Döngüsel ekonomi ve yeşil kompozitler, atık azaltımı ve doğal kaynak kullanımında etkin bir çözüm sunan önemli kavramlardır. Döngüsel ekonominin prensipleri, yeşil kompozitlerin üretiminde geri dönüştürülebilir malzemelerin kullanımını teşvik ederek çevre dostu ürünlerin ortaya çıkmasına katkı sağlar. Bu birliktelik, sürdürülebilir bir geleceğe yönelik çevresel sorumluluk anlayışını güçlendirir. Yeşil kompozitlerin önemini anlayabilmek için öncelikle geleneksel petrol esaslı kompozit sınıfını öğrenmemiz gerekir.
GİRİŞ
Günümüzde endüstriyel ve mühendislik alanlarında birçok uygulama bulan kompozit malzemeler, özellikle son yıllarda büyük bir ilgi görmektedir. Kompozitler inşaatlarda, otomotiv endüstrisi, tıbbi uygulamalarda, petrol ve gazda, ulaşımda, sporda, havacılıkta, konut ve endüstriyel parçalar gibi daha birçok alanda kullanılan ürünler günlük yaşamlarımıza nüfuz etmiştir.
Kompozit malzeme; farklı kimyasal veya fiziksel özelliklere sahip iki veya daha fazla malzemenin birleştirilmesiyle oluşturulan bir malzeme türüdür.
- Kompozitlerde kullanılan malzemeler kendi kimliklerini korurlar, birlikte çözünmez ya da harmanlanmazlar.
- Kompozit malzemeler matris ve takviye elemanından oluşur.
- Takviye yük taşıyan elemandır, matris ise takviye malzemesini birbirine bağlar ve maruz kalınan yükün yayılmasını sağlar.
- Matris ve takviye elemanının ayrı ayrı özellikleri vardır ancak bir araya getirilip kompozit malzeme oluşturulduğunda ana malzemelerden daha üstün özelliklere sahip yeni bir malzeme oluşur.
Kompozitleri takviye malzemesinin formuna göre veya kullanılan matris türüne göre sınıflanır. Matris türüne göre sınıflandırma da kompozitler 3’e ayrılır.
- Metal matrisli kompozitler
- Seramik matrisli kompozitler
- Polimer matrisli kompozitler
Polimer kompozitler; bir polimer matris ve bir veya birden fazla takviye malzemesinden meydana gelir. Takviye elemanı olarak genellikle kalsiyum karbonat, cam lifi, aramid, mika, kaolin, kalsiyum silikat, silika, grafit, yüksek performanslı lif çeşitleri, matris olarak ise petrol esaslı termoplastik ve termoset gibi malzemeler kullanılır. Polimer kompozitler hafiflik, yüksek mekanik performansı (yüksek spesifik dayanım ve sertlik) ve kolay işlenebilirlik avantajları sayesinde gün geçtikte metallerin yerini alarak uygulama alanlarını genişletmiştir.
Petrol bazlı geleneksel sentetik polimer kompozitlerin bir çok avantajı olsa da dezavantajları da bulunmaktadır. Doğada biyolojik olarak parçalanmazlar ve toksiktirler. Yaşam döngüsünü tamamlamış geleneksel kompozit malzemelerin yeniden kullanılabilirliği, geri dönüştürülmesi çok zor ve masraflıdır. İki seçenek vardır ya gömülürler ya da yakılırlar. Bertaraf edilen malzemeler çevre kirliliğine neden olur. Ayrıca sentetik takviye ve polimer üretimi için çok fazla ısı ve basınç gerektiğinden enerji yoğun bir süreçtir. Çevre kirliliğinin kontrolsüz bir şekilde artması, çöp depolama alanlarının artışı, petrol esaslı polimerlerin geri dönüşümünün zor olması ve hızla azalmakta olan doğal kaynaklar geleceğimiz için büyük sorun teşkil eder. Petrokimya kaynaklarındaki sınırlı rezervler, çevresel kirlilik ve karbon salınımı gibi nedenlerle oluşan küresel ısınma sorunları, global çapta bir farkındalık oluşturmuştur.
