1 Temmuz 2014 Salı

Mimari uygulamalar için Yeşil Biyokompozitler

Yeşil termoset biyokompozitler






Yeşil biyokompozitler doğal elyaf ve biyo-esaslı matris bileşenlerinden oluşurlar. Bu biyo-esaslı matrisler ve endüstriyel doğal elyaf bileşenlerinden olan haşhaş, hint keneviri ve keten gibi malzemeler genelde ürün fiyatının artışına ve bununla birlikte de yeşil termoset biyokompozit pazarının sınırlanmasına sebep olur. Bu çalışmada alternatif doğal elyaf kaynaklarından elde edilebilecek, agro-elyaflar gibi (tarımsal bitki elyaf kalıntıları vb.) malzemelerin kullanılması öneriliyor ve uygulamaları gösteriliyor. Özellikle mimarı uygulamalar için hali hazırda bulunun termoset biyokompozitleri kullanarak çekici ürünler üretmek için en önemli anahtar ise yenilikçi ürün tasarımlarıyla modern mimari alanlar için yenilikçi çözümler oluşturmak.

Agro-elyaf termoset biyokompozitler


Ticari olarak, termoset biyokompozitler hala yaygın bir şekilde bulunmamaktadır. Buna rağmen, özellikle de termoset kompozitlerinin malzeme performanslarının termoplastiklere oranla üstünlükleri bilindiğinden dolayı bu tür kompozitlere karşı çok yüksek bir ilgi bulunmaktadır. Geleneksel konvansiyonel termoset kompozit endüstrisindeki üretim tekniklerine benzer olarak bu malzemeler için de açık kalıp, kapalı kalıp, vakum infüzyonu gibi yöntemler kullanılabilmektedir. Agro-elyaflardaki sınırlamalar ise göreceli olarak kısa elyaf uzunluklarından kaynaklanmaktadır çünkü geleneksel üretim teknikleri genel olarak uzun elyaflar ve kumaşlar için tasarlanmıştır. Biyobazlı termoset reçinelerin gibi biyo-esaslı reçinelerin uygulanmalarında yüksek geri kazanım sıcaklığı uygulama ile alakalı bir diğer limitasyon olarak ön plana çıkmaktadır.

Aşağıda belirtilen ürün tasarım örnek çalışmalarında, farklı türlerdeki agro-elyaf ve biyoreçineler farklı termoset kompozit teknikleri kullanılarak uygulandı. Ürün tasarım konseptleri istenilen mimari sonuca göre form, yüzey karakteri, doğal elyafın renk etkisi, pigment ve parlama katkısı gibi açılardan farklılık gösterdi.

Mimari için yeşil biyokompozitler - örnek çalışmalar


Birazdan okuyacağınız örnek çalışmalarda bu yazının yazarı ve Stuttgart Üniversitesi Mimari fakültesinin öğrencileri tarafından öğretim yılı boyunca yapılan derslerde tasarlanan ve üretilen ürünler gösterilmiştir. Ürünler %70'e kadar oranda farklı kaynaklardan elde edilen agro-elyaf bileşeni içermektedir. Yeşil biyokompozit tasarımında genel kriter agro-elyaf  ve biyoreçine dahil uygun malzeme seçimi ile birlikte işleme teknikleridir. Bütün bunlar tasarlanan ürünün ortaya çıkışını etkilemiştir (Resim 1).

Örnek Çalışma - 1 : TRAshell


Ürün Açıklaması

Tahıl samanı kısa elyaf ve bitki bazlı epoksi reçine (TRAshell) serbest-form iç ve dış mimari kaplama plakaları soğuk baskı kalıplaması ile işlendi.

Malzeme, tasarım ve üretim açıklamaları

Tahıl samanı, kızıl kahve hindistan cevizi ve siyah kömür külü orjinal renklerinde uygulandılar. Agro-elyaflar kesildikten sonra keten tohumu yağı bazlı epoksi reçine ile karıştırılarak oda sıcaklığında 24-48 saat sonunda sertleşti. Serbest formdaki paneller 3 boyutlu fiziksel eğikliği sağlamak amacıyla iki modul olarak (A ve B modülleri) tasarlandı ve Resim 2'de gösterildiği gibi birleştirildi. Kalıplar robot makinesi kullanılarak kazındı ve karışımlar farklı doğal elyaflar ve parlama pigmentleri kullanılarak kalıplandı (Resim 2-3).

Örnek Çalışma -2: BiOrnament 


Ürün Açıklaması

Renkli lazerle kesilmiş düz paneller (BiOrnament), elle işlenip açık kalıp yerleştirme (sıcak proses) tekniği ile iç ve dış mimari kaplama plakaları üretimi için işlendi.

Malzeme, tasarım ve üretim açıklamaları

Tasarım taslağı; düz paneller ayrı olarak üretildikten sonra, lazer kesim işlemi sonucunda elde edilen pozitif ve negatif kesim modellerine bağlı olarak motif uygulandı ve tekrarlandı. Ürün teması tekrar eden ve farklı renklendirmeler ile birlikte pozitif ve ya negatif kesilmiş olsun olmasın birlik içerisindeki ritim ve çeşitliliğe bağlıydı. Bu sebeple karışımlar en uygun ürün tasarımına göre renklendirildiler.

