plastik-ambalaj.com

Biyobozunur Polibütilen Süksinat (PBS), Polikaprolakton (PCL) ve Polihidroksialkanoat’ların (PHA) Otomotiv Uygulamaları

Özet

Bu makalede atık yönetimi ve sürdürülebilirlik gibi çevresel nedenlerle tercih edilen biyobozunur polimerlerden Polikaprolakton (PCL) ve polibütilensüksinat (PBS)’ın otomotiv sektöründeki kullanım imkânlarına odaklanılmıştır. Bu malzemelerin biyobozunurluk özelliklerinin yanı sıra geliştirilmiş mekanik, elektriksel ve termal özellikleriyle otomotiv uygulamalarına katkıları değerlendirilmiştir. Ayrıca, polihidroksialkanoatların (PHA’ların) diğer polimerlerle yapılan karışımlarının (blend) otomotivdeki potansiyel kullanımları incelenmiştir. Biyobozunur polimerlerin çeşitli metotlarla geliştirilen özellikleri ile gelecekteki otomotiv trendlerinde nasıl bir yer edinebileceğine dair kapsamlı bir bakış sunulmuştur.

Anahtar kelimeler: Polimer, Biyobozunur, Polikaprolakton (PCL), Polibütilen süksinat (PBS), Polihidroksialkanoat (PHA)

Biyobozunur Polimerlerin Otomotiv Sektöründeki Yükselen Rolü

Günümüzde fosil yakıt kaynaklı polimerlerin doğada uzun yıllarda çözünmemesinden oluşan çevre kirliliği göz ardı edilemez bir sorun haline gelmiştir. Bu durum, çevre dostu biyobozunur polimerlerin bir alternatif olarak önem kazanmasına yol açmıştır. Biyobozunur polimerler, karbon ayak izini azaltan, atık bertarafını kolaylaştıran ve sürdürülebilirlik hedeflerine katkı sağlayan çevresel avantajlara sahip malzemelerdir. Yapılan araştırmalar, biyobozunur polimerlerin dayanıklılık, termal kararlılık, elektriksel yalıtkanlık gibi mevcut mekanik özelliklerinin geliştirilebileceğini göstermiştir. Bu gelişmeler, biyobozunur polimerlerin yalnızca çevresel avantajlarla sınırlı kalmadığını, aynı zamanda mekanik dayanıklılık, geri dönüşüm kolaylığı ve fonksiyonel kullanım özellikleriyle de dikkat çektiğini ortaya koymuştur.

Bu özellikler, otomotiv sektöründe çevresel sürdürülebilirlik ve fonksiyonel performans sağlama açısından değerli katkılar sunmaktadır. Bu makalede, Polikaprolakton (PCL), Polibütilen Süksinat (PBS) ve Polihidroksialkanoatların (PHA’ların) bu bağlamdaki rollerine odaklanılmıştır. Bu polimerler, çeşitli otomobil parçalarında çevresel sürdürülebilirlik ve fonksiyonel performans sağlama açısından değerli katkılar sunmaktadır. Bu katkılar için bazı örnekler şu şekildedir:

İç Dekorasyon Elemanları: PCL ve PBS gibi polimerler, hafiflik ve dayanıklılık özellikleri sayesinde gösterge paneli kaplamaları, kapı panelleri, kol dayama alanları, konsol kapakları ve hava kanal kapakları gibi iç dekorasyon elemanlarında kullanım alanı bulmaktadır. Darbe dayanımı yüksek olan bu polimerler, araç içinde ergonomik ve estetik çözümler sunarak kullanıcı konforunu artırırken ağırlık azaltma avantajı da sağlamaktadır.

Yapısal Parçalar: PBS ve PHA gibi biyobozunur polimerler, darbe emici özellikleri ve yüksek dayanıklılıkları sayesinde otomobillerde tampon iç dolguları, koltuk yapısal elemanları, motor kapağı ve kaput iç kaplamaları gibi yapısal parçalarda kullanılabilmektedir. Isıya dayanıklılık ve hafiflik özellikleri sayesinde bagaj iç kaplama ve çamurluk astarları gibi alanlarda dikkat çekmekteler. Kullanımlarıyla aracın genel ağırlığını azaltarak yakıt verimliliğini artırmaktadırlar.