Hükümetler, yasal merciler ve araştırmacılar daha çevre dostu, kaynağı bol olan ve sürdürülebilir hammaddelerden sentezlenen polimer alternatiflerini araştırmışlardır. Bu problemi çözmek için polimer kompozitlerin üretiminde doğal elyaf ve matrisler kullanılmıştır. Bu malzemeler daha az çevresel etkiye sahip “yeşil polimerler” ve “yeşil kompozitlerdir“. Yeşil kompozitler biyobozunur, sürdürülebilir, yenilenebilir, endüstriyel üretim sırasında işçiler için daha az tehlikeli, teneffüs edilmesi halinde zararsız ve düşük özgür ağırlığa sahip malzemelerdir. Yeşil kompozitler üretiminde takviye malzemesi olarak kullanılan doğal lifler hafif olması, toksik olmaması, yanıcı olmaması, biyolojik olarak parçalanabilir olması gibi avantajlara sahiptir. Ayrıca sentetik liflerin sentezi için gereken enerjinin yarısından daha az enerji ile üretilirler. Yeşil polimerler ve yeşil kompozitler, çevresel problemleri ortadan kaldırmak için mühendislik ve endüstriyel uygulama alanlarında kullanılmaya başlanmıştır. Başta cam lifi olmak üzere birçok sentetik lifin alternatifi olarak, doğal liflerin kullanılabilirliği, yeşil kompozitlerin önemini artırmıştır.
YEŞİL KOMPOZİTLER
Biyokompozit malzeme, matris veya takviyenin ya da her ikisinin de doğal kaynaklardan elde edilen malzemelerden üretilmesiyle tanımlanır. Takviye elemanı olarak doğal lifler, polyester, polietilen, polipropilen, polivinil klorür gibi petrol esaslı ya da poli laktik asit (PLA), polihidroksialkanoatlar (PHA) gibi biyopolimerlerden oluşur. PLA ve soya reçinesi gibi biyopolimer matris içerisine sentetik, cam ve karbon lifleri ile takviye edilerek oluşturulan kompozitlerdir.
Yeşil kompozit: kompozit elemanlarından her ikisinin de doğal kaynaklardan elde edildiği kompozit sınıfır. Takviye malzemeleri olarak farklı şekillerde (lif, partikül, kristal vb.) ve boyutlarda (makro, mikro, nano) kullanılan doğal/biyopolimer lif türleridir. Bu takviye edici malzeme, kompozitin matris elemanı içine yerleştirilir ve kompozit malzemenin kesikli veya dağılmış fazını oluşturur.
Biyobozunurluk Nedir?
Biyobozunma: Biyobozunur malzemelerin ısı, ışık, nem etkisi, mikroorganizmalar ile ışıl bozunum, oksidasyon ve hidroliz gibi kimyasal reaksiyonların etkisiyle doğal ortamda herhangi bir zararlı madde üretmeyecek şekilde karbondioksit ve su gibi basit bileşiklere ve düşük molekül ağırlıklı biokütleye dönüşmesidir.
- Yeşil kompozitlerde kullanılan doğal lif ve matrisin biyolojik olarak parçalanabilir özellik gösterirler.
Yeşil Kompozitlerin Sınıflandırılması ve Özellikleri
Takviye elemanı; uygulanan yükü ve gerilimi taşır, kompozit malzemeye sertlik ve mukavemet özellikleri kazandırır.
Matris elemanı; çevre koşulları ve kimyasal etkiye maruz kaldığında kompozit malzemeyi korur, takviye malzemelerini bir arada tutar, yükü ve gerilimi takviye elemanına aktarıp yükün takviye malzemeleri üzerinde yayılmasını sağlar.
Yeşil kompozit malzemelerde kullanılan doğal lifler ve biyopolimerler çevre dostu ve sürdürülebilir malzemelerdir. Keten, sisal, hindistan cevizi, kenevir, pamuk vb. doğal lifler tamamen biyobozunur ve geri dönüştürme özellikleri vardır. Karbon salınımları sentetik liflerle kıyaslandığında oldukça düşüktür. Biyopolimer olarak nişasta, poli laktik asit (PLA), furan, kitin, kitosan, poliglikolik asit (PGA) vb. kullanılmaktadır. Biyopolimerler 3 farklı şekilde elde edilir:
- Biyokütle kaynaklarından doğrudan elde edilir (polisakkaritler, proteinler, lipidler).
- Biyo esaslı monomelerin kimyasal olarak biyoteknoloji yöntemleri ile sentezlenmesi elde edilir (PLA vb.).
- Mikroorganizmaların aktiviteleri sonucunda elde edilir (PHB, PHBV vb.).
