Giriş
Son yıllarda kompozit sektöründe yalnızca mekanik performans ve hafiflik değil, aynı zamanda çevresel etki ve sürdürülebilirlik de önemli bir değerlendirme kriteri haline gelmiştir [1,2]. Cam ve karbon elyafı gibi geleneksel takviye malzemeleri yüksek dayanım sunarken, üretim süreçleri, yüksek karbon salınımı ve geri dönüşüm aşamaları açısından ciddi çevresel yükleri de beraberinde getirmektedir [3]. Literatürde doğal elyaf takviyeli kompozitlerin karbon ayak izinin geleneksel sistemlere göre daha düşük olduğu belirtilmektedir [2,7]. Bu durum, sektörde doğal elyaf takviyeli kompozit sistemlere olan ilgiyi her geçen gün artırmaktadır.
Bu kapsamda, keten bitkisinden elde edilen flax fiber, düşük yoğunluğu, yenilenebilir yapısı ve yüksek özgül mekanik özellikleri sayesinde cam elyafa alternatif olarak öne çıkan doğal takviye elemanlarından biridir [4,5]. Otomotivden yapı sektörüne, tüketici ürünlerinden hafif mühendislik uygulamalarına kadar birçok alanda flax fiber takviyeli kompozitlerin kullanım potansiyeli öngörülmektedir [6].
Eskim Kimya’nın Sürdürülebilirlik ve Ar-GeYaklaşımı
Eskim Kimya ARGE Merkezi ve Tezkom Kompozit, 2024 yılında devlet desteği alarak onaylı araştırma ve geliştirme merkezi unvanını almaya hak kazanmıştır. Doktor, doktora öğrencisi, yüksek lisans mezunu ve öğrencileriyle birlikte güçlü bir kadro ile araştırma ve geliştirmelerine devam etmektedir. Eskim Kimya bünyesinde yürütülen Ar-Ge çalışmalarında, çevreye duyarlı üretim anlayışı ve sürdürülebilir malzeme geliştirme yaklaşımı temel hedefleri arasında bulunmaktadır.
Bu doğrultuda, yenilenebilir kaynaklı hammaddelerin kullanımı, düşük enerji tüketimli üretim proseslerinin geliştirilmesi ve çevre dostu ürün formülasyonlarının oluşturulması üzerine çalışmalar sürdürülmektedir. Flax fiber takviyeli kompozit sistemler, Eskim Kimya’nın sürdürülebilir ürün geliştirme vizyonunun önemli bir parçasını oluşturmaktadır.
Doğal Elyaf Takviyesi ile Dökme Kalıplama Bileşiği (BMC) Yöntemiyle Kompozit Malzeme Geliştirilmesi
Bu çalışmalar kapsamında, Eskim Kimya Ar-Ge merkezinde flax fiber takviyeli Bulk Molding Compound (BMC) sistemlerinin geliştirilmesine yönelik deneysel araştırmalar gerçekleştirilmiştir. BMC prosesinin sunduğu seri üretime uygunluk, kalıplama kolaylığı ve yüksek yüzey kalitesi avantajları, doğal elyaf takviyeli kompozitlerin endüstriyel uygulamalara entegrasyonu açısından önemli fırsatlar sunmaktadır [8,9].
Bu çalışmada, Bulk Molding Compound (BMC) yöntemi kullanılarak, geleneksel cam elyaf takviyesi yerine ağırlıkça aynı oranda doğal elyaf esaslı takviye elemanı içeren kompozit malzemeler üretilmiştir. Keten elyafın doymamış polyester reçine ile ıslatılabilirlik davranışının belirlenmesi amacıyla, farklı yüzey aktif özelliklere sahip ıslatıcı katkı maddeleri kullanılarak ön denemeler gerçekleştirilmiştir.
Yapılan ön çalışmalar sonucunda, farklı oranlarda aktif fosforik asit esteri içeren katkı maddelerinin sistemle uyumlu olduğu belirlenmiş ve bu katkılar deneysel çalışmalarda tercih edilmiştir. Bu kapsamda, katkısız sistemler ile farklı konsantrasyonlarda aktif fosforik asit ester içeren ıslatıcı katkı maddeleri kullanılarak hazırlanan BMC numunelerinin mekanik performansları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, ıslatıcı katkı maddelerinin lif-matris ara yüzey etkileşimi ve buna bağlı olarak mekanik mukavemet üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir.
Sonuçlar
Üretilen kompozit numunelerin mekanik karakterizasyonu kapsamında, üç nokta eğme testi ASTM D790 standardına, çekme testi ASTM D638 standardına ve darbe testi ASTM D256 standardına uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Numunelerin yüzey sertlik özellikleri ise Barcol sertlik ölçümleri ile EN 59 standardı doğrultusunda belirlenmiştir.