Tahıl samanı elyafı biyobazlı epoksi termoset polimeri ile bağlanıp, üç bileşeni oluşturdu. Bitki yağı bazlı (keten tohumu) epoksilenmiş trigliseritler, polikarboksilik asit anhidritleri (biyoetanol bazlı) ve katalizör ile karıştırıldı. Bu bileşik polimerizasyon için sadece ısı ile aktive edilebiliyordu. Bu sebeple kalıp düz metal plakalardan oluşuyordu (Resim 4).

Örnek Çalışma - 3: Light-24


Ürün Açıklaması

Boyanmış profil şeklindeki paneller (Light-24) elle yerleştirme açık kalıp tekniği (soğuk proses) kullanılarak iç ve dış mimari kaplama plakaları üretimi için işlendi.

Malzeme, tasarım ve üretim açıklamaları

Uzun ve doğal formları korunarak ve mat şeklinde bir araya getirilerek ve iki bileşenli biyoreçine ile oda sıcaklığında 24 saat içerisinde sertleştirerek palmiye elyafları uygulandı. Bu ay çiçeği esterlerinden ve çeşitli katkı içeren kaprolaktonlardan oluşan biyoreçine düşük akışkanlıklı vakumla kalıplanabiliyor. Siyah açık pigment toplam biyoreçine karışımına %2 oranında eklendi. Daha sonra elle yerleştirme yöntemiyle elyaflar reçine ile şuruplanarak birkaç katman halinde preslendi ve son olarak bir tane kalın katman haline getirildi (Resim 5).

Sonuçlar


Üretimi gerçekleştirilen yeşil biyokompozitler farklı iklim koşulları için 24 ay boyunca test edildi. Ayrıca mekanik olarak da test edildi. Sonuçlar tatmin edici oldu ve UV ışınlarına ve iklim koşullarına yüksek kararlılık gösterdi. Mekanik testler de yerel pazarlarda farklı mimari uygulamalar için kullanılan malzemeler ile karşılaştırılabilir değerler gösterdi. Bu durum da hali hazırda kullanılan malzemelerin ucuz doğal elyaflar ve biyoreçineler gibi yenilenebilir kaynaklı ürünler ile değiştirilebileceğini göstermektedir. Ek deneyler ve tasarımlar mimarlar, tasarımcılar ve malzeme mühendisleri tarafından yapıdığı takdirde daha çekici ekolojik biyokompozit ürünlerin de ortaya çıkabileceği görülmektedir.


Agro-elyafları kullanarak ve onları biyobazlı yenilenebilir kaynaklardan elde edilen matrislerde biyokompozit şeklinde uygulayarak, şimdikilerinden daha bile ucuz olabilecek ve yeterli performanslara sahip olan yeni pazarlar yaratılabilir. Bu da daha sürdürülebilir yaklaşımın bir temeli olabilir.

20 Haziran 2014 Cuma

Beyaz Dişler - Tamamen Doğal

Yüksek hassasiyet isteyen enjeksiyon kalıplama için biyopolimerler

Sunstar- Interbros firmasının ürettiği yeni diş fırçasının bütün kısımları önemli oranda yenilenebilir plastiklerden oluşuyor. Ek olarak ambalajı da FSC sertifikalı karton kağıt ve %100 biyobazlı plastik kapsül ambalajdan oluşuyor. Bu yüksek katma değerli entegre ürün geniş ölçekli biyoplastik malzeme ve bunların işleme teknolojileri konularında yüsek bilginin bir sonucu olarak ortaya çıktı. Son yıllardaki kapsamı geliştirilmiş ürün portföyü sayesinde, FKuR Kunststoff GmbH firması artık çok kompleks ürünler için dahi malzeme çözümleri sunabiliyor.

Uzun zamandır, Schönau/Almanya merkezli Interbros firması tamamen biyoplastikten yapılmış entegre bir diş fırçası geliştirme konusunda bir strateji peşindeydi. Bu konudaki en önemli gereksinim, hali hazırda bulunan yüksek hassasiyet gerektiren enjeksiyon kalıplama ve montaj hatlarını kullanırken diş fırçalarının kalitesini de korumaktı. Fakat diş fırçasının kıllarını oluşturan filamentlerin enjeksiyon kalıplanmış sapa monte edilmesi aşılması gereken önemli bir zorluktu ve bunun 10um'lik bir hassasiyette yapılması gerekiyordu.

