Doğal Fiber ve Biyoplastik Kullanarak Çevreci Çözümler

Doğal Fiber ve Biyoplastik Kullanarak Çevreci Çözümler



Yrd. Doç. Dr. / Dilan Karabulut - Biyomühendislik Bölümü, Ege Üniversitesi

Assist. Prof. Dr. / M.Özgür Seydibeyoğlu - Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, - İzmir Katip Çelebi Üniversitesi

Giriş
Orman kaynaklı bitkilerden tarımsal kaynaklardan elde edilen bitkilere kadar çok farklı bitknin kullanımı ile çok fazla sayıda yeni malzemenin ve ürününün oluşturulması mümkündür. Bitkiler biyobozunur olma özellikleriyle yeşil malzeme ve ürünlerin eldesinde kullanılan, dünya üzerinde bolca bulunan yenilenebilir ve sürdürülebilir kaynaklardır. Selüloz dünya üzerinde en çok bulunan polimerdir. Bitkilerin yapının % 40-50’si selüloz iken geri kalan kısmı hemiselüloz, lignin, pektin vb.’den oluşmaktadır. Bitkiler bu özellikleri ile malzeme bilimcileri için, hassas mühendislik yaklaşımı ile birlikte özel tasarlanmış, farklı özelliklere sahip yeni biyo ürünlerinin keşfedilmesi yolunu açmaktadır. Dünyanın farklı bölgelerinde yetişen farklı özelliklere sahip bitkiler, ülkeler için ekomik fırsatlar sunmaktadır. Petrol kökenli kaynaklar tükenmektedir ve petrokimyasal kaynaklı malzemelerin fiyatları dalgalanma göstermektedir. Ayrıca bu malzemelerin kullanımı CO2 gazı emisyonuna sebep olmaktadır. Petrol bazlı malzemelerin yerini biyolojik kökenli malzemelerin alması gereklidir. Bu noktada biyoplastik ve biyofiberler önem kazanmaktadır. Son yapılan çalışmalar, fiberlerin özelliklerinin genetik mühendisliği uygulamaları ile istenilen şekilde biçimlendirilebileceğini göstermiştir. Biyoteknolojik gelişmeler piyasada mevcut olan plastiklerin yerini alabilecek yeni biyopolimerlerin üretimine fırsat sunmaktadır. Bu polimerler, belli şartlar altında kompostlanabilen çevre dostu ürünlerdir. Mısır ve soya, bu polimerlerin üretiminde kullanılan temel tarımsal kaynaklardır. Aynı zamanda bakteriyal polimerlerin üretimi için çalışmalar yapılmaktadır. Biyopolimerlerin ve biyofiberlerin kombinasyonu ile istenilen özelliğe göre şekillerdirilmiş biyomalzeme ve biyo ürün üretimi gerçekleştirilmektedir. Biyo kompozitlerin işlenmesi ve perfonması ile ilgili farklı optimizasyon çalışmaları yapılmaktadır.

Biyopolimerler
Petrol kökenli polimerlerin yerini alabilecek biyopolimerlerin biyoteknolojik yöntemler ile üretimi farklı araştırmacılar ve firmalar tarafından yoğun olarak çalışılan bir konudur. Bazı biyopolimerler, bitkilerdeki karbonhidratın fermantasyon prosesinde kullanılması ile üretilebilir. Polihidroksi alkonat (PHA) bu şekilde üretilen polimerlerdendir. Öte yandan, bazı biyopoliesterler, yenilenebilir kaynaklardan elde edilmiş monomerlerin polimerizasyonu ile elde edilebilmektedirler. Örneğin polilaktik asit (PLA), politri metilen terefilat ve polibütilen süksinat bu yöntem ile üretimiş polimerlerdir.
PLA, yenilebilir kaynaklardan üretilen ilk ticari polimerdir. PLA üretimi laktik asit polimerizasyonu ile yapılmaktadır. Laktik asit, mısırda bulunan nişastanın fermentasyonu ile elde edilmektedir. PLA işlenmesi, geleneksel termoplastiklerin işlenmesi prosesine benzerdir. Gıda paketleme işlemleri PLA’nın başlıca kullanım alanıdır.

PHA polimerleri biyobozunur ve biyouyumluluk özelliklerine sahip doğal kaynaklı polimerlerdir. Alceligenes eutrophus bakterisi tarafından fermantasyon prosesi ile üretilebilmektedir. Gelecek yıllarda PHA üretiminin önemli ölçüde artacağı beklenmektedir. PHA, çeşitli valerat içeriklerileriyle birlikte homopolimer veya kopolimer olarak kullanılabilirler. Bu polimer ailesinin elastisitesini geliştirmek için polimer karışımı ve belli katkı maddelerinin eklenmesi ile ilgili çalışmalar yapılmaktadır. İyi tanımlanmış yapılara sahip ve farklı uygulamalarda kullanılabilecek bakteriyel polimerlerin eldesi transgenik bitkilerin kullanımı ile sağlanabilmektedir.
Nişasta, amiloz ve amilopektin komponentlerinden oluşmuş, bitkilerde glikozun farklı bir formu olarak depolanmaktadır. Nişastadan, geleneksel plastiklere alternatif olabilecek biyo bozunur plastik üretimi mümkündür. Tek kullanımlık konteynır, mikroselüler köpük, malç filmleri ve ahşap yapıştırıcı yapımında kullanılmaktadır.