Küçük Aksesuarlar: Dayanıklılık ve esneklik gereksinimlerini karşılayan biyobozunur polimerler; direksiyon kaplamaları, vites topuzu, telefon tutucular, saklama cepleri gibi çeşitli aksesuarların üretiminde tercih edilebilir. 

Yeşil kompozitler, biyopolimer matrisin doğal ya da sentetik bir elyafla birleştirilmesiyle üretilen kompozitler olarak tanımlanmaktadır. İyi bilinen biyopolimer matrisleri şunlardır: PBS, PHA, polilaktik asit (PLA), PCL ve termoplastik nişasta’dır. Biyouyumlulukları, biyolojik olarak parçalanabilirlikleri ve çevre dostu olmaları nedeniyle, bu biyopolimerler çeşitli uygulamalarda kullanılmıştır. Doğal lifler arasında rami, sisal, hindistan cevizi lifi, kenevir vb. bulunur. Doğal lifli yeşil kompozitler hazırlamanın temel fikri, elde edilen malzemenin geleneksel malzemelerle karşılaştırıldığında çevre dostu ve maliyet açısından karşılaştırılabilir olmasını sağlamaktır. İyi bilinen bir biyopolimer, genellikle iyi işleme ve mükemmel kimyasal ve termal direnç gibi özellikleriyle öne çıkan poli(bütilen süksinat) (PBS)'dir. Ancak, yüksek maliyet, düşük gaz bariyer özellikleri ve yumuşaklık gibi bu polimerin pratik uygulamasını engelleyen bazı PBS sınırlamaları vardır. PBS’in yüksek maliyetini azaltmak ve özelliklerini geliştirmek için, PBS genelde doğal liflerle, polimerlerle ya da farklı dolgu maddeleri ile eriyikten karıştırma yöntemi ile güçlendirilir [1].

Hongsriphan tarafından yapılan çalışmada, düşük sertliğe sahip biyobozunur PBS polimeri, mühendislik uygulamaları için poly(etilen tereftalat) (PET) ve polyamid-6 (PA6) filamentleri ile güçlendirilmiştir. Bu güçlendirme için filamentler 2-4 mm uzunluklarında kısa lifler haline getirilmiş ve %1, %5, %7 oranlarında PBS ile çift vidalı ekstrüderde birleştirilmiştir. Yüzey uyumunu artırmak amacıyla %0,05 oranında hekzametilen diizosiyanat (HMDI) veya hekzametilen diamine (HMDA) kullanılarak lifler işlenmiştir. Lif konsantrasyonunun %1'den %7'ye artırılması, PBS'in çekme modülünde önemli bir artış sağlamıştır. Özellikle, %7 fiber konsantrasyonunda, çekme modülü yaklaşık 396 MPa'dan 511 MPa'ya yükselmiştir. Bu artış, lif-matris ara yüzeyindeki iyileşmiş yapışma ve liflerin yük taşıma kapasitesine bağlanmaktadır. Yüzey uyumu sağlanmamış PET lifleri bile %2 ila %7 oranında daha yüksek modül sağlamıştır. Yüzey uyumu işlemi sertliği artırmış, kopma uzaması ve darbe dayanımında iyileşmeler sağlamıştır. Dinamik mekanik analiz (DMA) ile belirlenen camsı geçiş sıcaklığındaki değişimler özellikle HMDA işlemli liflerde daha yüksek iç yüzeysel etkileşim olduğunu göstermiştir. SEM analizleri lif-matris uyumunun iyi olduğunu doğrulamış, X-ray Diffraction (XRD) analizleri ise bağdaştırıcıların PBS kristal yapısı üzerinde olumsuz bir etkisi olmadığını ortaya koymuştur [2].