FKuR malzemelerinden birçok farklı çeşidin işlemeye uygun olduğu tespit edildikten sonra, Interbros BIOGRADE ürün grubuna ait olan ve diş fırçası için en iyi performansı sergileme potansiyeli olan biyoplastik transparan malzemelerden birini kullanmaya karar verdi.  Bu malzeme çok iyi bir yüzey dokunuşuna sahip olmasının yanı sıra, ABS malzemesine benzer mekanik özellikler sağlamakta ve hali hazırda kullanılan çok gözlü sıcak yolluklu yalıplarda da işlenebilmekteydi. Ek olarak, bu biyomalzeme kapalı alanda uzun süreli kullanım için ideal bir seçimdi ve ısıda bozunma derecesi (HDT- ISO 75/A) 100C'ye kadar (seçilmiş ürün türleri için) çıkabiliyordu.  Aynı zamanda müşterilerin isteği doğrultusunda, opak iki bileşenli sap da yakın gelecekte planlanıyor. Bu da renk seçeneğinin arttırmanın yanı sıra, farklı dokunuşa sahip ve tamamen yenilenebilir kaynaklardan elde edilmiş sapların üretimine olanak sağlayacak.

Diş fırçalarının Alman Hahl-Pedex firmasının ürettiği biyobazlı polyamid filamentlerin diş fırçasına montajı ise yüksek performanslı hatlarda yapılıyor ve sonrasında ise transparan PLA kapsül ve karton kağıt ile ambalajlanıyor. Eğer müşteriler ısıya daha dayanıklı bir kapsül ambalaj isterlerse de biyo-bazlı PET alternatif malzeme olarak kullanılabiliyor.


Bu diş fırçası aynı zamanda endüstriyel ölçekli plastik üretim proseslerinin ortak çalışması sonucu biyoplastiklerden entegre çözüm yaratma konusundaki başarısını gösteriyor. Başarının bir diğer tarafı ise, FKuR malzemelerinin tolerans ve kararlılıklarının endüstriyel ölçekte prosesler ve yüksek hassasiyetteki bağlantılar için dahi uygun olduğu. Bu durum sıcak yolluklu kalıplar için dahi geçerli. Ek olarak bu yüksek katma değerli diş fırçası kalıplara ya da herhangi başka pahalı ekipmana yatırım yapma ihtiyacı olmadan yaratılmış oldu.

16 Haziran 2014 Pazartesi

Bebekler için Yeni Biyobazlı Oyuncaklar

Hong Kong merkezli Bioserie firması, sağlık konusunda hassas olan ebeveynlerin bebekleri için talep ettiği güvenlik gereksinimini, üretimlerinde sadece bitki esaslı ve yenilenebilir kaynaklardan elde edilen malzemeleri kullanarak üretilen oyuncak serisi ile karşılamayı hedefliyor.

Oyuncaklar ve besleme ekipmanları Bioserie firmasının yeni tüketici ürün pazarlarına açılımı konusunda önemli bir miltaşı olarak göze çarpıyor. Aynı zamanda tamamen biyobazlı oyuncak ve besleme ekipmanlarının pazarda bulunabilmesi adına önemli bir adım. Bu tür ürünler için Bioserie firması Amerikan üreticisinden tedarik ettiği PLA ile kampaund edilerek oluşturulan bir karışım malzemesi kullanıyor.

Kullanılan boya malzemeleri dahi biyopolimerler için özel olarak geliştirildi ve sürdürülebilir hammaddelerden elde edildi. Aynı zamanda küresel endüstride var olan, kompostlanabilirlik standartları dahil standartlara uygun. Bunlar arasında EN 13432 (Avrupa Birliği), ASTM D6400 (ABD) ve BPS GREENPLA (Japonya) bulunuyor.

Bioserie firmasının kurucularından olan Stephanie Triau Smman; günümüzde birçok oyuncağın petrol bazlı plastiklerden yapıldığını belirtirken, ebeveyn olarak bir ürünün hem şimdi hem de gelecekte herhangi bir  sağlığa olumsuz etkisinin olabileceğini kestirmenin zor olduğunu belirtti. Oyuncak ambalajlarındaki bilgiler ya yetersiz ya da normal bir insanın anlayamayacağı kadar çok teknik bilgi içeriyor. Hatta bazen de yanıltıcı olabiliyor. Biz Bioserie firması olarak özellikle de petrol bazlı plastik oyuncaklarda görülen herhangi zararlı bir maddeden arınmış olan bitki bazlı ürünlerle buna bir son veriyoruz şeklinde açıklama yaptı.

Bioserie CEO'su Kaya Kaplancalı ise Dünyamızın kırılgan ekosistemine ve çocuklarımızın sağlığına zarar vermeden teknolojinin keyfini çıkarmak mümkün derken, biyoplastik teknolojisini özellikle tüketicilerin hayatı daha sağlıklı yaşamaları ve çevreye duyarlı olmaları yönünde kullandıklarını belirtti.

Bioserie'nin çıkardığı biyoplastikten oluşan yeni oyuncak serisi, ses çıkaran oyuncak, yemek seti ve diş kaşıyıcıdan oluşuyor.

iPhone kılıflarıyla 2010 yılında akıllı telefonlar için aksesuar üretimine başlayan Bioserie firması biyoplastik alanındaki teknolojik başarıları sayesinde uluslararası düzeyde tanınmıştı. Firma aynı zamanda USDA'nın BioPreferred programı çerçevesinde %100 biyobazlı sertifikasına sahip olan ilk markalardan biri olarak göze çarpıyor. Aynı zamanda firma yüksek dayanım ve ısı direncine sahip enjeksiyon kalıplama biyoplastik malzemesi geliştirdikleri için Almanya'nın Nova Institut ve ABD'nin SPI'sı tarafından biyoplastik yenilik ödülü için aday gösterildi.


