Yeni Nesil Takviye Malzemesi Grafen ile Otomotiv Kompozitlerinde Hafifletme
Günümüzde üretilen araçlarda yüksek performans, rekabetçi fiyat, tasarım ve güvenliğin yanı sıra dayanıklılık, hafiflik, yakıt verimliliği ve karbon salınımı en aza indirgenmiş çevreci özellikler de aranmaktadır. Bu yüzden son yıllarda araçlarda metal parçaların yerini plastik parçalar almaya başlamıştır.
Özellikle cam, karbon ve kevlar elyaf takviyeli kompozitler uçak ve uzay sanayisinde diğer mühendislik malzemeleri karşısında sahip oldukları üstün özellikler sebebi ile yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Yüksek darbe dayanımı, sertlik, hafiflik, korozyona dayanım ve yüksek ısıl direnci sebebiyle bu malzemeler büyük ilgi görmektedir [1,2].
Ayrıca, yeni nesil araçlarda kullanılan parçaların geri dönüştürülebilir olması diğer ilgi çeken konulardandır. Bu yüzden araçlardaki birçok iç ve dış trim parçalara polietilen, polipropilen, poliamid 6 ve poliamid 66 tabanlı termoplastik prepreglerden üretilmeye başlanmıştır.
Polimerleri fonksiyonel özellik kazandırmak ve yapısal olarak iyileştirme yapmak için çeşitli dolgu malzemeleri kullanılmaktadır.
Yapılan bir çalışmada naylon 6’nın modülünü iki katına çıkarmak için montmorillonit kilden ağırlıkça üç kat fazla cam fiber kullanılması gerektiği belirtilmiştir [2].
Ağırlıkça %3 ile %5 arasında kullanılan nanokatkılarla %20-%30 kadar kullanılan mikron
boyutundaki katkıların sağladıkları performansları görmek mümkün olmaktadır. Böylelikle nanokompozitler konvansiyonel kompozitlere göre hafifletme yönünde ciddi bir avantaj sağlamasının yanında nanomalzemelerin arayüzey etkileşimlerini ve yüzey alanını artırması ile modül değerlerini de yükseltmektedir.
Nanokatkılar boyutlarına göre kategorize edilmektedirler: nanotüpler ve nanokablolar tek boyutlu, nanokil ve grafen iki boyutlu, küresel ve kübik nanoparçacıklar üç boyutlu.
Özellikle karbon malzemeler arasında grafen ve karbon nanotüp yüksek uzunluk / genişlik oranları ve yüksek mekanik dayanımları sayesinde polimerlere olağanüstü özellikler kazandırabilmektedir.
Grafen tabakaları grafitin yapısında bulunmakta olup van der Waals bağları ile birbirlerine tutunmaktadırlar. Grafen üretimi için ark plazma, kimyasal buhar depolama ve kimyasal eksfoliasyon olmak üzere üç farklı teknik yaygın olarak kullanılmaktadır. Maliyet ve üretim
kapasitesi ele alındığında kimyasal eksfoliasyon tekniği daha avantaj getirmektedir. Kimyasal eksfoliasyon tekniğinde güçlü oksidantlar kullanılarak grafitin yapısındaki grafen tabakaları arasındaki bağları kırmak ve tabakaların arasını açmak mümkün olmaktadır [3,
4].
Şekil 1’de grafitten üretilen grafenin çektiğim taramalı elektron mikroskop görüntüsü bulunmaktadır. Ancak, oksidasyon sırasında kullanılan güçlü oksitleyiciler (potasyum permanganat ve sülfürik asit) hem prosesi zorlaştırmakta hem de patlama riski taşımaktadır [5] ve uzun üretim ve saflaştırma süreleri maliyeti de yükseltmektedir.
Önerilen projede ılımlı koşullarda, maliyeti düşürülmüş ve yüksek oranlarda grafen üretimi
için elektrokimyasal eksfoliasyon tekniği kullanılacaktır. Elektrokimyasal metotta grafit elektrot olarak kullanılıp pozitif ve negatif yükler elektrolitler varlığında malzemeye yüklenerek hem grafen tabakaların arasına interkalantların difüzyonunu sağlamakta hem de pul pul dökülme prosesini başlatmaktadır.
Grafen üretiminde yaşanılan diğer bir problem ise oksidasyon ve indirgeme işlemlerinden sonra elde edilen grafen tabakalarının tekrar birleşerek yüzey alanının düşmesidir. Bu yüzden yüzeylerin fonksiyonelleştirilip seçilen matris ile uyumlu hale getirilmesi gerekmektedir. Bu yüzden yüzeydeki karbon / oksijen oranı ve fonksiyonel gruplar tespit edilerek ya indirgeme işlemi ya da direk çözücülerle yüzey modifikasyonu yapılmaktadır. Genel olarak bu işlemlere baktığımızda çözümler laboratuvar ölçekte kalmış olup ölçeklendirmeye uygun, çevreci ve düşük maliyette çözümler sunmamaktadır.
