HAp Tozlarının Fizikokimyasal Karakterizasyonu

2.3.1.1. X-Işını Kırınım İncelemesi

X-Işını kırınımı (XRD), malzemelerin kristalografik özelliklerinin karakterize edilmesi için kullanılan güçlü ve tahribatsız bir analiz tekniğidir. X ışını toz kırınımı, bilinmeyen kristal yapılı malzemelerin (örneğin mineraller, inorganik bileşikler) tanımlanması için en yaygın şekilde kullanılır [163]. Kristal malzemelerin yapı kristalliliğinin ve fazlarının, kristal yönelimlerinin ve ortalama tane büyüklüğünün, kristal kusurlarının belirlenmesinde kullanılan etkili bir yöntemdir. X-Işını kırınım modeli, herhangi bir malzemedeki periyodik atomik düzenlemelerin parmak izini belirlediği için çok çeşitli kristalli numuneler için hızlı faz tanımlamayı mümkün kılmaktadır [163]. Bu tez çalışması kapsamında üretilen HAp numunelerin sahip olduğu fazları ve kırınım veren pikleri belirlemek amacıyla Afyon Kocatepe Üniversitesinde bulunan SHIMADZU 6000 model XRD cihazı kullanılmıştır.

Cihaz 40kV/40mA ile üretilen 1,544 Å dalga boyuna sahip Cu Kα X-Işınlarını kullanmaktadır (Şekil 2.4). Bu analizde, X-Işını detektörü numune etrafında hareket

47

ederek pik yoğunluklarını ölçmektedir. Ölçülen pik şiddetleri karakteristik bir özellik olan kırınım açısı 2θ’yı vermektedir. En yüksek tepe, %100 olarak tanımlanmaktadır.

Bu maksimum pik değerine göre diğer tüm piklerin şiddetleri belirlenmektedir. XRD analizinde 2θ tarama aralığı 10º ile 80º arasında ve 0,1°’lik adımlarla yapılmıştır.

Şekil 2.4 SHIMADZU 6000 model XRD cihazı

Toz Kırınım Standartları Ortak Komitesi (JCPDS) tarafından HAp için belirlenen ve Çizelge 2.2’de gösterilen 09-0432 koduna göre referans 2θ değerleri kullanılarak faz tanımlama işlemi yapılmıştır.

Çizelge 2.2 ASTM, Numara 9-432, HAp

d (Ǻ) I/Ri % Miller İndisleri d (Ǻ) I/Ri % Miller İndisleri

5,250 5 (101) 2,000 5 (203)

4,720 3 (110) 1,943 30 (222)

4,070 9 (200) 1,890 15 (312)

3,880 9 (111) 1,871 5 (320)

3,510 1 (201) 1,841 40 (213)

3,440 40 (002) 1.806 20 (321) 3,170 11 (102) 1,780 11 (410) 3,080 17 (210) 1,754 15 (402), (303)

48

2,814 100 (211) 1,722 20 (004), (411)

2,778 60 (112) 1,684 3 (104)

2,720 60 (300) 1,644 9 (322), (223)

2,631 25 (202) 1,611 7 (313)

2,528 5 (301) 1,587 3 (501), (204)

2,296 7 (212) 1,542 5 (420)

2,262 20 (310) 1,530 5 (331)

2,228 1 (221) 1,503 9 (214), (421)

2,148 9 (311) 1,474 11 (502)

2,134 3 (302) 1,465 3 (510)

2,065 7 (113) 2,040 1 (400)

2.3.1.2. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Enerji Dağılım Spektrumu (EDS) incelemesi

SEM, yüksek gerilim ile hızlandırılmış elektronların numune üzerine gönderilmesi ile elektron demetinin numune yüzeyinde taratılması sırasında elektron ve numune atomları arasında oluşan elastik ve elastik olmayan çarpışmalarla meydana gelen elektron demetlerinin kullanılması ilkesine dayanmaktadır.

Üretim için kullanılan çöktürme yönteminin, HAp tozlarının yüzey morfolojisi, tane yapısı ve Ca/P değerine etkisinin anlaşılabilmesi için SEM kullanılmıştır. Üretim süreçlerinde dış kaynaklardan dolayı olası kirlenmelerini ortadan kaldırmak amacıyla HAp tozları, SEM incelemesi öncesi etanol ile yıkandı. Yıkama işlemi sonucunda oluşan nemin ortadan kaldırılması için oda sıcaklığında 30 dakikalık nem uçurma işlemi yapıldı. HAp toz örnekleri, iyi bir iletken olmadığından analiz sırasında numunelerin iletkenliğini arttırmak için yüzeyleri Kırıkkale Üniversitesinde bulunan Polaron marka altın kaplama cihazı (Şekil 2.5) ile ince bir tabaka halinde Altın/Paladyum ile kaplandı.