10 Haziran 2014 Salı

Güneş ışığından PHA üretmek

Biyoplastics Magazine 04/14 sayısında özeti yayınlanan bilimsel çalışmada genetiği değiştirilmiş bakterilerin önemli bir biyoplastik çeşidi olan Polihidroksialkonat (PHA) üretiminde kullanım potansiyelini ortaya çıkarıyor. Bu gibi farklı çalışmalar ile karbon kaynağına gereksinim duyulmadan tamamen ototrofik yöntemlerle biyo-bazlı ekonomiye geçme yolunda önemli adımlar atılabilir. Her ne kadar daha uzun yollar katedilmesi gerekse de, bu işlerin temelinde bilimsel çalışmalar bulunuyor.

Siyanobakterilerde Fotosentez yoluyla biyoplastik üretim yolu


Geçtiğimiz son birkaç on yılda, bütün biyo-bazlı polimerler arasında, polihidroksialkonatlara (PHA) karşı olan ilgi özellikle de uygun çevrelerde tamamen biyobozunur olmaları sebebiyle önemli ölçüde arttı.PHA'ların biyobozunurlukları dışındaki bir diğer çekici özelliği ise, yenilenebilir kaynaklardan sentezlenebilip büyük ölçekte sürdürülebilir bir üretime olanak sağlamalarıdır. PHA istenmeyen büyüme koşullarında birçok mikroorganizma tarafından doğal olarak sentezlenen bir depolama türüdür. Fakat PHA'nın ticarileşmesi süreci hala devam ediyor ama yüksek üretim maliyeti sebebiyle oldukça sınırlı. PHA üretimi için heterotrof bakterileri kullanmak, kültür ve karbon kaynağı gibi gereksinimlere sebep oluyor ve bu durum da üretim maliyetini oldukça etkiliyor.

İndirgenmiş haldeki karbondioksiti kullanabilecek fotosentetik sistemle donatılmış olan siyanobakteriler, birçok endüstriyel önemli ürünün sürdürülebilir şekilde üretilebilmesi için ideal biyosentetik makinelerdir. Bu ürünlerden biri de PHA'dır. Atmosferik karbondioksitin biyopolimere evrilmesi sayesinde, siyanobakteriler dışarıdan sağlanması gereken maliyetli karbon kaynağının gereksinimini ortadan kaldırırken, karbon nötr bir biyoplastik üretim işlemi gerçekleştirirler. Bitkiler ve diğer fotosentetik mikroorganizmaları kullanarak PHA üretiminde şu anda karşılaşılan darboğaz üretimi ekonomik olarak uygulanabilir seviyede gerçekleştirebilmektir. Özellikle verimlilik ve maliyet zorluklarını çözebilmek amacıyla RIKEN Sentetik Genomik araştırma ekibi Universiti Sains Malaysia ortaklığında siyanobakterileri genetik mühendislik yoluyla değiştirmeyi denediler.

Fotosentez yapan ve heterotrof bakterilerde PHA sentez yolu

Genetiği değiştirilmiş bir siyanobakteri türü olan Synechocystis sp. strain 6803, hücre kuru ağırlığının %14'üne kadar PHA sentezlemeyi başardı. Şimdiye kadar herhangi bir karbon kaynağı sağlamadan elde edilmiş en yüksek fototrofik PHA üretim seviyesiydi. %0.4'lük seviyede asetat karbon kaynağının eklenmisiyle bu oran %41 seviyesine ulaştı. Siyanobakterilerin basit besin gereksinimleri olmasına rağmen, dışardan karbon kaynağı sağlanmasının PHA üretimini neredeyse üç kata çıkardığı görüldü. Her halukarda, sağlanan karbon kaynağı heterotrof bakterilerin aynı miktarda üretim için gereksinimlerinden çok daha az seviyedeydi. Bu değiştirilmiş türde, karbonun PHA biyosentez yolizine aktarılması Streptomyces sp. C190 türünden alınan asetoasetil coA sentaz enzimi tarafından gerçekleşti. Buna ek olarak yüksek oranda aktif olan PHA polimerleştirme enzimi PHA sentaz da Chromobacterium sp. türünden alınarak türün veriminin arttırılması için eklendi.

Geliştirilmiş fototrofik PHA üretimini daha iyi anlamak amacıyla genetiği değiştirilmiş olan tür değiştirilmemiş olan ile karşılaştırıldı. Bunun sonucunda, sürpriz bir şekilde PHA sentezinden sorumlu enzim aktivitelerinin PHA'nın yüksek üretiminden kritik bir şekilde sorumlu olmadığı görüldü.