Zirai kaynaklardan elde edilen doğal yağlar pertol türevli polimerlerin yerini kısmen alabilmektedir. Düşen mukavemet değerleri ve diğer özellikler değiştiği için petrol türevlerinin yerini alması hala zorlu bir süreçtir. Termoset reçinelerin eldesi için soya yağı ve fonksiyonaliteli soya yağı ile ilgili çalışmalar sürmektedir. Mısır, yerfıstığı, ayçiçeği, ceviz, keten tohumu ve çin yağı gibi farklı bitkilerden elde edilen yağlar ile ilgili çalışmalar sürmektedir.

Biyofiberler ve Kompozitleri
Biofiber kompozitler, cam fiber kompozitlerin yerini alabilecek yeni jenerasyon kompozit malzemelerdir. Kenaf ve sisal fiberler, kuvvet arttırıcı fiberler olarak kullanılmaktadır. Doğal fiberlerin eldesi temel olarak, buğday, mısır, soya, kenaf, filotu, selüloz, hemiselüloz ve ligninden sağlanmaktadır.
Keten, polimer matrisi olarak farklı uygulamalarda kullanılan sak lifidir. Biyopolimer ve biyoplastikler ile birlikte kenaf kullanımı mümkündür. Hafif laminant yapılarının eldesinde kullanılmaktadır. Ayrıca yapılan çalışmalarda buğday sapının da güçlendirici bir elyaf olarak ortaya çıktığı keşfedilmiştir. Ara yüzey iyileştirmeleriyle buğday sapından çok sıradışı malzemeler elde edilebilmektedir.
Selüloz ve nişasta doğada en bol bulunan, kompozit malzeme yapımında kullanılma potensiyeline sahip alternatiflerdir. Selüloz nano kompozitler ile ilgili çalışmalar devam etmekle birlikte, selüloz fiberlerin işlenmesinin zor bir proses olması, mikro boyutlı fiberler ile çalışmayı güçleştirmektedir. Hemisellüloz çeşitli ürünlerin hedeflendiği fermantasyon proseslerinde substat olarak kullanılabilir. Organik asitlere, hayvansal yemlere, çeşitli solventlere ve metana dönüştürülebilir. Bunların yanı sıra kompozit malzemlerin yapımında kullanımı için çalışmalar artarak devam etmektedir. Lignin endüstriyel yan ürün olarak, kompozit karışımlarında, yapıştırıcılarda, kaplamalarda, iletken polimerlerde ve fiberlerde kullanımı ile karşımıza çıkmaktadır. Bunların yanı sıra, yarı iletken malzeme üretiminde de kullanıldığı tespit edilmiştir.

Biyoürünlerin İşlenmesi
Kompozit malzemeler kullanılan polimerin türüne bağlı 2 ana yöntem ile üretilebilmektedir. Kullanılan polimerler termoplastik ya da termoset olabilmektedir. Termoplastik malzemeler için genellikle eriyik yöntemler kullanılmaktadır. Termoset sistemler için, çeşitli kalıplarda istenen şekiller kürleme yöntemi ile şekillendirilir.
Eriyik prosesler içinde ektrüzyon ve enjeksiyon kalıplama en yaygın tekniklerdir. Ekstrüzyon, termoplastik kompozitlerin üretiminde kullanılan temel tekniklerden biridir. Çubuk şeklinde boru, döşeme, pencere profili olarak kullanılan malzemelerde termoplastikler kullanılmaktadır. Ekstrüder içerisinde yumuşatılan polimerler çevrilerek sıkıştırılmak suretiyle karıştırılır ve istenilen şekli almaları sağlanır. Uzun lif demetleri ekstrüder ile elde edilebilmektedir. Bu şekilde elde edilen iplikler küçük pelletler haline getirilerek, bir sonraki aşama olan polimer malzemenin enjeksiyon ile kaplanması işleminde kullanılabilir (Resim 1).

Enjeksiyon kalıplama tekniği, endüstride yaygın olarak uygulan polimer işleme tekniklerindendir. Saf polimer ya da kompozit malzeme girişi şekilde (Resim 2) gösterildiği gibi
yapılır. Polimerler eritilerek, geri tepme basıncı ile kalıp içerisine doğru itilirler. Karmaşık şekilli polimer eldesi için ölçüleri titizlikle belirlenmiş kalıplar kullanmak gereklidir. Bu polimerler otomotiv, ticari ürün ve sert paketleme materyallerinde kullanılmaktadır.