Chongyi Li ekibiyle yaptığı çalışmada özellikle elektrikli araçlarda iç mekân malzemesi olarak kullanılabilecek, alüminyum hipofosfit (AHP) ve melamin sianürat (MC) içeren alev geciktirici sistemle takviye edilmiş cam elyaf takviyeli PBS kompoziti (GRPBS) üretilmiştir. Bu kompozitler, eriyik karıştırma yöntemiyle hazırlanmıştır. Kompozite %20 AHP/MC (kütle oranı yaklaşık 2:1) eklenmesiyle, UL-94 V-0 derecesi elde edilmiş ve sınırlı oksijen endeksi (LOI) değeri %30 oranında önemli ölçüde artmıştır. Ayrıca, termo-gravimetrik analiz (TGA), AHP eklenmesiyle kompozitin daha fazla kömür kalıntısı ürettiğini ancak termal stabilitesinin hafifçe azaldığını ortaya koymaktadır. Mikro ölçekli yanma kalorimetresi testi sonuçları, AHP ve MC ile takviye edilmiş GRPBS kompozitlerinin toplam ısı salınımı ve ısı salınım oranı pikinin önemli ölçüde azaldığını göstermektedir. Benzer sonuçlar koni kalorimetresi testiyle de elde edilmiştir. LOI testi sonrasında kalan kalıntılar, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometre ve taramalı elektron mikroskobu ile daha ayrıntılı incelenmiş ve bu incelemeler kompakt kömür tabakasının krater benzeri yapısının oluşumunu kesin olarak doğrulamaktadır. Mekanizma analizi, alev geciktirici etkinliğin önemli ölçüde artmasının başta AHP ve MC'nin iş birliğine dayalı çalışma mekanizmasından kaynaklandığını ortaya koymaktadır. Otomotiv sektöründe, alev geciktirici özelliklere sahip GRPBS kompozitleri, güvenlik gereksinimlerini karşılayan araç içi bileşenlerde önemli rol oynamaktadır. Çalışmada üretilen kompozitlerin, yangına karşı dayanıklılığı artırarak, elektrikli araçlar ve iç mekân malzemelerinde kullanılma potansiyelini taşıdığı bildirilmiştir [3].

Nihel KETATA ve ekibi tarafından yapılan çalışma ile keten liflerinin kullanıldığı tamamen biyobozunur yeşil kompozitlerin geliştirilmesine odaklanılmıştır. Poly(lactic acid) (PLA) ve poly(butylene succinate) (PBS) matrisleriyle güçlendirilmiş keten lifleri, mekanik özellikler ve termal analizler açısından incelenmiştir. Çalışmada, çeşitli uzunluktaki keten liflerinin polimer matrisine dahil edilmesi ve bu kompozitlerin çift vidalı ve tek vidalı ekstrüzyon süreçlerinin etkisi gözlemlenmiştir. Şekil 1’de üretim süreci gösterilmektedir; hammaddeler önce tek veya çift vidalı ekstrüzyon yöntemleriyle işlenmekte, ardından granül hale getirilerek enjeksiyon presleme yoluyla test numuneleri elde edilmektedir. Bu süreçlerin, kompozitlerin mekanik özellikleri üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Çalışmanın birincil amacı gerekli mekanik özelliklere sahip ürünlerin elde edilmesi için üretim süreçlerinin optimal parametrelerini belirlemek olmuştur. Termal analizler PLA matrisine %20 PBS eklenmesinin PLA'nın termal stabilitesini artırdığı ve parçalanma başlama sıcaklığını yükselttiği görülmüştür. Mekanik karakterizasyonlar ise keten liflerinin eklenmesiyle elde edilen kompozitlerin sertliğinin, matrisin sertliğinden 1457 MPa'dan 4353 MPa'ya yükseldiğini ortaya koymuştur. Bununla birlikte, keten liflerinin eklenmesi nedeniyle deformasyon oranında bir azalma gözlemlenmiştir. Lifler eklenmeden önce %4,4 olan deformasyon oranı %1,9'a düşmüştür. Bu ön sonuçlar, seçilen matrislere bağlı olarak konfigüre edilebilen mekanik özelliklere sahip, termoplastik ve geri dönüştürülebilir yeni biyokompozitlerin geliştirilmesinin mümkün olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, keten lifleriyle güçlendirilmiş PLA/PBS biyokompozitlerinin otomotiv sektöründe çevre dostu ve dayanıklı malzemeler olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Özellikle sertlik ve termal kararlılıkta sağlanan iyileştirmeler, bu malzemelerin kapı panelleri, iç dekorasyon elemanları, tampon iç dolguları ve koltuk yapısal elemanları gibi parçalarda kullanım potansiyelini ortaya koymaktadır. Hafiflik ve biyobozunurluk özellikleriyle bu biyokompozitler, otomotiv sektörünün sürdürülebilirlik hedeflerini desteklemektedir [4]. 