Genetiği değiştirilmiş siyanobakterilerde PHA birikimini gösteren mikroskop resmi

Bir diğer taraftan, fotosentezden sorumlu bazı proteinlerin genlerinin fonksiyonlarının PHA'yı yüksek oranda üreten türde, kontrol türe göre daha fazla çalıştığı tespit edildi. Bu çalışmanın sonucunda, ürün oluşumu için siyanobakteri hücrelerinin fotosentezi arttırabildiği görüldü. PHA oluşumu sırasında, siyanobakteri hücrelerindeki karbon havuzu sürekli olarak sentez için kullanılmaktadır. Yüksek üretim ihtiyacıyla başa çıkabilmek için de, PHA sentezi sırasında kaybedilen karbonu telafi etmek amacıyla hücreler karbon üretimini arttırıyorlar. Bu süreçte de amino asit biyosentezi gibi PHA üretimi dışındaki hücresel işlemler için üretilen karbonun akışı sınırlıdır. Çalışmanın sonuçlarına göre, gelecekteki çalışmalar, siyanobakteriyi çeşitli kimyasalar, biyoyakıtların üretimine yöneltmek adına genetik olarak değiştirmek yönünde yapılabilir ve bu benzer yaklaşımlar bitkilere de uygulanabilir. Bu tarz sadece solar enerjiyi kullanarak biyopolimer üretimi için yeni yolların geliştirilmesiyle, petrol bazlıdan biyobazlı üretim prosesine geçme yolunda alternatif bir platform yaratılabilir.

Kaynak:
1) Lau, N.S, Foong, C.P., Kunihara, Y., Sudesh, K. & Matsui, M. RNA-Seq analysis provides insights for understanding photoautotrophic polyhydroxyalkonoate production in Synechocystis sp. PLoS One. 2014 Jan 22; 9(1): e86368. doi: 10.1371/journal.pone.0086368 (2014)


5 Haziran 2014 Perşembe

Yeni Biyokompozitler Araba İçlerini Yeşillendiriyor

Başarılı bir şekilde neredeyse tamamlanmış olan Avrupa Araştırma Projesi olan ECOplast'ın amacı doğal elyaf, nanodolgu ve katkılarla desteklenmiş yeni biyokompozitlerden oluşan biyopolimerleri otomotiv içinde uygulama amaçlı geliştirmekti. Projenin katılımcıları arasında 5 Avrupa ülkesinden 13 ortak bulunuyordu ve Spanish Galician Automotive Technological Centre tarafından yürütülmekteydi.

Otomotivin içinde kullanılacak kısımlar için olan gereksinimler çok çeşitliydi: mekanik kararlılık, koku, sis ve ısı direnci gibi istekler sadece bunların küçük bir kısmıydı. Günümüzde ticari olarak bulunan biyoplastikler otomotiv endüstrisinin ihtiyaçlarını karşılamıyorlar. İspanya'da otomotiv tedarikçisi olan ve Ecoplost'ta ortaklardan biri olan Grupo Antolin'den Pablo Soto: özellikle otomotivin iç yüzeyinde kullanılacak malzemelerin uyması gereken gereksinimleri sağlayabilecek ve aynı zamanda fiyat açısından rekabet edebilecek biyo-bazlı malzemeleri ve doğal elyafları kullanmak endüstrinin oldukça fazla istediği bir durumdu. Ecoplast başlamadan önce PLA'nın yetersiz ısı direnci ve PHB'nin sis davranışı ve değişken emisyonları araba içinde kullanılmaları yönünde engel teşkil etmekteydi.

PHB ve PLA için yapılan gelişmeler


Geçmişte PHB'nin kokusu ve sis yapması sebebiyle arabalarda kullanılması oldukça kısıtlıydı. Ecoplast projesi kapsamında, AIMPLAS süperkritik CO2'nin (sc-CO2) uçucuların azaltılmasında verimini araştırdı. Organik uçucuların %80 oranına kadar azaltıması sağlandı. Fakat kullanılan işlem çok pahalıydı ve bunun yerine uçucuların azalmasını sağlayacak yeni bir PHB formulasyonu geliştirildi. Sis oluşumuna ve uçucu emisyonlarına sebep olan bileşenler başarılı bir şekilde belirlendi ve başkalarıyla değiştirildi. Bunun sonucunda artık BIOMER adlı Alman firması arabanın iç kısımlarında kullanılabilecek yeni bir PHB formülasyonu sunuyor.

