerjik koordinasyon bileşiklerinin sentezi, karakterizasyonu ve termal özelliklerinin incelenmesi
VAHİDE SELEN YAMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiAtılım ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENİZ ÖZALP YAMAN
PROF. DR. NESRİN EKİNCİ MACHIN