Zhiqiang Fan ve ekibi tarafından yapılan çalışmada, PLA ve PBS matrislerinin dayanıklılığını artırmak amacıyla, cam lifi (GF) 3-aminopropiltrietoksisilan (KF-GF) ile modifiye edilerek PLA/PBS kompozitlerine takviye olarak eklenmiştir. Modifiye cam liflerinin kullanımı, mekanik ve ısıya karşı dayanıklılık açısından önemli bir iyileşme sağlamıştır. KH-GF içeriği %20'ye ulaştığında kompozitlerin çekme, eğilme ve IZOD darbe dayanımı sırasıyla 65,53 MPa, 83,43 MPa ve 7,45 kJ/m² değerlerine ulaşmıştır. Bu değerler sırasıyla matrisle karşılaştırıldığında %123, %107 ve %189 oranında artmıştır. Bu iyileşmeler, KH-GF ile PLA/PBS matrisi arasındaki daha güçlü bağlardan kaynaklanmaktadır. Ayrıca, kompozitlerin Vicat yumuşama sıcaklığı 128,7 °C'ye yükselmiş, bu da kristallinliğin artmasına işaret etmektedir. Sonuç olarak KH-GF'nin PLA/PBS kompozitlerine eklenmesi, mekanik özellikler, termal dayanıklılık ve kristallik üzerinde önemli iyileştirmeler sağlamıştır. PLA/PBS-KH-GF kompozitleri, biyobozunur ve çevre dostu yapıları sayesinde otomobil parçalarında kullanılabilir. Özellikle, iç mekân kaplamaları, konsol ve panel gibi düşük yük taşıyan parçalar veya enerji emici bölgelerde darbe dayanımı yüksek olan bu kompozitlerden faydalanılabilir. Ayrıca, ısıya dayanıklılık ve kristallik özelliklerinin gelişmesi, yüksek sıcaklıklara maruz kalabilecek alanlarda PLA/PBS kompozitlerinin kullanılabilirliğini artırmaktadır. Bu nedenle, Zhiqiang Fan ve ekibinin çalışması, otomotiv sektöründe sürdürülebilirlik hedefleri doğrultusunda çevre dostu, yüksek performanslı malzeme alternatifleri sunmak adına değerli bir referans oluşturmaktadır [5].

Yenilenebilir kaynaklardan elde edilen biyokompozitler, inorganik kompozitlere göre daha düşük çevresel etkiye sahiptir. Ancak, bu yeni biyokompozitlerin geleneksel kompozitleri tamamen ikame edebilmesi için benzer mekanik özelliklere sahip olmaları gerekmektedir. Zaafouri ve ekibinin yaptığı bu çalışmanın ana amacı, biyobozunur bir polimer olan Polihidroksialkanoat (PHA) matrisine Alfa lifleri ile güçlendirilmiş yeni bir biyokompozitin mekanik davranışında lif içeriği ve gerilme hızının etkisini incelemektir. Bu biyokompozitler, alkalin işlem ve lif ağartma prosedürü sonrasında hazırlanmıştır. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve kimyasal analizler, bu işlemlerin pektin, hemiselüloz ve lignin gibi selüloz dışı maddeleri uzaklaştırdığını ve selüloz içeriğini artırdığını göstermiştir. Zaafouri yaptığı çalışmada %5, %10 ve %15 ağırlık oranlarında üç farklı lif içeriği ve üç farklı gerilme hızı kullanılarak tek eksenli çekme testleri ile bağımlılık analiz edilmiştir. Lif miktarı ve gerilme hızı arttıkça, daha yüksek Young modülü ve çekme mukavemeti, ancak daha düşük kopma uzaması ile mekanik yanıt iyileşmiştir. Poisson oranı da gerilme hızı ve lif içeriğine bağlılık göstermiştir. Bu sonuçlar, PHA/Alfa biyokompozitinin, otomotiv iç parçaları veya bazı ambalaj uygulamaları gibi ürünlerin geliştirilmesinde ilginç bir alternatif olabileceğini vurgulamaktadır [6].