49

Şekil 2.5 a) FEI / Quanta 450 FEG Taramalı Elektron Mikroskobu, b) Polaron Altın kaplama cihazı

HAp tozunun yüzey morfolojisi niceleyici EDS özelliğine sahip cihazla (Şekil 2.5) 20 kV’luk hızlandırma geriliminde ve ikincil elektron demetleriyle, 0,5 ve 1,0 µm çözünürlükte değerleriyle incelendi. Yüzey morfolojileri incelenirken cihaz yazılımında (Measurement Scaler) mevcut ölçüm programı kullanılarak tane boyut ölçümleri yapıldı. Tane boyut ölçümlerinde her bir numune için 10 adet ölçüm kaydedildi. Elde edilen ölçüm sonuçlarıyla ortalama tane boyut değeri elde edildi. Bu değerler, Zetasizer cihazıyla elde edilen tane boyut değerleriyle karşılaştırıldı. SEM incelemesi sırasında her bir numune için EDS kullanılarak Ca/P oranı ve yüzey haritalandırması yapıldı. Böylece HAp ana bileşenleri olan Ca, P ve O’nun analitik olarak dağılımı belirlendi.

a

b

50 2.3.1.3. Zetasizer İncelemesi

Zetasizer cihazı, numunelerin kimyasal reaktifliği, opaklığı, akışkanlığı ve malzeme mukavemetini anlamaya yardımcı olan ve nano boyutta tane boyutunun belirlenmesini sağlayan bir cihazdır. Parçacıkların büyüklüğünün ölçümü 2 mW gücünde küçük bir helyum-neon lazeri ile tek mercekli bir lazer kırınım sistemi vasıtasıyla gerçekleştirildi. Küçük tanelerin boyutlarını ölçmek için ışığın ortam içerisinde tane boyu etrafındaki hem kırılmasını hem de geçirgenliğini dikkate alan Mie teorisi [164] kullanılmıştır. Cihazda, düşük güçteki helyum-neon lazerin ışığı, (genellikle 18 mm çapında) tek renkli ışık demeti oluşturmak için kullanılmaktadır.

Tane boyut analizi yapılması için Kırıkkale Üniversitesi Merkez Laboratuvarları bünyesinde kullanılan Malvern Mastersizer S Zetasizer cihazı kullanılmıştır. (Şekil 2.6,) Cihaz, 0,05 ila 3500 mikron arasında tane boyutlarını belirleyebilmektedir.

Tane boyut analizi, ISO 14887 standardına [165] uygun olarak yapıldı. Bu standart gereği 1 g sodyum heksametafosfat, bir dağıtıcı olarak işlev görmek üzere 1000 ml deiyonize su içinde manyetik bir karıştırıcı ile karıştırıldı. Sonra 0,5 gram öğütülmüş HAp numunesi 80 - 100 ml olacak şekilde hazırlanan çözelti, önceki adımda elde edilen çözelti içine dâhil edildi. Daha sonra bu iki çözelti, 5 dakika kadar manyetik karıştırıcıda karıştırıldı. Bu işlemle parçacıkların birbirlerinden bağımsız olarak hareket etmesi ve ayrılması sağlanmıştır. Bu nedenle karıştırılan süspansiyon daha sonra 5 dakikalık bir süre boyunca ultrasonik banyoya alındı. Analiz işlemi için hazır hale gelen çözelti, cihaz içerisine alındı ve her bir numune için aynı işlem tekrarlanarak tane boyut ölçümleme işlemi yapıldı. Tane boyut analizi sonucunda elde edilen sonuçlar bir grafik halinde veri çıktısı olarak kaydedildi. Cihazın yazılımıyla elde edilen ortalama tane boyut değerlerinin SEM incelemesi sonucunda elde edilen değerlerle uyumluluğu değerlendirildi.

51 Şekil 2.6 Malvern Mastersizer S Zetasizer cihazı

2.3.1.4. ICP-OES İncelemesi

İndüktif olarak çiflenmiş plazma atomik emisyon spektroskopisi ICP-AES, ingilizce

“Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy” ifadesinin kısaltmasıdır.

Ayrıca, indüktif olarak çiflenmiş plazma optik emisyon spektrometresi (ICP-OES) olarak da adlandırılmaktadır. Belirli bir elementin karakteristik dalga boylarında elektromanyetik radyasyon yayan uyarılmış atomlar ve iyonlar üretmek için indüktif olarak bağlanmış plazmayı kullanan bir tür emisyon spektroskopisi olan ICP-OES, elementlerin kimyasal analizlerinde kullanılan analitik bir yöntemdir.