Günümüzün en büyük sorunlarından biri saf veya geri dönüştürülmüş plastik atıkların biyobozunur olmaması ve bunların imhası kara, hava ve su üzerinde geri dönüşü olmayan çevresel bir kirliliğe sebep olmasıdır.
Bu atıklar binlerce yıl bozulmadan doğada bulunabilirler. Yıllık ortalama %5’lik büyüme oranı ile plastik üretiminin 2020 yılında 400 milyon tona ulaşmış olup pandemi ile birlikte plastik tüketimi en yüksek seviyelere ulaşmıştır. Plastik atıkların bertarafı için geleneksel yöntemler olan yanma veya yeraltına gömme işlemleri yeraltı sularının ve diğer kaynakların kirlenmesine, toz, duman ve zehirli gazların oluşumuna sebep olarak karbon ayak izini ve sera gazının etkisinin artmasına neden olmaktadır.
Çevre kirliliğine sebep olan atık plastiklerin yönetimi giderek büyüyen bir problem olmaktadır. Bu konu ile ilgili olarak, ileri-dönüşüm (upcycling) yöntemi ile atık lastikten elde edilen geri dönüştürülmüş karbon siyahından grafen üretimi yaparak çevreci ve maliyet düşük bir yöntem geliştirerek hem bilimsel çalışmalarımı Teknoloji Hazırlık Seviyesi (THS) 1’den 8’e getirebilmiş hem de TÜBİTAK 1512 desteği ile kurmuş olduğum Nanografen adlı şirketim ile bu alandaki çalışmalarımı ticari boyuta taşıyarak dünyada sayılı şirketler arasına girmeyi başardım.
Nanografen Kasım 2021 itibari ile global bir otomotiv firmasının resmi tedarikçi listesine girmiş olup grafen katkılı malzemelerin termoplastik kompozitlerde yüksek tonajlı üretimlerde kullanabileceğini gösteren dünyadaki tek firma olmuştur. Bu tür atık malzemelerin OEM’ler tarafından kullanılacak olması hem mevzuatlardaki isterleri uymayı hem de vergi indirim avantajı gibi getiriler sağlamaktadır.
Grafen üretiminin karbon kaynağı olarak plastik atıkları da kullanmak mümkündür. Plastik geri dönüşümü çeşitli faydalar sağlamasına rağmen geri dönüştürülmüş plastikler, ham plastik kompozitlerle aynı performansa sahip değildir. Geleneksel geri dönüşüm süreçleri yerine plastiklerdeki zengin hidrokarbon kaynağı kullanarak katma değeri yüksek karbon nanomalzemeler üretmek mümkündür.
TÜBİTAK 1003 desteği ile Sabancı Üniversitesi Tümleştirilmiş Üretim Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi’nde yürütmüş olduğum çalışmada, polipropilen kaynakları kullanarak çevre dostu, sürdürülebilir ve uygun maliyetli bir ileri dönüşüm teknolojisi uygulayarak doğal bir katkı olan ve lameler yapıya sahip talk üzerinde grafen yapıları büyütmeyi başarmış olup hedeflenen otomotiv parçasındaki ana takviye miktarını azaltarak bu yeni tasarlanmış hibrit katkı ile hafif termoplastik kompozitler geliştirdim.
Polipropilen atıklara ek olarak polietilen tereftalat ve polistiren gibi aromatik plastiklerin geri dönüştürülmesi karmaşıktır ve polisiklik aromatik hidrokarbonların ve üniteler arası C–O ve / veya C–C bağlantılarının varlığından dolayı proses tasarımına ve koşullarına son derece
duyarlıdır.
Burada aromatik plastiklerden yüksek katma değerli ürünler elde etmek için ileri dönüşüm süreci çok önemli hale geliyor. Atıklardaki karbon kaynağını kullanarak ısıl işlem ile doğal 2 boyutlu substratlar üzerinde 2 boyutlu ve 3 boyutlu grafen yapılar üretmek mümkün olmaktadır.
Son yıllarda küresel ısınma ve sera gazı (GHG) emisyonlarının olumsuz etkileri, tüm sektörlerde endüstriyel karbonsuzlaştırma ihtiyacını tetiklemektedir. Avrupa Birliği’nin sera gazı emisyonlarının %27’sini oluşturan ulaşım sektörü, CO2 emisyonlarının %23’ünden sorumludur [6] ve enerji talebinin %92’si petrole bağımlıdır [7].
