Nanofibrile edilmiş selüloz-poli(laktik asit) nanokompozitleri

Abstract

Son yıllarda, çevre kirliliğinin, küresel ısınmanın ve petrol bazlı ürün fiyatlarının artması gibi sebeplerden biyokompozitler araştırma ve uygulamalarda dikkat çekmektedir. Poli(laktik asit) yenilenebilir malzemelerden üretilen, iyi mekanik özelliklere sahip alifatik bir polyesterdir. Ancak uygulama alanına ve üretim yöntemlerine göre bazı dezavantajları vardır. Bu dezavantajları ortadan kaldırmak için proses kolaylaştırıcılar ve bazı takviye edici elemanlar kullanılmaktadır. Nanofibrile edilmiş selüloz (NFC); esnek, birbirine dolanmış ve uzunluğu 10 ile 100 nm arasında değişen selüloz nanoliflerinden oluşan yeni nesil bir nano-takviye malzemesidir. Selülozun hidrofilik yapısı nedeniyle, nanofibrile edilmiş selülozun apolar yapıdaki çoğu polimerde homojen dağılımı mümkün değildir. Bu yüzden, NFC'nin modifikasyonu gereklidir. Bu çalışmada, farklı silan bağlayıcılar ile modifiye edilmiş NFC'nin plastikleştirilmiş poli(laktik asit) (PLA) matris içindeki dağılımı mikroskopik olarak incelenmiş, elde edilen nanokompozitlerin özellikleri çekme testi, diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve reometre ile karakterize edilmiştir. Numuneler eriyik harmanlama tekniğiyle hazırlanmıştır. PLA'yı plastikleştirmek amacıyla poli(etilen glikol) kullanılmıştır. Deneysel parametre olarak silan türleri, aminosilan, vinil silan ve kloro silan, NFC konsantrasyonu ve plastikleştirici konsantrasyonu ele alınmıştır. NFC dağılımı ile mekanik ve termal özellikler arasındaki korelasyon incelenmiştir. Çekme testi sonucunda üç farklı silan ile modifiye edilmiş PLA/PEG/NFC nanokompozitlerinin özelliklerinin iyileştiği görülmüştür. Özellikle vinil silan ile modifiye edilmiş NFC nanokompozitlerinin mekanik özellikleri daha yüksektir. SEM görüntüleriyle homojen dağılımın gerçekleştiği anlaşılmıştır. DSC analizleri nanokompozitlerin kristallenme yüzdelerinin saf PLA'ya göre arttığını göstermektedir. Reoloji bulguları ile NFC dağılımı arasında korelasyon elde edilmiştir.Anahtar Kelimeler: Nanofibrile Edilmiş Selüloz, Nanokompozit, Poli(laktik asit), Silanlama.

In the recent years, biocomposites have attracted great attention due to increasing environmental pollution, global warming and rising prices of petroleum-based products. Poly(lactic acid) (PLA) is an aliphatic polyester with good mechanical properties that is produced from renewable materials. However, there are some disadvantages such as low toughness, low rate of crystallization, low hydrolytic stability. Process enhancers and some reinforcing agents are used to eliminate these disadvantages. Nano-fibrillated cellulose (NFC) is a flexible, intertwined cellulose nanofibers with fibril-lengths ranging from 10 to 100 nm. Due to the hydrophilic nature of the polysaccharides, the direct compounding of NFC in PLA is not possible since the distribution of NFC will be non-homogenous. Therefore, NFC modification is a necessity. In this study, the silane modified NFC reinforced plasticized PLA was prepared. Poly(ethylene glycol) (PEG) was used to plasticized PLA. The morphological, thermal, mechanical and rheological properties of composites were investigated. All the samples were prepared with a laboratory scale of twin-screw extruder. Type of silane coupling agent (amino-silane, vinyl-silane and chloro-silane), concentration of NFC and concentration of plasticizer were considered as experimental parameters. The mechanical, thermal, rheological and morphological properties have been investigated. The tensile properties of PLA/PEG/NFC nanocomposites were improved in the presence of silane coupling agents. The homogeneous distribution was monitored by SEM images. DSC results showed that crystallization percentages of nanocomposites were higher than that of pure PLA. The correlation between the rheology and the NFC distribution was obtained.Keywords: Nanofibrillated Cellulose, Nanocomposite, Poly(lactic asid), Silanation.