Özet
Bu çalışmada, poli laktik asit (PLA) ve poli etilen glikol (PEG) bileşenlerinden hazırlanmış kompozitlere, yapısal ve termal özelliklerini geliştirmek amacıyla katılan sentetik zeolitin etkisi araştırılmıştır. Zeolitler, polimer karışımlarına %5, 10 ve 20 oranlarında ilave edilmişlerdir.
Elde edilen polimer kompozitlerin karakteristik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla FT-IR (Fourier Transform Infrared Spektroskopisi), SEM (taramalı elektron mikroskopisi), TGA (termal gravimetrik analiz), DSC (diferansiyel taramalı kalorimetri) ve su tutma kapasitesi analizleri yapılmıştır.
Analiz sonuçları, PLA/ PEG kompozitlere ilave edilen zeolitlerin termal stabilitelerini geliştirdiği ve su tutma kapasitesini artırdığını göstermiştir.
1.Giriş
Kelime olarak polimer, Yunanca’da çok anlamında gelen “poli” ve parça, birim anlamına gelen “meros “kelimelerinden türemiştir. Polimer, monomer adı verilen küçük birimlerin tekrarlanmasıyla oluşan büyük bir makromoleküldür.
Polimerlerin sahip olduğu birçok özellik (yüksek dayanım, kolay işlenebilme, düşük maliyet vb.) nedeniyle günümüzde otomotiv, ev aletleri, tıbbi malzemeler ve ambalaj gibi birçok alanda kullanımı mevcuttur.
Bu alanlarda kullanılan geri dönüştürülemeyen polimer malzemeler, beraberinde gün geçtikçe artan atık sorununu oluşturmaktadır. Özellikle ambalaj sektöründe oldukça fazla kullanılan plastik malzemelerin çoğu petrol kökenlidir ve çevreye çok fazla zarar vermektedir.
Polietilen (PE), polistiren (PS), polietilentereftalat (PET) gibi petrol kökenli bu plastikler doğada uzun yıllar çözünmeyip, atıkların ve atmosferdeki CO2 miktarının artmasına neden olurlar. Biyobozunur polimerler, petrol kökenli polimer malzemelere kıyasla uygun kompost ortamında kısa sürede bozunabilmektedir.
Atık oluşumunun temel nedeni olan petrol kökenli polimer malzemelerin doğada bozunması yıllar sürmesi nedeniyle biyobozunur polimer malzemelerin geleneksel polimerlerin yerini almasıyla bu sorunun büyük ölçüde giderilebileceği düşünülmektedir[1].
Biyobozunur polimerler arasında polilaktik asitin (PLA) mekanik ve fiziksel özellikleri büyük ölçüde polistiren, polietilentereftalat, polipropilen gibi petrol kökenli polimerler ile kıyaslanabilir ölçüdedir.
PLA’nın ambalaj sektöründe kullanılan geleneksel polimerlerin özelliklerine yakın olması nedeniyle PLA’nın bu alanda kullanımının mümkün olduğu görülmektedir [2].
PLA biyobozunur, çevre dostu, biyo uyumlu, kolaylıkla işlenebilir, şeffaf, yüksek modül ve dayanım gibi çeşitli avantajlara sahip olmasına rağmen düşük darbe dayanımı, gaz bariyer özellikleri, termal dayanımı ve kırılgan olması nedeniyle günümüzde birçok uygulamada istenen ölçüde kullanılamamaktadır.
Son yıllarda, PLA’nın özelliklerini geliştirmek ve maliyetini düşürmek için kompozit malzeme yaklaşımıyla birçok polimer ve katkı malzemesi kullanılarak PLA uygulamalarının geliştirilmesi amaçlanmaktadır.
Bugüne kadar nişasta, protein, polikaprolakton gibi çeşitli biyobozunur polimerler ve odun, kitosan, keten gibi doğal katkı malzemeleri kullanılarak polimer karışımlar ve kompozitler üretilmiştir. Bu amaçla kil, silika, montmorillonit gibi mikro ve nano yapıdaki birçok katkı malzemesi de PLA’nın özelliklerini geliştirmek için kullanılmıştır [3].