El yatırması tekniği, termoset reçinelerin eldesinde uygulanan temel yöntemdir. Reçine emdirilmiş fiber matı, ayarlanabilir kalınlıkta kalıba dökülür. Fiber mat, camdan veya tarımsal fiberlerden elde edilebilir. Malzeme bir silindir ile sıkıştırılabilir ve kürlenebilir. Saf polimer veya tarımsal fiber matı termoset polimer kompozitlerinde dayanım artırıcı malzeme olarak katılabilir. Hazır kalıplama ve kütle kalıplaması bileşimleri termoset üretimde yaygın olarak kullanılan yöntemlerdendir. Termoset materyallerin işlenmesinde, reçine ve fiber karışımı sıkılabilir ve özel kalıplar kullanılarak sıkıştırılabilir ve bu şekilde istenilen şekle sahip malzeme üretimi yapılabilir. Sıkıştırma tekniğinden ayrı olarak, reçine transferiyle kaplama tekniği kullanılabilir.

Biyoürünlerin Uygulama Alanları
Petrol bazlı plastiklerin yerini alan biyo ürünler otomotiv sektöründen paketleme sektörüne kadar birçok yerde uygulama alanı bulmaktadır. Örneğin PHVB kopolimerleri ve PLA biyo bozunur ürünlerin eldesinde, bunun yanında PHVB kopolimerleri otomobil iç yüzey malzemesinde kullanılmaktadır. Son yıllarda kompozit materyal ve nonoteknolojideki uygulamaların artmasıyla birlikte, doğal fiberler uzunluğu ve matriks özelliğine göre farklı kullanım alanlarında yer bulmuştur (Resim 3). Doğal fiberlerin yapı malzemesi olarak kullanımı ve otomotiv sektöründeki uygulamalarının en önemli uygulamalar olduğu söylenebilir (Resim 4 ve Resim 5).



5. Son Gelişmeler ve Sonuçlar
Genetik bilimindeki ve nanoteknolojideki ilerlemeler ile birlikte biyokompozit ve biyopolimer konusundaki gelişmeler artış göstermiştir. Genetik mühendisliği uygulamaları ile bitki içeriğindeki selüloz ve lignin içeriğinin artırılması, bitki yağlarının kimyasının değiştirilmesi suretiyle daha etkin termoset reçinelerin üretimi hedeflenmektedir. Nano boyutta elde edilen selülozun 150 Gpa modüle sahip olduğu belirlenmiştir. Nano boyuttaki fiberlerin dolgu malmezemesi olarak katıldığı kompozit malzemelerden daha iyi sonuçlar alınmıştır. Gelecekte nanoteknoloji ve biyoteknoloji ile çok yenilikçi malzemeler elde edilecektir.


Referanslar / References
1.M. Misra, M.Ö Seydibeyoğlu, D. Ray, K. Das, A. Mohanty, (2011) "Biodegradable nanocomposites from cellulosic plastics and cellulosic fiber” in the book "Nanocomposites with Biodegradable Polymers: Synthesis, Properties and Future Perspectives”, Edited by: Dr. Vikas Mittal, pp. 123- 165, Oxford Press.
2. A. Mohanty, M.Ö.Seydibeyoğlu, S.Sahoo, M.Misra, (2011) Plant Systems "Matching Crops for Bioproducts” In: Murray Moo-Young (ed.), Comprehensive Biotechnology, Second Edition, volume 4, pp. 101-109, Elsevier.
3. M.Ö.Seydibeyoğlu, M. Misra, A.Mohanty, J. Blaker, A. Bismarck, M.Kazemizadeh, "Green polyurethane nanocomposites from soy polyol and bacterial nanocellulose” Journal of Materials Science, 48, 2167-2175, 2013.
4. M.Ö.Seydibeyoğlu, "A novel partially biobased PAN- lignin blend as a potential carbon fiber precursor”, Journal of Biomedicine and Biotechnology, ID598324, 1-8, 2012 (doi:10.1155/2012/598324)
5. M. Zaverl, M.Ö. Seydibeyoğlu, M. Misra, A. Mohanty, "Studies on recyclability of polyhydroxybutyrate-co- valerate bioplastic: Multiple melt processing and performance evaluations” Journal of Applied Polymer Science, 125, E324-E331, 2012, Special Issue: Biopolymers and Renewable Resourced Materials.
6. S. Sahoo, M. Ö. Seydibeyoğlu, A. K. Mohanty, and M. Misra, "Characterization of industrial lignins for their utilization in future value added applications”, Biomass and Bioenergy, 35, 4230-4237, 2011.
7. M.Ö. Seydibeyoğlu, M. Misra, A. Mohanty, "Synergistic improvement of impact and elongation for polyhydroxybutyrate-co-valerate copolymers with functionalized soybean oils and POSS”, International Journal of Plastic Technology, 14, 1-16, 2010.
8. M.Ö. Seydibeyoğlu, M. Misra, A.Mohanty "New Biobased Polyurethane from Soy Plants and Lignin”, Bioplastics Journal , 5,42, 2010.
9. M.Ö.Seydibeyoğlu, K.Oksman "Novel nanocomposites based on polyurethane and micro fibrillated cellulose”, Composites Science and Technology, 68, 908-914, 2008.