Corbion ise PLA'nın ısı direncini PDLA nükleasyonu yapılmış PLLA malzemesi ile geliştirildi ve buna da nPLA adı verildi. Ayrıca yüksek darbe dirençli bir karışım da geliştirilerek PLA'nın düşük darbe direnci arttırıldı (n-PLAi)

Ahşap Elyafların Uyumluluğu


Hidrofilik ahşap elyafların hidrofobik termoplastiklerle olan uyumsuzlukları kompozit malzemelerin başta darbe direnci olmak üzere gücüyle ilgili özelliklerini zayıflatıyordu. Finlandiya merkezli VTT firması selüloz elyaf yüzeyini modifiye ederek polimer matrisiyle daha uyumlu hale getirecek kuru kompakt hale getirme metodunu kullanarak bir işlem geliştirdi. Aynı zamanda reaktif plastikleştirici ve katkıları kullanarak elyaf ve polimer matrisi arasında bir köprü kurulmasını sağladı.
Elde edilen PLA-selüloz elyaf kompozit malzemesi hem daha yüksek darbe direncine hem de uzama direnci değerlerine sahip oldu. Artan miktarda elyaflar sayesinde ise kompozit malzemenin ısıda eğilme sıcaklığı (HDT) değerleri artış gösterdi (Resim 1).

HDT vs elyaf miktarına göre artışı


Sonuç olarak PLA-selüloz elyaf kompozitlerinde önemli gelişmeler sağlandı. Sadece araba içi için gerekli olan sis oluumu ve nem direnci gibi gereksinimler için ek gelişmelerin sağlanması gerekiyor.

PHB uzun doğal elyaf kompozitleri


Basınçla kalıplama PHB'yi hasır lifi ile desteklemenin en iyi yolu olarak tespit edildi. En iyi sonuçlar Aimplas tarafından şuruplanmış keten lifleri ile elde edildi. Bu işlemi kullanarak PHB lifin içinden tamamen penetre edebiliyor. Elde edilen numuneler hem görünüm açısından hem de mekanik özellikler açısından oldukça tatmin edici oldu (Resim 2). Elde edilen çentiksiz vurma deneyi testleri sonucunda 40kJ/m2 değeri ve eğilme çarpanı olarak ise 3GPa değeri aşıldı.

Keten lifi eklenmiş PHB malzemesinden basılmış bir kalıp

Nanoselüloz ve nanokil ile elde edilen gelişmeler


n-PLAi ile birlikte nanoselülozun kampaund edilmesi sonucunda yapıan ilk denemeler tatmin edici sonuçlar versede kampaundun optimize edilmesi gerekiyordu ve bu da daha fazla araştırma demekti. Nanoselülozun, ipek-elastin benzeri polimer matrisinde katkı olarak kullanılması öncü testlerde umut vaadeden bir diğer çalışmaydı.

NBM, PLA kampaundlarında kullanılmak üzere ilk organomodifiye kili geliştirdi (Resim 3). Hazırlama süreci; özel bir saflaştırma ve yüzey modifikasyon teknolojisine dayanan nanodolguların formulasyon, optimizasyon ve fabrikasyon adımlarından oluşmaktaydı. n-PLAi'nin ağırlıkça %5'lik bu yeni doğal kil bazlı nanokatkı ile kampaund edilmesi ile oluşturulan bu malzeme projede tanımlanmış bütün gereksinimleri sağlıyordu.

PLA matrisi içinde nanokile ait TEM grafiği

Yeni protein bazlı kopolimer


Minho Üniversitesi yeni protein bazlı bir kopolimer olan ve ipek benzeri kristal ve elastin benzeri esnek yapılardan oluşan malzemenin geliştirilmesine dair temel araştırmayı gerçekleştirdi. SELP adı verilen bu malzemenin hem üretimi hem de yüksek ölçekte üretilmesi iyi sonuçlar verdi. Bu çalışmaya dair daha fazla detay Casal ve ark. (2014 ) çalışmasında takip edilebilir. Ek olarak bu yeni polimerin nasıl üretileceğini dair metod ve diğer bilgiler PIEP ile işbirliği çerçevesinde gerçekleştirildi.

Biyokompozit işleme teknolojilerine yeni yaklaşımlar


Hedef biyokompozitleri işlemek adına PIEP daha enerji verimli bir teknoloji olan iCIM yöntemini denedi. Bu yöntem ikiz vidalı ekstrüder ile enjeksiyon kalıplamanın bir araya getirilmesinden oluşuyor (Resim 4). Bu sayede de bu tip malzemerin içlerinde buunan avantajlardan kar sağlamak amaçlanıyordu. 

Ekstrüzyon ve enjeksiyon kalıplamayı birleştiren iCIM adı verilen işleme yöntemi ekipmanı

Sonuçlar


Ecoplast projesinin sonuçları oldukça umut verici ve otomotiv endüstrisi tarafından da onaylanabilecek tamamen biyo-bazlı olan yenilikçi kompozitlerin üretilmesine imkan sağlayabilir:

1) PLA için organomodifiye killer geliştirildi. nPLAi'ye %5 oranında eklenmesi ile projenin bütün gereksinimleri sağlanmş oldu.

2)PHB'ni özelliklerinde önemli ölçüde gelişme sağlandı. Özellikle kısa elyaflarla desteklenen PHB için sonuçlar beklenenden de iyiydi. Ek olarak otomotiv sis oluşum gereksinimlerini karşılayacak yeni bir PHB formulasyonu da geliştirildi.

3)Lifler ile desteklenmiş PHB enteresan sonuçlar gösterdi. Malzemeler farklı uygulamalarda kullanılabilir. 

