Kübik bor nitrür takviyeli polimetil metakrilat kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, diş hekimliğinde protez kaide materyali olarak yaygın şekilde kullanılan ısıyla polimerize polimetil metakrilatın, kübik bor nitrür nanopartikülleri ile güçlendirilmesinin mekanik, tribolojik ve mikroyapısal etkileri değerlendirilmiştir. PMMA, estetik özellikleri, düşük maliyeti ve kolay işlenebilirliği nedeniyle klinik kullanımda önemli bir yere sahiptir. Bununla birlikte düşük yüzey sertliği, sınırlı aşınma direnci ve mekanik zayıflıkları, bu materyalin farklı katkılarla güçlendirilmesini gerekli kılmaktadır. Bu doğrultuda yüksek sertlik, kimyasal kararlılık ve aşınma direnci ile öne çıkan c-BN'nin PMMA matrisi için potansiyel bir takviye ajanı olabileceği düşünülmüştür. Çalışmada katkı içermeyen PMMA kontrol grubu ile ağırlıkça %1, %3 ve %5 oranlarında c-BN içeren PMMA kompozit grupları hazırlanmıştır. Mikrosertlik ve aşınma testleri için her grupta 10'ar numune kullanılmış, SEM/EDS, FT-IR ve XRD analizleri ise her grubu temsil eden numuneler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yüzey mikrosertliği Vickers mikrosertlik testiyle, aşınma davranışı ise pin-on-disc yöntemiyle değerlendirilmiştir. Elde edilen veriler uygun istatistiksel yöntemlerle analiz edilmiş, ayrıca c-BN oranı ile sertlik ve kütle kaybı arasındaki ilişkiler korelasyon, regresyon ve yapay zekâ destekli tahmin modelleriyle incelenmiştir. Bulgular, c-BN ilavesinin PMMA'nın yüzey sertliğini katkı oranına bağlı olarak artırdığını ve aşınmaya bağlı kütle kaybını azalttığını göstermiştir. Saf PMMA grubunda ortalama sertlik değeri 20.000 HV0,03 iken, %5 c-BN grubunda 45.000 HV0,03 seviyesine ulaşmıştır. Benzer şekilde, 1000 m sonunda en yüksek kütle kaybı saf PMMA grubunda, en düşük kütle kaybı ise %5 c-BN grubunda elde edilmiştir. Bu sonuçlar, c-BN oranındaki artışın PMMA'nın mekanik ve tribolojik performansını olumlu yönde etkilediğini göstermektedir. SEM incelemelerinde c-BN katkılı gruplarda partikül benzeri yapıların daha belirgin hâle geldiği, katkı oranı arttıkça yüzeydeki partikül yoğunluğunun arttığı ve özellikle %5 c-BN grubunda lokal kümelenme alanlarının oluştuğu gözlenmiştir. EDS analizlerinde bor ve azot elementlerinin saptanması c-BN varlığını desteklemiştir. FT-IR bulguları, c-BN ilavesinin PMMA'nın temel kimyasal yapısında belirgin bir değişikliğe yol açmadığını göstermiştir. XRD analizlerinde ise PMMA'nın amorf yapısının büyük ölçüde korunduğu, yüksek c-BN oranlarında c-BN'ye ait kristalin yansımaların daha belirgin hâle geldiği değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, c-BN nanopartikülü ilavesinin ısıyla polimerize PMMA protez kaide materyalinin yüzey sertliğini ve aşınma direncini artırdığı belirlenmiştir. En belirgin iyileşme %5 c-BN grubunda elde edilmiş olup, SEM/EDS, FT-IR ve XRD bulguları mekanik ve tribolojik sonuçları desteklemiştir. Bu bulgular doğrultusunda c-BN nanopartiküllerinin, PMMA esaslı protez kaide materyallerinin performansını geliştirmede kullanılabilecek umut verici bir takviye ajanı olduğu düşünülmektedir.In this thesis study, the mechanical, tribological and microstructural effects of reinforcing heat-polymerized polymethyl methacrylate, which is widely used as a denture base material in dentistry, with cubic boron nitride nanoparticles were evaluated. PMMA has an important place in clinical use due to its aesthetic properties, low cost and ease of processing. However, its low surface hardness, limited wear resistance and mechanical weaknesses require the improvement of this material with different reinforcing agents. In this context, c-BN, which is known for its high hardness, chemical stability and wear-resistant structure, was considered a potential reinforcing agent for the PMMA matrix. In the study, an unmodified PMMA control group and PMMA composite groups containing 1%, 3% and 5% c-BN by weight were prepared. Ten specimens were used in each group for microhardness and wear tests, while SEM/EDS, FT-IR and XRD analyses were performed on representative specimens from each group. Surface microhardness was evaluated using the Vickers microhardness test, and wear behavior was assessed using the pin-on-disc method. The obtained data were analyzed using appropriate statistical methods. In addition, the relationships between c-BN concentration, hardness and mass loss were examined using correlation, regression and artificial intelligence-based prediction models. The findings showed that the addition of c-BN increased the surface hardness of PMMA in a concentration-dependent manner and reduced wear-related mass loss. While the mean hardness value of the pure PMMA group was 20.00 HV0.03, this value increased to 45.00 HV0.03 in the 5% c-BN group. Similarly, at the end of 1000 m, the highest mass loss was observed in the pure PMMA group, whereas the lowest mass loss was obtained in the 5% c-BN group. These results indicate that increasing c-BN concentration positively affected the mechanical and tribological performance of PMMA. SEM examinations revealed that particle-like structures became more prominent in the c-BN-containing groups, and that the particle density on the surface increased with increasing c-BN concentration. Local agglomeration areas were observed particularly in the 5% c-BN group. The detection of boron and nitrogen elements in EDS analyses supported the presence of c-BN. FT-IR findings showed that c-BN addition did not lead to a significant alteration in the main chemical structure of PMMA. XRD analyses indicated that the amorphous structure of PMMA was largely preserved, while crystalline reflections associated with c-BN became more evident at higher c-BN concentrations. In conclusion, the addition of c-BN nanoparticles improved the surface hardness and wear resistance of heat-polymerized PMMA denture base material. The most pronounced improvement was observed in the 5% c-BN group, and the SEM/EDS, FT-IR and XRD findings supported the mechanical and tribological results. Based on these findings, c-BN nanoparticles may be considered a promising reinforcing agent for improving the performance of PMMA-based denture base materials.