Biyobozunur matris elemanı olarak; soya proteini reçineleri, buğday glüten protein reçineleri, kardanol reçineleri, keten tohumu yağı reçineleri, epoksitlenmiş doğal kauçuk gibi çeşitli reçineler üzerinde araştırmalar yapılmıştır ve uygulama alanlarına dahil edilmeye çalışılmaktadır.
Yeşil kompozitlerin üretim yöntemleri sırasıyla;
- Enjeksiyon kalıplama,
- Sıkıştırma kalıplama,
- Ekstrüzyon yöntemleri kullanılabilmektedir.
Doğal Lif Katkılı Yeşil Kompozitlerin Avantajları Ve Dezavantajları
Cam, aramid ve karbon liflerinin mekanik özellikleri iyidir ve üretim kolaylığından yaygın olarak her sektörde kullanılabilmektedir. Ancak bu malzemelerin geri dönüşümü yoktur, üretim maliyetleri yüksektir. Yeşil kompozitler endüstriyel olarak kullanılan cam, aramid ve karbon lif takviyeli kompozitlerin yerine alternatif olacak şekilde araştırılmaya devam edilmektedir. Doğal lif takviyeli kompozitlerin mekanik özelliklerini etkileyen faktörler vardır. Matris seçimi, üretim yöntemi, lif tipi, ara-yüzey bağı, lif dağılımı ve boşluklu yapı etkilemektedir. Takviye olarak kullanılan doğal liflerin kompozit malzemeye kazandırdığı oldukça önemli avantajları bulunmaktadır.
Takviye olarak kullanılan doğal liflerin avantajları:
- Düşük sera gazı salınımı,
- petrole bağımlılığı azaltma,
- doğal kaynaklardan elde edilip geri dönüştürülebilmesi,
- maliyetlerin avantajlı olması,
- Doğal liflerin ortalama tonu yaklaşık 200 $ iken, cam lifleri 1200-1800 $ arası, karbon lifleri ise 12500$’dır.
- Üretim için harcanan enerji sarfiyatı düşük olması,
- Doğal liflerin üretimi için harcanan enerji sarfiyatı sadece 4 Gigajoule (GJ) iken, cam lifleri için 30 GJ, karbon lifleri için 130 GJ’dir.
- Yüksek özgül dayanımları,
- Özgül yoğunluklarının düşük olmasından dolayı hafiflik kazandırması gibi bir çok avantajının olması sürdürülebilir bir dünya adına kompozit uygulamaları için geleceğin yeşil kompozitler ile sağlanabileceği düşünülmektedir.
Takviye olarak kullanılan doğal liflerin dezavantajları:
- Doğal lif takviyeli kompozitler çoğunlukla rastgele dağılmış kısa lifli bir yapıya sahiptirler. Kesikli lif takviyeli olmalarından dolayı filament lif takviyeli
- nazaran elastik modülü ve çekme dayanımları daha düşüktür.
- zayıf dayanıklılık,
- yetersiz termal stabilite (230 °C – 250 °C),
- yüksek nem emilimi,
- düşük lif/reçine arayüzey bağı gibi dezavantajlarından kaynaklı kullanım alanlarının doğru tespit edilmesi gerekmektedir.
Yeşil Kompozitlerin Kullanım Alanları
Doğal lif takviyeli kompozitlerin orta düzeyde gerilme özellikleri gibi dezavantajları ve UV bozunma özelliği gibi biyobozunur özellikleri yeşil kompozitlerin kullanım alanlarını etkilemektedir. Doğal lif katkılı yeşil kompozitlerin dezavantajları iyileştirildiğinde alüminyum ve cam elyaf kompozitlerden yapılmış hafif parçalarla kıyaslanabilir hale gelecektir.
Otomobillerde kullanılan araç bileşenlerinin maliyetini ve ağırlığını önemli ölçüde azaltma potansiyeli vardır. Otomotiv, inşaat ve havacılık yeşil kompozitlerin potansiyel olarak ikincil (yük taşımayan) ve hatta birincil (yük taşıyan) yapısal bileşenler için kullanılabileceği üç ana sektördür.
- Birincil yapılara örnek olarak; otomobillerdeki ön ve arka tampon takviyeleri, bina kirişleri, uçaklardaki kanatçıklar ve dümenleri gibi yapılardır.
- İkincil yapılara örnek olarak; evlerimizdeki pencere/kapı çerçeveleri, otomobillerdeki tavan panelleri ve uçakta yay veya trim tırnakları örnek gösterilebilir.