Ecoplast kapsamında incelenen n-PLA ve PHB malzemelerinin her ikisi için de döngü zamanları önemli ölçüde azaltıldı. Malzeme fiyatları hala yüksek fakat polimer üretiminin büyük ölçekli olarak endüstriyel bir şekilde ticarileşmesiyle önemli bir ölçüde düşmesi bekleniyor. Ek olarak işleme maliyetlerinin düşürümesi de yakın gelecekte incelenmesi gereken başlıca bir konu olacaktır.

Ecoplast projesinde görev alan ortakların tam listesi


- Centro Tecnologico de Automocion de Galicia, İspanya (yürütücü)
- Asociacion de Investigacion de Materiales Plasticos y Conexas - AIMPLAS, İspanya
- PIEP Associacao- Polo de Inovacao em Engenharia de Polimeros, Portekiz
- Biomer, Almanya
- FKuR Kunststoff GmbH, Almanya
- Fraunhofer- Institut für Umwelt Sicherheit - und Energietechnik UMSICHT, Almanya
- Grupo Antolin - Ingenieria S.A., İspanya
- Megatech Industries Amurrio S.L. (MEGATECH), İspanya
- NanoBioMatters R&D (NMB), İspanya
- Pallmann Maschinenfabrik GmbH & Co, Almanya
- Corbion (Purac), Hollanda
- University of Minho (UMINHO), Portekiz
- VTT - Technical Research Centre of Finland, Finlandiya




2 Haziran 2014 Pazartesi

Biyoplastiklerde Karışım Farkı Yaratır


Biyoplastiklerin malzeme özelliklerini seçerek optimize etmek


Bazı niş uygulama alanları dışında, biyoplastikler henüz yüksek tonajlı pazarlarda büyük bir atılım gerçekleştirmeyi başalamadı. Bu durum çoğu zaman malzeme özelliklerinin yetersiz olması ya da üretim proseslerinin uygun maliyetli olmamasından kaynaklanıyordu. Bazı sofistike kimyasal teknikleri kullanarak, Münih'te bulunan kimyasal firması olan WACKER biyoplastiklerin zayıflıklarını ortadan kaldırmak adına bir çözüm geliştirdi. Bu malzemelerin geliştirilmiş fiziksel özellikleri sayesinde artık enjeksiyon kalıpla, ekstrüzyon ve termoform kalıplama gibi yöntemlerle standart termoplastikler gibi işlenebiliyorlar.

Yeni polimelerin polimer endüstrisinin işleme yöntemleriyle uyumlu olması gerekir


Potansiyelini genişletmek istiyorsa, biyoplastiklerin geleneksel plastiklere göre tercih edilmelerini sağlayacak bazı özelliklere sahip olmaları gerekir. Bu gereksinime ek olarak, polimer endüstrisinde sıkça kullanılan enjeksiyon kalıplama gibi işleme yöntemlerine uygun olmaları gerekir. Bu gereksinimlerden bir kısmını karşılayan malzemelerden biri geleneksel termoplastiklere benzer olan ve hali hazırda bulunan işleme tesislerinde kullanılabilen PLA'dır (polilaktik asit). Yine de saf PLA'da giderilemeyen en büyük dezavantaj çok rijit ve darbe mukavemetinin düşük olmasıdır. Uygun karışımlar kullanarak bu zorluğun aşılması konusunda bazı girişimlerde bulunulmuştur. Örneğin, bir ABD patentinde, PLA ile karıştırılarak darbe direncini arttırabilecek ve ya daha esnek hale getirebilecek alifatik polyesterler tanımlanmıştır (1).

PLA'nın bir diğer dezavantajı ise ısıya olan hassasiyetidir. Amorf halindeki PLA 60C civarındaki sıcaklıklarda yumuşamaya başlar ve bu sebepten dolayı malzeme birçok uygulama için uygun değildir.

Kristalleşme genel olarak PLA'nın ısı kararlılığını geliştirmektedir. Fakat kristalleşme uzun işleme sürelerini de beraberinde getirir ve prosesin ucuz maliyetli olmasının önüne geçer. Bu sebeple malzemeyi geliştirme sebeplerinden biri de bu direnci arttırmak için gereken işlemleri ortadan kaldırmaktır.

Düşük Isı Direnci ile Karıştırılabilirlik Boşluğunu Ortadan Kaldırmak


Wacker firmasının geliştiricileri PLA'nın ısı direncinin polibütilen süksinat (PBS) ile karıştırıldığı zaman 58'den 65'e çıkabileceğini belirlediler. Önemli bir PBS üreticisi olan Mitsubishi Chemicals firmasında yapılan çalışmalarda ise bu etkinin farklı türde PBS'ler kullanarak 100C'ye kadar çıkarılabileceğini belirlediler (Resim 1).



