14 Kasım 2016 Pazartesi

Biyobazlı Polyester Elyaflar - Tekstil Uygulamaları için PLA

Sentetik elyaf pazarında 96 milyon ton ile dünya elyaf pazarının %62’sini petrol bazlı polimerlerden elde edilenler oluşturuyor. Bu rakamı %25 ile pamuk ve %6 ile selüloz bazlı elyaflar takip ediyor (1). 2013 itibariyle ise sadece PET polyesterlerden üretilen elyafların miktarı 41 milyon tona ulaşmıştır (2).

Elyaf üretimi için gerekli malzemelere olan talep istikrarlı bir şekilde artmaktadır. Bunun sebepleri arasında artan nüfüs ve insan yaşam kalitesi bulunuyor ve bu da şirketlerin kapasitelerini arttırıp daha verimli hale getirmelerine sebep oluyor. Bu bağlamda, biyobazlı ya da kısmı olarak biyobazlı kaynakların kullanılması da başta iklim değişimi ve sürdürülebilir gibi küresel zorlukların farkındalığı doğrultusunda ciddi olarak değerlendiriliyor (3,4).

Biyobazlı polimerlerden olan polilaktik asit (PLA), laktik asit ve ya dilaktidden üretilen yarı kristal yapıdaki bir polyesterdir. Muhtemelen PLA pazar miktarı açısından en yaygın biyobazlı plastik malzemelerdendir ve dünyada yıllık 200kt’den fazla üretilmekte ve fiyatı da 2-3 Euro/kg seviyelerinde değİşmektedir. Termoplastik özelliği sayesinde büyük ve mühendisliği iyi yapılmış endüstriyel tesislerde oldukça verimli bir şekilde eriyikten çekilebilmektedir (6). 8000 m/dakika’ya kadar yüksek işleme hızlarında işlenir ve PAN Viskos ve Kevlar elyafları gibi çözeltiyle eğirme yöntemiyle işlenenlere göre ekonomik açıdan avantajlıdır.  Fakat eriyikten çekilebilme için polimerin eriyik haliinin yüksek gereksinimlere sahip olması bu sayede de yüksek çekim ve soğutma hızlarında yüksek düzenlilik ve işleme kararlılığına sahip olması gerekmektedir. Çekilen filamentlerin sarım ünitesi ile polimerin çıktığı enjektör arasında 1000 kata kadar çekme kuvvetine dirençli olması gerekmektedir (3).

Ingeo ve Purapol ürün hatlarıyla en önemli PLA üreticileri arasında NatureWorks ve Corbion şirketleri bulunmaktadır. Şirketler enjeksiyon kalıplama ve film üretiminin yanında tekstil ürünleri, halılar ve dokuma olmayan ürünler için de ürünler tedarik etmektedirler.

PLA’dan üretilen elyafların özellikleri birçok tekstil uygulaması için uygundur. Gerilim-gerinim eğrisi yün elyaflara oldukça yakındır (9). PLA elyaflar yumuşak bir his sunmasının yanında %5’lik elastik gerilim sonrasında %93 kadar geri kazanım sağlarlar (10). Ek olarak yüksek UV direnci ve göreceli olarak daha yüksek olan %26’lık Limiting Oxygen Index (LOI) (PET için %22) ve yanma sırasında PET’e göre daha az duman emisyonu gibi farklı avantajları da bulunmaktadır. Düşük nem alımıyle birlikte nem kontrolü de sağlanabilmektedir ve bu durum da oldukça fayda sağlar. PET için %0.2-0.4’lük nem çekme geçerliyken PLA’nın %0.4-0.6 arası, yünün ise %14-18’e kadar nem çekme kapasitesi vardır. Aynı zamanda nem dağılımı ve böylece kuruma için düşük zaman yeterlidir ve bu da sadece spor kıyafetleri için değil bütün tekstil ürünlerinde önemlidir. Şimdiye kadar PLA monofilament ürünler 3D yazıcılarda standard malzeme olarak kullanıldılar. Bunun sebepleri arasında düşük çekme katsayısına ve istenen katılaşma özelliklerine sahip olması bulunuyordu. PLA malzemesinin biyobozunurluğu sayesinde ise dikiş malzemeleri, alçılar, ilaç kontrol polimerleri ve doku mühendisliği gibi biyomedikal alanlarda malzeme umut vaadetmektedir.

