Yeşil sentezle kuşburnundan karbon kuantum noktaların (KCQDS) eldesi, K-CQDS katkılı polikaprolakton filmlerin (PCL/KCQDS) hazırlanması, mekanik ve biyobozunurluk özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Biyobozunur olmayan plastiklerin kullanımını azaltmak ve atık sorununu çözmek için biyobozunur polimerlere yönelik büyük çabalar ve araştırmalar devam etmektedir. Son yıllarda, biyolojik olarak parçalanabilen malzemeler, sentetik çok yönlülüğü ve esneklik özellikleri nedeniyle popülerlik kazanmıştır. PCL, iyi esnekliği, toksik olmaması, işlenme kolaylığı ve diğer polimerlerle uyumluluğu ile bilinen sentetik ve hidrolitik olarak parçalanabilir bir polyester grubu polimeridir. PCL' nin mekanik özelliklerinin yetersiz olması nedeniyle kullanımı sınırlıdır. Mekanik özelliklerini iyileştirmek için dolgu maddeleri ile PCL bazlı kompozitler veya nanokompozitler üretilmektedir. Özellikle karbon nano yapılar, mükemmel fizikokimyasal, mekanik ve elektriksel özelliklerinden dolayı dolgu maddesi olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Üstün özellikli karbon nano yapılardan biri olan karbon kuantum nano noktalar (CQDs) son yıllarda birçok çalışmanın odak noktası haline gelmiştir. Bu çalışmada, K-CQDs örnekleri kuşburnu meyvesi (RoseCanina L.) kullanılarak hidrotermal yöntemle sentezlenmiş ve gelişmiş mekanik, biyobozunur özelliklere sahip PCL film nanokompozitleri üretmek için dolgu maddesi olarak kullanılmıştır. K-CQDs örneklerinin farklı miktarları (ağırlıkça %0,3-, 0,5-; 1,2-, 2,0 ve 4,0) ilave edilerek PCL/K-CQDs film nanokompozitleri, sıvı faz ultrasonik karıştırma yöntemiyle üretilmiştir. K-CQDs örneklerinin karakterizasyon sonuçları, kuantum verimlerinin %23,8 olduğunu, yüzeylerinin oksijen içeren gruplarla zenginleştiğini ve grafit faz yapısı sergilediğini göstermiştir.Yapısal analizin sonuçları, KCQDs ve PCL matriks arasındaki arayüzey etkileşimlerinin yanı sıra PCL/K-CQDs filmlerinin amorf yapılarını doğrulamıştır.Üretilen filmlerin mekanik özellikleri PCL ile karşılaştırıldığında, PCL/K-CQDs-2.0 filmi %27,7 artışla en yüksek çekme mukavemeti değerine (17,65 MPa), PCL/K-CQDs-4.0 filmi en yüksek akma mukavemeti (9,02 MPa; %40,9 artış) ve en yüksek mikrosertlik (4,80 HV0,025; %14,8 artış) değerlerine sahip olmuştur. Biyobozunurluk testi sonuçları, PCL/K-CQDs filmlerinin, polimer-dolgu ara yüzey etkileşimi ve amorf yapı nedeniyle PCL’ den daha düşük ağırlık kaybı sergilediklerini göstermiştir.

Great efforts and investigations into biodegradable polymers are on going to decrease theuse of non-biodegradable plastics and solve their waste problem. Inrecentyears, biodegradable materials have gained popularity due to their synthetic versatility and flexible features. PCL is a synthetic and hydrolytically degradable polyester grouppolymerknownforitsgoodflexibility, non-toxicity, ease of processing, and compatibility with other polymers. Due to the insufficient mechanical properties of PCL, its use is limited. To improve their mechanical properties, PCLbased composites or nanocomposites have been produced with fillers. Carbon nanostructures have been widely used as fillers due to their excellent physicochemical, mechanical, and electrical properties. Carbonquantumnanodots (CQDs) areone of the carbon nano structures with superior properties that have become the focus of many studies in recentyears. In this study, K-CQDs samples were synthesized through a hydrothermal method using rosehip fruit (Rose Canina L.) and used as filler to produce PCL film nanocomposites with improved mechanical and biodegradable properties. The PCL/K-CQDs film nanocomposites filled with different contents (0,3-, 0,5-, 1,2-, 2,0-, and 4,0 wt.%) of K-CQDs were produced vialiquid phase ultra sonic mixing. The characterization results of K-CQDs samples showed that their quantum yields were 23.8%, their surfaces were enriched with oxygen-containing groups, and they exhibited a graphite phase structure. The results of the structural analysis confirmed the interfacial interactions between the K-CQDs and the PCL matrix, as well as the amorphous structures of the PCL/K-CQDs films. PCL/K-CQDs-2.0 film had the highest tensile strength value (17.65 MPa) with a 27.7% increase, and PCL/K-CQDs-4.0 film had the highest yield strength (9.02 MPa; a 40.9% increase) and the highest microhardness (4.80 HV0.025; a 14.8% increase) compared to PCL. Biodegradability test results showed that PCL/K-CQDs films exhibited lower weight loss than PCL due to polymer-filler interfacial interaction and amorphous structure.