Akgül ve ekibinin yaptığı çalışmada, polihidroksialkanoatlar (PHA), polietilen tereftalat (PET), karbon fiber takviyeli kompozitler (CFRC) ve blok kopolimerlerin piroliz ürünleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Araştırmada kullanılan PHA numuneleri, 15°C ve 50°C’de üretilen PHA15 ve PHA50 ile ticari olarak temin edilen PHAc türleridir. Çalışmada öncelikle PHA örneklerinin moleküler ağırlıkları ve yapıları, nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi ve büyüklükçe ayırma kromatografisi (SEC) kullanılarak analiz edilmiştir. Ayrıca, termogravimetri (TG) ve diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ile bu malzemelerin termal stabiliteleri ve bozunma sıcaklık aralıkları belirlenmiştir. Piroliz deneyleri 500°C sıcaklıkta, yaklaşık 100°C/s ısıtma hızıyla bir tel örgü reaktöründe gerçekleştirilmiştir. Bu işlemin sonucunda, PHA numunelerinin düşük kömür verimine (<%2) sahip olduğu ve katran ürünlerinin kimyasal bileşiminde yüksek oranda (%38-58) etil siklopropan karboksilat bulunduğu gözlemlenmiştir. PHA15 ve PHA50 numunelerinde %8-12 oranında 2-bütenoik asit bulunurken, PHAc numunesinde metil ester (%15), bütil sitrat (%12,9) ve tributil ester (%17) gibi değerli kimyasal bileşikler tespit edilmiştir. Ek olarak, CFRC'nin piroliziyle matris malzemeler uzaklaştırılmış ve karbon fiberlerin geri kazanılabildiği ortaya konmuştur [7]. 

Bu çalışma, PHA’ların piroliz yoluyla biyoyakıt katkı maddesi veya otomotiv sektöründe kullanılabilecek değerli kimyasallar elde edilmesinde önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. CFRC'den karbon fiberlerin geri kazanılması, hafif ve dayanıklı otomotiv parçalarının maliyet etkin bir şekilde üretilmesine katkı sağlamaktadır. Özellikle geri kazanılmış karbon fiberlerin tampon iç dolguları, çamurluk astarları ve kaput iç kaplamaları gibi parçaların üretiminde kullanılması mümkündür. PHA'nın çevre dostu yapısı ve düşük kömür verimi, otomotiv sektöründe sürdürülebilir üretim için önemli bir avantaj sunmaktadır [7].