Bu etkiden yararlanabilmek için başka bir engeli daha aşmak gerekiyordu. Yapılan bir çalışma PLA/PBS karışabilirliğinin PBS oranı %20'yi aştığı andan itibaren oldukça kısıtlı olduğunu gösterdi (2). Araştırmacılar aynı zamanda istenen özelliklerin elde edilmesi için gereken PBS oranının bu yüksek seviyede olması gerektiğini de belirlediler. 

Bu problemin çözümü VINNEX tarafından sağlandı. VINNEX polivinil asetat bazlı bir bağlayıcı sistemi. Çalışamar sonucunda VINNEX'in hem PLA hem de PBS ile uyumlu olduğu ve %15-20 oranında eklenmesinin karışabilirlik problemini ortadan kaldırdığı belirlendi. Bu da görsel olarak tamamen homojen bir polimer karışımının, her iki polimerin de istenilen oranda karıştırılarak herhangi bir uygulamaya uygun hale getirebileceğini gösterdi. Ortaya çıkan karışım her iki bileşenin de avantajlarını birleştiriyor.

Aynı zamanda kısmi olarak kristalleşmiş PBS ile büyük oranda amorf PLA birlikte kullanılarak uzun süreli kararlılık problemi de çözülmüş oldu. Çalışmalar sonucunda Vinnex içeren PLA/PBS karışımlarının özelliklerinin sekiz hafta boyuncu korunduğu ve Vinnex'in karışımın PBS kısmındaki post-kristalleşmeyi baskıladığı belirlendi (Resim 2)



PLA'dan farklı olarak, PBS henüz pazarda yüksek miktarda bulunmuyor ve bu da pahalı olmasına sebep oluyor. Fakat bu durumun da yakın gelecekte değişiceği düşünülüyor. Tayand menşeili PTT Public Company Limited firması ile Mitsubishi Chemicals firması ortak bir firma olarak (PTT MCC) güneydoğu Asya'da yenilenebilir kaynaklardan PBS'in üretileceği bir üretim tesisi kurmayı planlıyorar. 

Doğru Dolgu Maddeleri Kullanarak Maliyeti Azaltmak


Prosesin maliyetini optimize etmek amacıyla, karışımların PLA oranını maksimumda tutup PBS ile elde edilen termostabilite özelliğini etkilememek adına bazı çalışmalar da yapılıyor. Bu bağlamda yürütülen bir projede fiyatı seyreltmek amacıyla %30 oranına kadar kalsiyum karbonat ve talk gibi dolgu maddelerin eklenmesi araştırılıyor. Talkın bu manada iyi bir seçim olduğu ve %20'ye varan oranlarda eklendiğinde hem elastik modulusu hem de darbe direncini önemli oranda arttırdığı belirlendi. (Resim 3) Bu etki sayesinde üreticiler artık standart plastiklerde bulunan özellik profilleriyle karşılaştırılabilir düzeyde olan özellikler elde edebiliyorlar (3).



İşleme koşullarına olan etki de benzer şekilde gelişti. Vinnex bağlayıcısı sayesinde PLA/PBS polimer karışımları geleneksel enjeksiyon kalıplama, termoformlama ve ekztrüzyon gibi yöntemlerle kolay bir şekilde işlenebildi. Akışkanlığı arttırırken tekrar kristalleşmeyi de baskılaması sayesinde, termoformlanan polimer karışımı kararlı üç boyutlu yapılar halinde kalıplanabildi.

Termoform Kalıplama Büyük Pazarlar için Kapıyı Açabilir


Son yapılan çalışmalar sonucunda Wacker geliştiricileri PLA/PBS arasında oluşturulan uyumlu karışımlardan elde edilen polimerlerin sıcak dolum uygulamaları için de kullanılabilecek ürünlerin üretiminde kullanılabileceğini gösterdiler (Resim 4). Bu da kahve ve çorba kapları gibi yüksek montanlı pazarlar için olanakların oluşması anlamına geliyor. Gelecekteki tüketici davranışları da bu konuda oldukça belirliyici olacak. Frost & Sullivan gibi bazı danuşman firmaların yaptığı çalışmalar tüketicinin en çok biyobozunur ambalaj talep ettiği alanın gıda olduğunu gösteriyor. Bu da aynı zamanda gıda temas onayı gerektiriyor. Vinnex bağlayıcısının bazı türleri için de bu onay hali hazırda alınmış. PBS için Amerika'da henüz gıd temas onayı FDA tarafından verilmemiş olsa da 2015 yılına kadar onayın çıkması bekleniyor.

Kaynaklar:
1) Li Shen, Juliane Haufe, Martin K. Patel: Product overview and market projection of emerging biobased plastics. PRO-BIP 2009, Final Report, June 2009.
2) McCarthy et. al, United States Patent 5,883,199 (Mar 16, 1999)
3) Bhatia, A, Gupta R, Bhattacharya S and Choi, H 2007. 'Compatibility of biodegradable polylactic acid) (PLA) and poly(butylene succinate) (PBS) blends for packaging applications, 'Korea-Australia Rheology Journal, vol 19, no 3, pp.125-131
4) Pfasdt, Marcus, Tangelder, Robert, European Patent EP 2 334 734 B1 October 14, 2009.