- Yapılan bir araştırmada otomotiv sanayisinde ikincil yapı uygulamaları için gerekli olan minimum kriter 25 MPa çekme mukavemeti belirlenmiştir. Yüksek mukavemetli selülozik lifin takviye malzemesi olarak kullanıldığı bazı çalışmalarda çekme mukavemetinin 200 MPa’ya kadar elde edilebileceği kanıtlanmıştır.
- Ford, Mercedez-Benz, Audi, Toyota, BMW, Mitsubishi Motors gibi büyük otomotiv şirketleri, Airbus ve Boeing havacılık şirketleri otomobil ve uçakların iç mekanlarında parçalarında doğal elyaf katkılı kompozitler kullanmaya başlamışlardır.
- Otomobillerde; kapı iç paneli, kapı kaplaması, koltuklar, iç halılar, yalıtım panelleri, bagaj astarı, torpido gözü (Mercedes A,C,S sınıfı araçlarda – pamuk lifi/ahşap kalıplı, keten/sisal), oturma düzeyi/sırtlık (hindistan cevizi lifi/doğal kauçuk), iç motor kapağı gibi çeşitli parçalarda yeşil kompozitler kullanılmaya başlanmıştır.
- Otomotiv ve havacılıkta yeşil kompozitlerin hafiflik özelliği yakıt performansında iyileşme sağlayacaktır.
- İnşaat sektöründe beton malzemesini yapmak için kullanılan çimento kum ve taşları birbirine bağlar. Bu yapıda çatlaklar oluşmaması, mukavemeti arttırmak için doğal kısa lif katkılı kompozitlerden faydalanma üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Ancak doğal lifin biyobozunur özellikleri bu kullanımları oldukça sınırlamaktadır.
- Yeşil kompozitler suyun varlığında biyolojik olarak parçalanmaya eğimlidirler. Ek olarak UV bozunma sebebiyle uçakların birincil yapılarında ve uzay uygulamalarında henüz güvenilir bir uygulama bulunmamaktadır.
- Uçak çarpması, kum, dolu, yağmur gibi keskin hava değişimleri ve aerodinamik yüklemeye karşı koruma sağlamak uçak birincil yapılardan beklenen temel özelliklerdir. Ayrıca yıldırım çarpması gibi hasarları önlemek için kullanılacak kompozit materyalin iletken özellikle olup elektriği iletmesi gerekmektedir.
Poli Laktik Asit Biyopolimeri
PLA matris elemanı olarak kullanılan bütün reçineler arasında, biyolojik olarak parçalanabilirliği, iyi mekanik özellikleri, üretim kolaylığı, düşük emisyonu, düşük enerjiyle işlenebilirliği, yüksek şeffaflığı ve geri dönüştürülebilirliği nedeniyle yeşil kompozitlerin üretilmesinde bugüne kadar en çok kullanılan yeşil reçine olmuştur.
Mısır, pirinç, patates, şeker kamışı ve çeşitli tarımsal atıkların nişastasından elde edilen PLA, otomotiv uygulamalarında geleneksel petrol esaslı polimerlere en popüler alternatif biyopolimerdir. Film ambalajlar, şişeler, içecek kutuları, tekstil ürünleri gibi kısa ömürlü ürün uygulamalarında kullanıldığı gibi yüksek dayanım ve sertlik özelliği ile otomotiv uygulamalarını da içeren dayanıklı ürünlerde kullanılmaya başlanmıştır. Otomotiv endüstrisinde sıkça kullanılan akrilonitrilbütadienstiren (ABS), poliamid (PA), polietilen (PE), polikarbonat (PC) gibi polimerlere kıyasla Young modülü değeri daha yüksektir (>3,5 GPa). PLA üretimi sırasında petrol esaslı polimerden % 25-55 arasında daha az enerji tüketimine ihtiyaç duyulmaktadır.
Yeşil Kompozitlerin Özelliklerinin İyileştirilmesi için Yapılan Uygulamalar
Yeşil kompozitlerin sürdürülebilir üretimler için beklenen talebi karşılayabilmesi için mekanik özellikleri ve biyobozunurluk özelliklerinin uygulama alanlarına yönelik iyileştirilmesi gerekmektedir. Günümüzdeki son gelişmeler bu çalışmalar üzerine yoğunlaşmış durumdadır.