2. Materyal ve Metod
2.1. Materyal
Yapılan çalışmada kullanılan malzemelere, temin edildikleri firma ve özelliklerine Çizelge 2.1.’de yer verilmiştir.
Çizelge 2.1. Çalışmada kullanılan malzemeler ve özellikleri
2.2.Metod
Bu çalışmada, kompozitler filmler çözücü döküm yöntemi ile hazırlanmıştır. İlk olarak PLA ve zeolit içerdikleri nemin giderilmesi amacıyla 600C ‘de 24 saat kurutulmuştur. %5 oranında PLA içeren çözelti kloroform ile hazırlanarak, %20 oranında PEG içerecek şekilde PEG ilave edilmiştir.
Elde edilen PLA/PEG karışımına, %5, 10 ve 20 oranlarında zeolit içerecek şekilde Zeolit13X katılmıştır. Çözeltiler magnetik karıştırıcıda ve ultrasonik banyoda karıştırılarak homojen yapı elde edilmiştir. Petri kabına dökülen polimer karışımları 400C ‘de 3 gün bekletilerek kurutulmuş ve analizlere hazır hale getirilmiştir.
3.Bulgular ve Tartışma
Bu bölümde PLA/PEG ve zeolit ile hazırlanan kompozit filmlerin karakterizasyon sonuçlarına yer verilmiştir. Şekil 3.1. saf PLA, PLA/PEG, %5 zeolit içeren PLA/PEG, %10 zeolit içeren PLA/PEG ve %20 zeolit içeren PLA/ PEG kompozit filmlerin FT-IR spektrumları verilmiştir.
3330 cm-1 ve 1637 cm-1 dalga boyunda görülen pikler zeolitteki hidroksil (-OH) grubunun sırasıyla gerilme ve deformasyon titreşiminden kaynaklıdır, 947 cm-1 görülen şiddetli pik SiO4 ve AlO4 dörtyüzlüsüne ait Si-O ve Al-O bağlarının asimetrik gerilmesini göstermektedir. Zeolitin katılımıyla bu piklerin şiddeti artmıştır [3].
Şekil 3.1. PLA filmlerin FT-IR spektrumları
Şekil 3.2.’de PLA filmlerin ve zeolitin morfolojik yapısını belirlemek amacıyla SEM görüntüleri verilmiştir. Analiz sonuçlarına göre,
Şekil 3.2.A.’ da zeolitin kübik şekle, Şekil 3.2.B.’ de PLA nın pürüzsüz ve düzgün bir yüzeye, Şekil 3.2.C.’de PLA/PEG filmlerin karışım oluşturabilecek uygun ve homojen yüzeye sahip oldukları ve Şekil 3.2.D.’de ise zeolit içeren filmlerde dispersiyonun oldukça iyi olduğu belirlenmiştir [4].
Şekil 3.2. Zeolit ve PLA ve PLA/PEG filmlerin SEM
görüntüleri.
A) Zeolite B) PLA C) PLAPEG D) PLAPEGZ10
Çizelge 3.1.’de hazırlanan polimer filmlerin DSC sonuçları verilmiştir. Analiz sonuçlarına göre, Tm değeri zeolit katkısı ile değişmemiştir. Tc değeri, %20 PEG etkisiyle 123,560C ‘den 75.330C’ ye düşmüştür.
Kristalizasyon oranı düşük olan PLA’ ya PEG ilavesi bu oranı artmıştır. Ayrıca polimer filmlerindeki zeolit içeriğinin artması ile kristalizsyon sıcaklıkları artmıştır[5].
Tablo 1. DSC Filmlerin Sonuçları (DSC results of films)
Şekil 3.3.’te PLA filmlerin TG analiz sonuçları verilmektedir. PEG katılımı ile PLA’in sahip olduğu polimer zincirinin hareketliliği ve esnekliği olumlu yönde gelişmektedir.TG grafiklerindeki eğrilere göre değerlendirldiğinde, PLA’in termal kararlılığının, PEG katılmasıyla azaldığı görülmektedir [6,7].