Geçtiğimiz on yılda önemli teknolojik ilerlemelere rağmen, öngörülen GHG emisyonları, ulaşım sektöründe artan talepler nedeniyle Paris Anlaşması’nın hedeflerinin gerisinde kalmaktadır. Bu nedenle 2050 yılına kadar net sıfır sera gazı emisyonuna yönelik politika hedeflerine ulaşmasını sağlamak için tüm ulaşım araçlarına yönelik yoğun araştırma ve yenilik faaliyetlerine ihtiyaç vardır.
Özellikle hibrit ve elektrikli araçlarda hafif parça tasarımları yakıt verimliliğini artırmak ve araç performansını iyileştirmek için önem taşımaktadır. Bu noktada cam elyaf ve talk katkılı kompozitler avantajları nedeniyle otomotiv endüstrisi tarafından yaygın olarak kullanılsa bile yoğunluk ve üretim maliyetlerinden ötürü hafifletme çalışmalarında alternatif çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır.
Çalışmalar, bir aracın ağırlığının sadece %10 oranında azaltılmasının yakıt ekonomisini % 6-8 arttırdığını ve CO2 emisyonlarını 15-20 g / km kadar azalttığını göstermektedir. Ekibim ile birlikte, CO2 emisyonu azaltımlarını göz önünde bulundurarak yapmış olduğumuz kıyaslama çalışması ile önerilen yenilikçi ileri dönüşüm çözümlerinden elde edilen çevresel kazanımları göstermek için kapsamlı olarak yaşam döngüsü değerlendirmesi yaptık.
Yaşam döngüsü değerlendirmesi (LCA) üretim, kullanım ve bertaraf yoluyla ürünlerin, süreçlerin veya hizmetlerin beşikten mezara yaklaşımı ile çevresel etkilerini inceleyen ve karbon ayak izini hesaplayan bir programdır. Örneğin, 4 araç lastiğinin geri dönüşümü 146 kg CO2 emisyonunu azaltmaktadır. Genel olarak değerlendirildiğinde, günümüzde LCA yaklaşımları genellikle tasarım çalışmasından elde edilen veriler doğrultusunda malzeme üretimi ve parça üretimi konularını içermektedir.
LCA analizleri ile hem malzeme sentezinden hem de son uygulamaya kadar olan süreçlerin sistematik olarak değerlendirilmesi yapılabilir, atık yönetim sistemine katkı olarak ekonomik ve çevresel etkilerinin fizibilitesi sunulabilmektedir.
T.C. Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı tarafından da yerli otomobile yönelik çalışmalarda “güçlü ve rekabetçi tedarik sanayi ve kendi ürettiği yerli markaları ile ileri teknoloji kullanımını yaygınlaştırmak ve katma değer oranını yükseltmek” hususu ön plana çıkartılmıştır.
Döngüsel ekonomi yaklaşımını esas almış otomotiv sektörünün hafifletme konusundaki temel ihtiyaçlarını hedef alan ileri dönüşüm teknolojisi, günümüzdeki plastik atık sorununun giderilmesinde yeni bir boyut kazandıracaktır.
Kaynaklar:
[1] Davim J. P., Reis P., Antonio C., Experimental study of drilling glass fiber reinforced plastics (GFRP) manufactured by hand lay – up, Composites science and techology, 64, 289-297, (2004).
[2] Fornes T. D., Paul D. R., Modeling properties of nylon 6/clay nanocomposites using composite theories, Polymer, 44, 4993–5013, (2003).
[3] Saner B., Dinc F., Yürüm Y., Utilization of multiple graphene nanosheets in fuel cells 2. The effect of oxidation process on the characteristics of graphene nanosheets, Fuel, 90, 2609-2616, (2011).
[4] Saner B., Okyay F., Yürüm Y., Utilization of multiple graphene layers in fuel cells. 1. An improved technique for the exfoliation of graphene-based nanosheets from graphite, Fuel, 89, 1903-1910, (2010).
[5] Hummers W. S., Offeman R. E., Preparation of graphitic oxide, Journal of American Chemical Society, 80, 1339, (1958).
[6] European Environment Agency (EAA), Indicator Assessment: “Greenhouse gas emissions from transport in Europe”, Prod-ID: IND-111-en, TERM 002, Published 18 Dec 2020, updated in 22 Jul 2021.
[7] European Environment Agency (EAA), Briefing: “Transport: increasing oil consumption and greenhouse gas emissions hamper EU progress towards environment and climate objectives”, Published 03 Feb 2020, Last modified 02
Sep 2021.
Doç. Dr. Burcu Saner Okan
Akademik Direktör
Sabancı Üniversitesi
Kompozit Teknolojileri Mükemmeliyet Merkezi Kurucu-Nanografen