Kırıkkale Üniversitesi Merkez Laboratuvar bünyesinde bulunan ve Şekil 2.7’de gösterilen ICP-OES cihazıyla HAp örneklerin ana bileşenleri olan Ca, P, Ag değerleri ppm düzeyinde belirlendi. Elde edilen Ca ve P değerleri, SEM-EDS çalışmasından elde edilen Ca, P değerleriyle kıyaslandı. Burada, Ca/P oranı için beklenen 1,66..7 değerinin gerçekleşme durumu gözlendi. Bu analiz için 14 ml cam tüp içerisine 3 ml nitrik asit, 11 ml eşlenik vücut sıvısı (SBF)+HAp eklendi. Bu solüsyon içerisinden Ca, P değerleri ppm seviyesinde tespit edildi. Yapılan analiz sonucunda elde edilen sonuçlar 3 ayrı ölçümün ortalamasıdır. Aynı zamanda ICP-OES, gümüş salım tayininde yapıdan salım yapan Ag(I) iyon değerlerinin belirlenmesinde de kullanıldı. Gümüş salım tayininde benzer şekilde 14 ml cam tüp

52

içerisine 3 ml Nitrik asit, 11 ml SBF+Ag(I)-HAp kullanılarak hazırlanan çözeltinin de analizi yapıldı. Farklı gün sürelerinde bekletilen her bir örnek için Ag(I) iyonu değeri kaydedildi. Elde edilen değerler, bir çizelgeye dönüştürüldü. ICP-OES cihazı, hem Ca/P oranının belirlenmesinde hem de Ag(I) iyonu salım değeri belirlenmesinde kullanıldı.

Şekil 2.7 ICP-OES Cihazı

2.3.1.5. Yoğunluk Ölçümü İncelemesi

Yoğunluk ölçümünde kullanılmak üzere HAp numunelerden bir kısmı öğütülmeden sinterlendi. Bu HAp numunelerinin yoğunluğunun belirlenmesinde kesin bir analiz yöntem zorunluluğu olmadığından [134], yoğunluk ölçümlerinde Archimed yöntemi kullanıldı (Şekil 2.8).

Parçacık boyutu ve gözenekli yapı malzeme yoğunluğunu etkileyen faktörlerdendir.

Yoğunluk ölçümünde öncelikle HAp katı örneklerinin ağırlıkları tartıldı. Aynı örnek sulu terazi içine daldırılarak sulu halinde ağırlığı ölçüldü. Taşırdığı su miktarı ölçülerek, kuru ağırlığın hacme oranıyla yoğunlukları belirlendi. Elde edilen yoğunluk değerlerindeki değişim, katkı oranındaki değişime göre incelendi.

53

Şekil 2.8 Archimed prensibine göre yoğunluk ölçüm sistemi

2.3.1.6. FTIR İncelemesi

Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) katı, sıvı veya gazın kızılötesi soğurma spektrumunu veya salınımını elde etmek için kullanılan bir yöntemdir [124, 165]. FTIR spektroskopisinin amacı bir örneğin her dalga boyunda ışığı ne kadar iyi soğurduğunu ölçmektir [166]. Bunu ölçebilmek için kullanılan FTIR’da, bir numuneye belli bir frekansta tek dalga boyunda ışık gönderilerek, ışığın ne kadarının numene tarafından emildiği ölçülmektedir [124, 165]. Bu işlemde dalga boyuna karşılık gelen soğurma oranına göre bir pik şiddeti oluşmaktadır. Bu analiz sonucu, dalga boyuna karşılık gelen soğurma şiddeti çizilerek bir spektrum elde edilmektedir.

FTIR spektroskopisi, birçok malzemenin kimyasal yapısını belirlemede kullanıldığı gibi, CaP ürünlerinin kimyasal analizinde de sıklıkla kullanılmaktadır. Bu analiz sonucunda elde edilen spektrumun pikleri; konum, yoğunluk, genişlik ve dalga sayısı gibi bilgileri göstererek, ürünün fonksiyonel gruplarının yorumlanmasında katkı sağlamaktadır.

a b

54 Şekil 2.9 Bruker Vertex V70 FTIR Cihazı

Üretimi yapılan HAp toz numunelerinin fonksiyonel gruplarını belirlemek amacıyla Kırıkkale Üniversitesi Merkez Laboratuvarı bünyesinde bulunan Bruker Vertex V70 marka FTIR cihazı (Şekil 2.9) kullanıldı. Cihaz, 400–4000 cm⁻¹ dalga boyu aralığında çalışmakta olup çözünürlüğü 4 cm⁻¹ ve 36 kez ortalama taraması sayısı olan bir cihazdır. Cihazda, birkaç mg kadarlık toz numuneler ile analiz edilebilmektedir. Kullanılan numune miktarının azlığı, analizlerin tekrarlanabilirliği gibi özellikleri nedeniyle FTIR tekniği kullanışlı bir analiz yöntemidir. Bu analizle üretimi yapılan katkısız HAp ve Ag(I)-HAp örneklerinin PO4

3-, OH^-, CO3

2-, HPO4

2-fonksiyonel grupları belirlenmeye çalışıldı. Analiz sonucunda dalga boyuna karşılık soğurma yoğunluğunu gösteren bir spektrum çizildi. Elde edilen grup dalga boyları literatürle karşılaştırılarak sonuçların uygunluğu değerlendirildi.