Potsdam Almanya merkezli Fraunhofer Enstitüsü Uygulamalı Polimer Araştırmaları birimi olan IAP ise PLA’nın eriyikten çekilmesi sırasındaki işleme davranışlarını incelemek üzerine Alman Tarım Bakalığı tarafından desteklenen bir proje yürütmektedir.

Biyokomponent eriyikten çekme için endüstriyel pilot bir sistem kullanarak (Resim 1), Fraunhofer IAP teknik uygulamalar için yüksek güce sahip PLA multifilamentleri üretti. Besleme hızı, sıcaklık ve gerilme profili gibi işleme parametrelerini kontrol ederek, filament inceliği 1 dtex’e kadar farklı boyutlarda elde edildi. Sonuç olarak elde edilen fiziksel özellikler %50 kristaliniteye sahip super moleküler yapılar üzerinden elde edildi. Gerilme mukavemeti 45cN/tex, elastik modulus 600cN/tex ve kopma anındaki uzama %30 gibi değerlere ulaşıldı. 

Resim 1 - Fraunhofer IAP'nin geliştirdiği PLA'yı eriyikten çekme pilot hattı


Daha sonrasında yapılan esnetmelerle de teknik kullanım için gerekli olan özelliklere ulaşılması sağlandı. Aynı değerler bu durumda 63 cN/tex; 740 cN/tex ve %25 seviyelerine ulaşmıştır. Kristallik ise bu sefer %61 seviyesindedir. Yüksek modulus yüksek miktarda gerdirilmiş kristal yapıdan dolayı elde edilmiştir. Bu da resim 2’deki X-ray görüntüsünden anlaşılabilir. Bu sayede mekanik performansa sahip ve teknik sentetik elyafların özelliklerine yaklaşan PLA multifilamentler üretilmektedir.

Resim 2 - Gerdirilmiş PLA filamentlerin X-ray görüntüsü


Fakat PLA’nın düşük ısıl kararlılığa sahip olması teknik uygulamalardaki kullanımları kısıtlanmaktadır. Sırasıyla 165C ve 60C olan düşük erime ve camlaşma sıcaklıkları sebebiyle PLA elyaflar yüksek sıcaklıklarda kullanılamamaktadır. Gelecekte her iki PLA enantiyomerleri olan PLLA ve PDLA’nın karışımlarının kullanılması ile daha yüksek erime sıcaklığına sahip malzemelerin elde edilmesi sağlanabilir. Hali hazırda Corbion firmasının bazı PLA ürünleri bu özelliğe sahiptir. Aynı zamanda düşük sıcaklıklarda yumuşama davranışına pozitif bir etki sağlanmaktadır.

 



Biyobozunurluk özelliği ve bunun sonucundaki çevresel faydalar ile birlikte PLA elyaflar için optimist bir tahminde bulunmak mümkün olabilir. Teknik uygulamalar için ise, bazı mekanik özelliklere ulaşılabilir. Fakat termal kararlılık için bazı geliştirmelerin yapılması gereklidir.

Kaynaklar:
1) www.lenzing.com/investoren/equity-story/welt-fasermarkt.html
2) Man-made Fibre Year Book 2013
3) E.Tarkhanov, A.Lehmann, Biobasierte Synthesefasern für textile und technische Anwendungen
4) A.Lehmann, E.Tarkhanov, J.Ganster, Biobasierte Chemiefasern- Viskosefasern und mehr
5) A.Auras, L-T.Lim, S.Selke, H.Tsuji, Polylactic Acid- Synthesis, Structures, Properties, Processing and Applications, 2010
6) V.B.Gupta, V.K. Kochari, Manufacturers Fibre Technology, 1997
7) www.corbion.com
8)www.natureworksllc.com
9) R.S. Blackburn, Biodegradable and Sustainable Fibres, 2005
10) A.Mohanty, M.Misra, L.Drzal, Natural Fibres, Biopolymers and Biocomposites, 2005
11) K.M. Nampoothiri, N.R.Nair, R.P. John, An overview of recent developments in polylactide research, Bioresource Technology, 2010
12) biopolymernetzwerk.fnr.de/verarbeitung/kompetenznetzwerk-knvb
13) E.Tarkhanov, A.Lehmann, Fraunhofer IAP, Annual Report 2014
14)E.Tarkhanov, A.Lehmann, Fraunhofer IAP, Annual Report 2015

15) H.Tsuji, Polylactide Stereocomplexes, Formation, Structure, Properties, Degradation and Applications, Mocrom, Biosci, 5, 2005, s.569-597

Hiç yorum yok :

Yorum Gönder