Biyo-esinlenmiş hiyerarşik polimer nanokompozitlerin tasarımı, hazırlanması ve karakterizasyonu

Günümüzde polimer kompozit üretmek için kullanılan yöntemler mekanik mukavemeti artırırken, tokluğun ve sünekliğin azalmasına neden olmaktadır. Bu durum, kompozit malzemelerin kopma dayanımının ve dolayısıyla ömürlerinin azalmasına sebep olmaktadır. Polimer kompozit malzemeler modern yaşamın pek çok alanında yer alır ve bu sebeple mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi oldukça önem teşkil eder. Örneğin; polimer kompozit malzemelerden endüstriyel ölçekte havacılık (uçak ve roketlerin bileşenleri) ve sağlık (yapay kol, bacak, kemik protezleri v.b.) sektörlerinde faydalanılmaktadır. Makro ölçekte ise başta mikro-elektronik sistemler ve ince film kaplamalar olmak üzere pek çok uygulamada yararlanılmaktadır. Bu tezde amaç, insan kemiği ve istiridye gibi yüksek mekanik özelliğe sahip biyolojik yapılardan ilham alınarak, hiyerarşik ölçekli ve parçacık yoğunluğu konuma göre değişen (kademeli) polimer nano/mikro kompozit malzemelerin tasarımı, sentezi, karakterizasyonu ve üretilen malzemelerin mekanik özelliklerinin incelenmesidir. Hiyerarşik kademeli kompozitler geleneksel kompozitlere göre iki avantaja sahiptir. İlk olarak, doğada kademeli kompozitler, mekanik olarak farklı bölgeleri kesintisiz şekilde birleştirir. Örneğin, kemik, kıkırdak, tendon gibi biyolojik sistemler ara yüzey hasarını ve kırılmasını önleyen kademeli parçacık dağılımı ile bağlanır. İkinci olarak doğada (insan kemiği) farklı boyuttaki parçacıkların (nano, mikro ya da makro ölçekte) polimer matris içinde hiyerarşik etkisi hem güçlü hem de tok mekanik özelliklere neden olur. Bu özellik günümüzde ticari ölçekte polimer teknoloji seviyesinin izin verdiği sadece tek boyutta parçacık takviyesiyle elde edilememektedir. Matrisi polimer olan sentetik hiyerarşik kompozitler, elastik yapıları ve düşük yoğunlukları sayesinde biyolojik malzemeleri daha iyi taklit edebilirler. Çevre dostu bir yol izlenilerek bu çalışmada, biyouyumlu polimer nanokompozit üretimine odaklanılmıştır. Takviye malzemesi olarak silika ve iki farklı nanokil; halloysit nanotüp (HNT) ve bentonit (BNT), polimer matris olarak polivinilpirolidon (PVP) kullanılmıştır. Tüm nanokompozitler çözelti ortamında sentez yöntemiyle sentezlenmiş; kil ve nanokompozit yapıları FTIR, XRD ve TGA analizleri ile karakterize edilmiştir. PVP matris içerisinde HNT ve BNT dağılımı TEM ile araştırılmıştır. Hem PVP hem de sentezlenen nanokompozitler, düşük yoğunluklu polietilen ile (LDPE) karıştırılarak enjeksiyon kalıplama makinesi ile mekanik test numunesi üretimleri gerçekleştirilmiştir. Enjeksiyon numunelerine mekanik testlerden 3-nokta eğme ve darbe testleri uygulanmıştır. 3-nokta eğme testi sonrasında numunelerin kırılma yüzeyleri SEM ile incelenmiştir. Halloysit nanotüp takviyeli polimer nanokompozitler ile kademeli film üretimleri yapılmış ve bunun için döndürmeli kaplama cihazı kullanılmıştır. Filmlerin morfolojisi ve pürüzlülüğü AFM ile analiz edilmiştir. Halloysit nanotüp kil minerali ilavesi ile elde edilen mekanik gelişmeleri açıklamak için mikro indentasyon testi yapılmıştır. Bu çalışmanın sonunda önerilen nanokompozitler; gerek sentez yöntemi gerekse nanokompozit bileşenlerinin biyouyumlu, çevre dostu ve toksik olmaması nedeniyle kemik ve diş protezlerinde ve biyosensör esnek elektroniklerde kullanılan ticari polimer/kompozitlere çevre dostu bir alternatif olarak hizmet edebilecektir. Anahtar Kelimeler: biyouyumluluk, polivinilpirolidon, kil mineralleri, polimer nanokompozit, hiyerarşik yapı, mekanik özellikler, kademeli film