Farklı ortam şartlarında biyoplastiklerin biyobozunurluklarının değerlendirilmesi

Abstract

Bu tezde, biyobozunur polimerlerin farklı çevresel koşullarda bozunma davranışlarını inceleyen dört iş paketi gerçekleştirilmiştir. İlk iş paketinde, PLA filmleri ASTM D5988-18 standardına göre saf toprakta 90 gün süreyle inkübe edilmiş ve fiziksel, kimyasal ve morfolojik değişimleri FTIR, SEM ve kütle kaybı analizleriyle değerlendirilmiştir. İkinci iş paketinde, elektro çekim yöntemiyle üretilmiş mikrolifli yüzeyler, aynı standart altında 180 gün boyunca toprakta bozunmaya bırakılmış, süreç CO₂ salınımı ve SEM analizleriyle izlenmiştir. Üçüncü ve dördüncü iş paketi kapsamında, PLA filmi ve eriyikten çekim yöntemiyle üretilmiş PHB multifilament ipliklerin, arıtma çamuru, vermikompost gibi azotça zengin katkılar içeren toprak ortamlardaki bozunma davranışları araştırılmıştır. Bu süreçte, CO₂ salınımı ölçümleri, SEM ve FTIR analizleri kullanılarak numuneler üzerindeki morfolojik ve kimyasal değişiklikler değerlendirilmiştir. Çalışmanın sonuçları, organik katkıların (özellikle arıtma çamuru ve vermikompost) topraktaki mikrobiyal aktiviteyi ve azot içeriğini artırarak PLA'nın bozunma oranını belirgin şekilde yükselttiğini göstermiştir. 28 °C’de 180 gün boyunca saf toprakta %6 oranında bozunan PLA, katkılı topraklarda sırasıyla %40 ve %45 oranlarında bozunmuştur. Buna karşın, PHB numuneleri saf toprakta 75–90 gün içinde tamamen bozunurken, katkılı ortamlarda bozunma süresi uzamış, bu durum mikrobiyal seçicilik ile arıtma çamuru ve vermikompost içerisinde bulunan organik maddelerin öncelikli tüketilmesiyle açıklanmıştır. Kristalinite derecesi arttıkça bozunma hızının azaldığı gözlemlenmiş, üretim yöntemiyle ilişkili morfolojik farklılıkların biyobozunma performansını doğrudan etkilediği anlaşılmıştır. Elektro çekim yöntemiyle üretilen PHB’ler, yüksek yüzey alanlarına rağmen daha yavaş bozunurken, eriyikten çekimle elde edilen PHB'ler 20 gün içinde tamamen parçalanmıştır. PHB/PBS (75/25) karışımının yavaş bozunması, PBS’nin dirençli yapısı ile ilişkilendirilmiştir. Bu tez, biyoplastiklerin çevresel bozunma davranışlarını; üretim yöntemleri, toprak özellikleri ve organik katkılar ışığında bütüncül şekilde değerlendirmekte ve biyobozunur malzemelerin sürdürülebilir atık yönetimi stratejileri geliştirme sürecine katkı sunmaktadır.In this thesis, four work packages were conducted to investigate the degradation behavior of biodegradable polymers under different environmental conditions. In the first work package, PLA films were incubated in pure soil for 90 days under ambient conditions in accordance with ASTM D5988-18, and their physical, chemical, and morphological changes were evaluated using FTIR, SEM, and mass loss analyses. In the second work package, electrospun microfibrous surfaces were subjected to soil degradation under the same standard for 180 days, and the process was monitored through CO₂ evolution and SEM analysis. The third and fourth work packages focused on examining the degradation behavior of PLA films and melt-spun PHB multifilament yarns in nitrogen-rich soil environments enriched with sewage sludge and vermicompost. During these studies, CO₂ measurements, SEM imaging, and FTIR spectroscopy were used to assess the morphological and chemical changes of the materials. The results showed that the addition of organic amendments (particularly sewage sludge and vermicompost) significantly increased microbial activity and nitrogen content in the soil, which markedly enhanced the degradation rate of PLA. While PLA degraded only by 6% in pure soil after 180 days at 28 °C, the degradation rate increased to 40% and 45% in sludge- and vermicompost-enriched soils, respectively. In contrast, PHB samples fully degraded within 75–90 days in pure soil, but degradation slowed down in the amended soils. This was attributed to microbial selectivity and the preferential consumption of easily degradable organic matter. An inverse relationship between crystallinity and degradation rate was observed, indicating that morphological differences related to production methods directly influenced biodegradation performance. Although electrospun PHB samples had high surface areas, they degraded more slowly than melt-spun PHBs, which fully disintegrated within 20–45 days. The slower degradation of the PHB/PBS (75/25) blend was associated with the inherent resistance of PBS to biodegradation, whereas the PHB/PBS (90/10) blend and pure PHB samples degraded more rapidly.