Muhammad Salman Mustafa ve ekibi tarafından yapılan; Additive Manufacturing (FFF) yöntemiyle yapılan bu çalışma, polilaktik asit (PLA) ve polihidroksialkanoat (PHA) karışımlarının mekanik özelliklerini artırmayı hedeflemiştir. Çalışmada, PLA ve PHA kullanılarak "dog-bone" ve çentikli numuneler hazırlanmış ve farklı baskı parametrelerinin etkisi incelenmiştir. Katman kalınlığı, dolgu yoğunluğu ve baskı yatağı sıcaklığının çekme mukavemeti ve darbe dayanımına etkisi deney tasarımı (DoE) yöntemiyle analiz edilmiştir. Deneylerde elde edilen veriler, yanıt yüzey metodolojisi (RSM) kullanılarak değerlendirilmiş ve optimum baskı parametreleri belirlenmiştir. Örneğin, düşük katman kalınlığı ve yüksek dolgu yoğunluğunun çekme dayanımını artırdığı, baskı yatağı sıcaklığının ise katmanlar arası bağlanmayı güçlendirdiği tespit edilmiştir. Modelin doğruluğu ANOVA testi ile doğrulanmıştır ve sonuçlar, düşük maliyetle yüksek mekanik dayanım elde edilebileceğini göstermiştir. Optimize edilen PLA/PHA karışımları, otomotiv sektöründe enerji emici yapısal elemanlar, tampon iç dolguları ve çeşitli küçük aksesuarların üretiminde kullanılabilir. Örneğin, vites topuzları, telefon tutucular ve saklama gözleri gibi düşük yük taşıyan ancak dayanıklılık gerektiren parçalarda bu karışımların uygulanabilirliği oldukça yüksektir. Ayrıca, optimize edilmiş baskı parametreleriyle üretilen malzemeler, katmanlar arası bağlanmayı güçlendirerek dayanıklılığı artırmakta ve çevre dostu bir seçenek sunmaktadır. Bu çalışma, eklemeli imalat yöntemleriyle PLA/PHA karışımlarının mekanik özelliklerinin optimize edilebileceğini ve bu malzemelerin otomotiv sektöründe geniş bir uygulama alanına sahip olabileceğini göstermektedir. Özellikle enerji emici yapısal elemanlar, hafif araç parçaları ve küçük aksesuarların üretiminde bu karışımlar, düşük maliyet ve sürdürülebilirlik avantajları sunmaktadır. Gelecekte, PLA/PHA karışımlarının daha geniş kapsamlı uygulamalar için standart malzemeler arasında yer alması mümkün görünmektedir [8].

Xiao Wang ve ekibinin yaptığı çalışmada, karbon nanotüplerin (CNT) geri dönüştürülmüş polikaprolakton (PCL)/epoksi kompozitlerdeki rolü incelenmiştir. Çalışma, polimer kompozitlerin geri dönüşüm süreçlerinde CNT ilavesinin mekanik özellikler ve kristalleşme davranışı üzerindeki etkisini deneysel ve simülasyon araçlarıyla anlamayı hedeflemiştir. Ayrıca, polinomal regresyon modeli kullanılarak süreç-parametre ilişkisi modellenmiş ve bu ilişkinin geri dönüştürülmüş malzemelerin gelecekteki üretim süreçlerine uygulanabilirliği değerlendirilmiştir. Karbon nanotüplerin PCL/epoksi kompozitlere eklenmesi, kristalleşme derecesinde bir azalmaya neden olmuş ve bu durum, malzemenin modül ve tokluk değerlerinde bir düşüşle ilişkilendirilmiştir. Bununla birlikte, çalışmada bu sorunların giderilmesi için mekanik özellikleri iyileştirmeye yönelik stratejiler önerilmiştir. Özellikle, CNT ilavesinin optimize edilmesi ve uygun üretim tekniklerinin uygulanmasıyla malzemenin performansının artırılabileceği vurgulanmıştır. CNT takviyeli PCL/epoksi kompozitler, otomotiv sektöründe hafif, dayanıklı ve sürdürülebilir malzemeler olarak kullanılma potansiyeline sahiptir. Çalışmanın sonuçları, bu kompozitlerin özellikle enerji emici yapılar, tampon iç dolguları ve darbe dayanımı gerektiren otomotiv parçalarında kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıca, CNT'nin katkısıyla elde edilen elektriksel iletkenlik, modern otomotiv sistemlerinde sensör ve elektronik bileşen entegrasyonunu mümkün kılabilir. Bu çalışma, CNT katkılı geri dönüştürülmüş PCL/epoksi kompozitlerin sürdürülebilir otomotiv uygulamaları için değerli bir seçenek olduğunu göstermektedir. Geri dönüşüm sırasında mekanik özelliklerdeki zayıflamaların, optimize edilmiş üretim süreçleriyle düzeltilebileceği belirtilmiştir. CNT katkılı kompozitler hem çevre dostu yapıları hem de fonksiyonel performanslarıyla otomotiv endüstrisinde yenilikçi malzeme çözümleri sunabilir [9].