Kimyasal Ön İşlem Uygulanmış Doğal Lif Katkılı Kompozitler
Doğal lifler doğası gereği yüksek miktarda neme ve su emme özelliğine sahiptir. Bu, matris ve takviye elemanları arasında zayıf bir ara-yüze neden olur. Sonuç olarak mekanik özellikleri orta düzeyde yeşil kompozit materyal elde edilir. Bu sebeple liflerin hidrofobik özellik kazanması gerekmektedir. Bu amaçla kompozit üretiminden önce life ön işlem uygulanması gerekir. Pek çok kimyasal işlem mevcuttur ve en iyi kimyasal işlem, çevresel faktörlere ve maliyet faktörüne göre belirlenir.
- Ön işlem için; alkali (NaOH), esterifikasyon, silan ve maleik anhidrit gibi kimyasallar kullanılarak lifin özellikleri iyileştirilir.
İşlenmiş Selüloz Lif Katkılı Kompozitler
Selüloz bazlı takviyeli kompozitlerin mekanik özelliklerini artırmak için, mikro-fibrile edilmiş selüloz lifi, selüloz nanolifi ve nanoselüloz gibi işlenmiş selüloz türleri geliştirilmiştir. Yüksek oranda yönlendirilmiş selüloz molekülleri içerdiğinden kristallenmeleri çok yüksektir. Hemiselüloz ve/veya lignin içeren doğal liflerle karşılaştırıldığında yüksek kompozit çekme mukavemeti ve Young modülü gibi güçlü mekanik özellikler ve gelişmiş yüzey morfolojileri sergilerler.
Hibrit Yeşil Reçine Matris ile Üretilen Kompozitler
Yeşil kompozitlerin mekanik özelliklerini geliştirmek amacıyla yeşil ve yeşil olmayan reçineler ile hibrit yapı oluşturulmuştur. Bu kompozitler kısmet sürdürülebilir özelliktedir. Araştırmacılar biyolojik olarak parçalanamayan polimerleri PLA, epoksitlenmiş soya fasulyesi yağı, polibutilen suksinat (PBS) vb. gibi diğer biyolojik olarak parçalanabilen reçinelerle harmanlamayı denediler.
Hibrit Doğal Lif Yapıları İle Üretilen Kompozitler
Birden fazla türde doğal lifle güçlendirilerek yeşil kompozitler üretilmiştir. Farklı doğal lifler farklı mikrofibriler açılara ve selüloz içeriğine sahiptirler. Dolayısıyla farklı gerilme özellikleri vardır. İki veya daha fazla doğal elyafla aynı anda güçlendirilmesi, kompozit özelliklerini iyileştirdiği tespit edilmiştir.
Sonuç olarak, yeşil kompozitler, sürdürülebilirlik ve çevre dostluğu açısından önemli bir ilerleme sunmaktadır. Bu malzemeler, doğal kaynaklardan elde edilmesi endüstriyel uygulamalarda çevresel etkiyi azaltmaya yardımcı olurken, aynı zamanda maliyet ve ağırlık tasarrufu sağlayarak ekonomik ve çevre dostu çözümler sunmaktadır. Gelecekte, yeşil kompozitlerin kullanımının daha da yaygınlaşmasıyla birlikte, endüstrinin daha sürdürülebilir bir yöne doğru ilerlemesi ve çevre üzerindeki olumsuz etkilerin azaltılması mümkün olacaktır
KAYNAKLAR
Kartal, I., NAYCI, G., & Demirer, H., “Cam ve bambu lifleriyle takviyelendirilmiş vinilester kompozitlerinin mekanik özelliklerinin incelenmesi”, International Journal of Multidisciplinary Studies and Innovative Technologies, 3(1), 34-37, (2019).
Clyne, T. W., & Hull, D., “An introduction to composite materials”, Cambridge university press, (2019).
Kopparthy, S. D. S., & Netravali, A. N., “Green composites for structural applications”, Composites Part C: Open Access, 6, 100169, (2021).
Aydın, E., “Selüloz Esaslı Takviyelendirici İçeren Yeşil Kompozitlerin Üretimi”, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü, Malzeme Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul, (2018).
Ali, A. V. C. I., EKER, A. A., & BODUR, M. S., “Yeşil Kompozit Malzemelerin Performans Özellikleri ve Otomotiv Endüstrisinde Kullanımı”, Journal of the Institute of Science and Technology, 11(4), 3035-3054, (2021).
