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




Hiç yorum yok :

Yorum Gönder