Mechanochemical radical formation in cellulose ball milling and production of cellulose-metal nanoparticles composites

Selüloz, tekrar eden 𝛽-1,4-glikosidik bağlarla birbirine bağlı D-glikoz moleküllerinden oluşmuş doğada en çok bulunan bir biyopolimerdir. Son on yılda sürdürülebilirlik ve yeşil kimya alanına olan artan ilgi nedeniyle selülozlu malzemeler dikkat çekmektedir. Selülozun bol miktarda bulunması, hafif, dayanıklı ve biyobozunabilir olması nedeniyle selüloz içeren kompozit malzemeler de doğa dostu, biyouyumlu, düşük maliyetli, hafif ve çok fonksiyonlu olabilmektedir. Metal nanoparçacıkları (NP) içeren selüloz kompozitleri (selüloz-metal NP kompoziti), metal NP ve selüloz matrisinin birleşmiş özelliklerinden dolayı birçok kullanım alanına sahiptir. Ancak selüloz-metal NP kompozitlerinin mevcut üretim metotları, metal iyonlarını indirgemek ve stabilize etmek için kullanılan zararlı kimyasalları gerektirdikleri için, genellikle çok adımlı, uzun ve çevre dostu olmayan yöntemler içermektedirler. Bu tez çalışması, bilyeli öğütme ile selüloz mekanoradikalleri üretiminin kalitatif ve kantitatif olarak, mekanik etki sonrası selüloz örneklerinde meydana gelen değişiklerle birlikte incelenmesi ve üretilen selüloz mekanoradikallerinin metal katyonlarını selüloz matrislerinde indirgenmesi için indirgen madde olarak kullanılarak selüloz-metal NP kompozitlerinin elde edilmesine odaklanmaktadır. İlk olarak, selüloz mekanoradikalleri -selüloz zincirindeki bağların mekanik etki altında (bilyeli öğütme ile) homolitik olarak kırılması sonucu oluşan serbest radikaller- kalitatif ve kantitatif olarak analiz edilmiştir. ESR spektroskopisi ile yapılan kalitatif analiz, oluşan radikallerin genellikle peroksil ve alkoksil radikalleri olduğunu göstermiştir. Selüloz örneklerinin (pamuk ve mikrokristal selüloz) ıslak ve kuru koşullarda öğütülmesi ile oluşan mekanoradikallerin sayısı DPPH çözeltisi kullanılarak, UV-Vis Spektroskopisi ile tayin edilmiştir. Kuru öğütme yönteminin daha fazla sayıda mekanoradikal üretimine neden olduğu gösterilmiştir. Öğütme sonrasında SEM, XRD ve FTIR-ATR analizleri ile izlenilen selüloz örneklerinde meydana gelen değişikliklerin mekanoradikal oluşumu ile paralellik gösterdiği rapor edilmiştir. Kuru koşullarda öğütmenin daha etkili olmasından dolayı, artan öğütme zamanı ile selüloz liflerinin boyutlarının sürekli azalması sonucu erişilebilir alanların artması yanında daha küçük parçacık boyutlu selülozun ve çoğunlukla amorf selülozun oluştuğu gözlemlenmiştir. Öğütülmüş selüloz örneklerinin, özellikle de kuru olarak öğütülmüş örneklerin FTIR-ATR analizleri, moleküller içi ve moleküller arası hidrojen bağları ve 𝛽-1,4-glikosidik bağların kırıldıkları göstermiştir. Son olarak selüloz mekanoradikalleri ilk defa indirgen madde olarak kullanılarak selüloz-metal NP kompozitleri üretilmiştir. Bu kompozitler SEM, EDX, XRD ve XPS analizleriyle karakterize edilmiştir. Au, Ag, Pt ve Pd NP metalik formlarında, Cu NP metalik veya +1 yükseltgenme basamağında ve Cu2O formunda, Co ise 2+ yükseltgenme basamağında ve CoO NP formunda selüloz matrislerinde başarıyla üretilmiştir. Bu mekanokimyasal yöntem, selüloz-metal NP kompozitleri üretimi için yeni ve yeşil bir metot olarak önerilebilmektedir. Sonuç olarak bulgularımız mekanokimya ve kompozit malzeme alanına katkı sağlayabilmektedir.