PLA/PEG karışımlarına zeolit ilavesi ile oluşan kompozitlerin termal kararlılığının arttığı belirlenmiştir.
Şekil 3.3. Polimer filmlerin TG grafikleri
Şekil 3.4.’te zeolit içeren PLA/PEG filmlerin 300C’ de su tutma kapasiteleri verilmiştir. Test sonuçlarına göre, PLA/PEG kompozit filmlerin zeolit yüklenmesi ile su tutma kapasitelerinin arttığı görülmüştür.
Şekil 3.4. Kompozit filmlerin su tutma kapasiteleri
4.Sonuç
Saf PLA ‘nın zayıf olan bazı özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla PEG katılmaktadır Fakat PEG PLA’nın bazı özelliklerini iyileştirirken bazı özelliklerini ise olumsuz etkilemektedir. Bu olumsuz özellikleri gidermek için katkı malzemesi olarak zeolit tercih edilmiştir.
Zeolit katkılanmasıyla hazırlanan kompozit filmlerin karakteristik özellikleri belirlenerek en uygun kompozit oranlarının belirlenmesi amaçlanan bu çalışmada, %10 zeolit içeren kompozit optimum sonuçları vermiştir. PLA’ in termal dayanımını, PEG’un azalttığı, zeolitin ise artırdığı görülmüştür.
Kristalizasyon ve erime sıcaklığını PEG düşürürken zeolit ilavesi ile bu değerlerin arttığı görülmüştür. Filmlerin su tutma kapasitelerine bakıldığında zeolitin higroskopik doğası nedeniyle polimer filmlerin su tutma kapasitelerinin arttığı belirlenmiştir.
Ayrıca polimer matris üzerine katkılama yapılmasıyla matris ve katkı arasında oluşan boşluklu yapılarında filmlerin su tutmasında etkili olduğu görülmüştür.
Feza Geyikçi
Kimya Mühendisliği Bölümü
Ondokuz Mayıs Üniversitesi
Buğçe Özoğul
Kimya Mühendisliği Bölümü
Ondokuz Mayıs Üniversitesi
Kaynaklar
[1] Bhasney, S. M., Patwa, R., Kumar, A. and Katiyar, V. (2017). Plasticizing effect of coconut oil on morphological, mechanical,
thermal, rheological, barrier, and optical properties of poly (lactic acid): A promising candidate for food packaging. Journal of
Applied Polymer Science, 134(41).
[2] Ho, M. P., Lau, K. T., Wang, H. and Hui, D. (2015). Improvement on the properties of polylactic acid (PLA) using bamboo
charcoal particles. Composites Part B: Engineering, 81, 14-25.
[3] Yuzay, I. E., Auras, R., Soto-Valdez, H. and Selke, S. (2010). Effects of synthetic and natural zeolites on morphology and
thermal degradation of poly (lactic acid) composites. Polymer Degradation and Stability, 95: 9, 1769-1777.
[4] Yuzay, I. E., Auras, R. and Selke, S. (2010). Poly (lactic acid) and zeolite composites prepared by melt processing:
morphological and physical– mechanical properties. Journal of applied polymer science, 115: 4, 2262-2270.
[5] Chieng, B. W., Ibrahim, N. A., Yunus, W. M. Z. W. and Hussein, M. Z. (2013). Plasticized poly (lactic acid) with low molecular
weight poly (ethylene glycol): Mechanical, thermal, and morphology properties. Journal of Applied Polymer Science, 130: 6,
4576-4580.
[6] Zhang, J., Wang, S., Zhao, D., Zhang, Y., Pang, W., Zhang, B. and Li, Q. (2017). Improved processability and performance of
biomedical devices with poly (lactic acid)/poly (ethylene glycol) blends. Journal of Applied Polymer Science, 134: 33.
[7] Chieng, B. W., Ibrahim, N. A., Yunus, W. M. Z. W. and Hussein, M. Z. (2013). Poly (lactic acid)/poly (ethylene glycol) polymer
nanocomposites: effects of graphene nanoplatelets. Polymers, 6: 1, 93-104.