Termal karakterizasyon çalışmaları kapsamında, ısı altında sapma sıcaklığı (Heat Deflection Temperature, HDT) ölçümleri EN 75 standardına uygun olarak yapılmıştır. Numunelerin viskoelastik davranışlarının belirlenmesi amacıyla dinamik mekanik analiz (DMA) testleri uygulanmış, termal kararlılık ve bozunma davranışları ise termogravimetrik analiz (TGA) yöntemi ile incelenmiştir.
Elde edilen mekanik ve termal test sonuçları, saf polyester (UP), elyafsız BMC formülasyonu (BMC Paste), cam elyaf takviyeli BMC (GF BMC), %50 aktif fosforik içeren ıslatıcı içeren keten elyaflı BMC (Flax-A BMC), %100 aktif fosforik içeren ıslatıcı içeren keten elyaflı BMC (Flax-B BMC) açısından karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir.
Termogravimetrik analiz (TGA) sonuçlarına göre, keten elyafın higroskopik yapısı ve nem tutma özelliği nedeniyle 100 °C’ye kadar yaklaşık %4,95 oranında kütle kaybı meydana geldiği belirlenmiştir. Bu kütle kaybının temel olarak elyaf bünyesinde adsorbe olmuş serbest ve bağlı suyun uzaklaşmasından kaynaklandığı değerlendirilmiştir.
Keten elyafın termal bozunma süreci incelendiğinde, yapısında bulunan hemiselüloz ve lignin bileşenlerinin parçalanmasının yaklaşık 278,37 °C sıcaklıkta başladığı tespit edilmiştir. Sıcaklığın artmasıyla birlikte, esas taşıyıcı yapı olan selüloz ve lignin fazlarının bozunması hızlanmış ve maksimum termal bozunma sıcaklığı 369,08 °C olarak belirlenmiştir.
Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, keten elyafın sınırlı bozunma sıcaklığı nedeniyle alev geciktirici uygulamalarda kullanımının belirli kısıtlar içerdiği belirlenmiş olmakla birlikte, kompozit yapıya entegre edilmesiyle malzeme yoğunluğunun yaklaşık %10 oranında azaltılabildiği görülmüştür.
Ayrıca, fosforik asit ester esaslı ıslatıcı katkı maddelerinin kullanılmasıyla lif-matris ara yüzey aderansının iyileştirildiği, buna bağlı olarak çekme dayanımı ve elastik modül değerlerinde anlamlı artışlar sağlandığı tespit edilmiştir. Keten elyafın uygun şekilde ıslatılması ve homojen dağılımının, elde edilen mekanik performans üzerinde belirleyici bir rol oynadığı, elyaf oranının artırılmasıyla birlikte cam elyaf takviyeli sistemlere yakın dayanım seviyelerine ulaşılabildiği ve bu süreçte kompozit yoğunluğunun daha da düşürülebildiği gözlemlenmiştir.
Termal karakterizasyon sonuçları incelendiğinde, flax fiber takviyesinin ısı altında sapma sıcaklığı (HDT) değerlerini cam elyaf takviyeli sistemler seviyesine kadar yükseltmediği, ancak camsı geçiş sıcaklığı (Tg) üzerinde herhangi bir olumsuz etki oluşturmadığı ve mevcut tasarım gereksinimlerini zorlamadığı belirlenmiştir.
Bu kapsamda, flax fiber takviyeli BMC sistemlerine yönelik formülasyon geliştirme çalışmaları halen devam etmekte olup, ilerleyen araştırmalarda benzer doğal elyaf bazlı reçetelerin Sheet Molding Compound (SMC) prosesine uyarlanması hedeflenmektedir. Elde edilen bulgular doğrultusunda, geliştirilen sistemlerin özellikle hafiflik gerektiren otomotiv, elektrik-elektronik muhafaza ve yapı uygulamalarında önemli bir potansiyele sahip olduğu ve lightweight tasarım yaklaşımlarına katkı sağlayabileceği değerlendirilmektedir.
Kaynaklar
[1] Faruk, O., Bledzki, A. K., Fink, H. P., & Sain, M. (2012). Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000–2010. Composites Science and Technology, 72, 227–239.
[2] Pickering, K. L., Efendy, M. G. A., & Le, T. M. (2016). A review of recent developments in natural fibre composites. Composites Part A, 83, 98–112.
[3] Joshi, S. V. et al. (2004). Are natural fiber composites environmentally superior? Composites Part A, 35, 371–376.
[4] Yan, L., Chouw, N., & Jayaraman, K. (2014). Flax fibre and its composites – A review. Composites Part B, 56, 296–317.
[5] Baley, C. (2002). Analysis of the flax fibres tensile behaviour. Composites Part A, 33, 939–948.
[6] Bledzki, A. K., & Gassan, J. (1999). Composites reinforced with cellulose based fibres. Progress in Polymer Science, 24, 221–274.
[7] La Mantia, F. P., & Morreale, M. (2011). Green composites: A brief review. Composites Part A, 42, 579–588.
[8] Mallick, P. K. (2007). Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design. CRC Press.
[9] Harper, C. A. (2006). Handbook of Plastics, Elastomers, and Composites. McGraw-Hill.
