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.


Hiç yorum yok :

Yorum Gönder