Romina P. Ollier ve ekibi tarafından yapılan çalışmalarda, biyobozunur polikaprolakton (PCL), organo-modifiye bentonit ile güçlendirilerek mekanik ve sünme özelliklerinde önemli iyileştirmeler sağlanmıştır. Bu çalışmada, eritme ekstrüzyon yöntemiyle hazırlanan PCL tabanlı nanokompozitlerin kil modifikasyonu ve yükleme miktarının malzeme özelliklerine etkisi ele alınmıştır. Şekil 2’de gösterildiği gibi, Burgers modeli kullanılarak elde edilen E2 parametresinin sıcaklık ile değişimi incelenmiş ve organo-bentonit ilavesinin, malzemenin elastik davranışını artırdığı gözlemlenmiştir. Kil içeriğinin artışı ile yüksek sıcaklıklarda nanokompozitlerin sertliğinin korunduğu ve sünme direncinin iyileştiği tespit edilmiştir. Benzalkonyum klorür ile işlenen organo-modifiye bentonitin PCL matrisindeki dağılımı önemli ölçüde iyileştirilmiştir. %3 ağırlık oranında organo-kil ilavesi, anlık sünme gerinimini %9'dan fazla, sünme hızını ise %27 oranında azaltarak malzemenin boyutsal kararlılığını artırmıştır. Bu modifikasyonlar aynı zamanda mekanik özelliklerde iyileşme sağlamış, genç modülü (Young’s modulus) saf PCL’de 114,8 MPa'dan 257,3 MPa'ya yükselmiştir. Ayrıca, Findley güç yasası ve Burgers modeli gibi teorik modeller, bu malzemelerin uzun vadeli davranışlarını etkili bir şekilde tahmin etmiş ve deneysel gözlemlerle güçlü bir uyum göstermiştir. Bu tahmin araçları, PCL tabanlı kompozitlerin gerçek uygulamalardaki servis ömrünü değerlendirmek için büyük bir değer sunmaktadır. Bu araştırmanın sonuçları, PCL/organo-bentonit nanokompozitlerin uzun süreli yük altında dayanıklılık ve boyutsal kararlılık gerektiren hafif yapısal elemanlar ve iç paneller gibi otomotiv uygulamaları için güçlü bir potansiyel sunduğunu göstermektedir [10].

Krishnan ve ekibi tarafından yapılan çalışmada, Sesbania rostrata (SRF) lifleri ile güçlendirilmiş polikaprolakton (PCL) biyokompozitlerinin geliştirilmesine odaklanılmıştır. Çalışmada, çevre dostu bir işlem olan sodyum bikarbonat ile kimyasal olarak işlenmiş ve işlenmemiş SRF lifleri farklı ağırlık oranlarında (%10, %15, %20 ve %25) PCL matrisine entegre edilmiştir. Kompozit paneller, sıkıştırma kalıplama yöntemiyle üretilmiştir. Elde edilen sonuçlar, SRF içeriğinin biyokompozitlerin mekanik ve termal özelliklerini önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir. Özellikle %20 oranında kimyasal işlem görmüş SRF içeren kompozitlerin çekme dayanımı, eğilme dayanımı ve darbe dayanımı gibi özelliklerinde maksimum değerler elde edilmiştir. Bu iyileştirmeler, lif-matris bağının kimyasal işlem sayesinde güçlenmesiyle ilişkilendirilmiştir. Termal analizler, SRF içeriğinin PCL’nin kristalizasyon sıcaklığını artırırken erime sıcaklığında minimal bir değişiklik yaptığını ortaya koymuştur. Ayrıca, su emilim testlerinde kimyasal işlem görmüş SRF içeren kompozitlerin suya karşı daha dayanıklı olduğu ve aşınma testlerinde daha az ağırlık kaybı yaşadığı tespit edilmiştir. Bu bulgular, SRF ile güçlendirilmiş PCL biyokompozitlerin otomotiv sektöründe hafif, dayanıklı ve çevresel etkilerden korunabilen yapısal elemanlar ve iç kaplama malzemeleri olarak kullanılabileceğini göstermektedir [11].

Hassan ve arkadaşlarının çalışmasında, jüt, kenaf, sisal ve kenevir gibi doğal liflerle desteklenen biyobozunur polimer matrislerinin hem mekanik performansı iyileştirdiği hem de çevresel sürdürülebilirlik sağladığı belirtilmiştir. Çalışmada, özellikle PCL, PLA ve PHA gibi biyobozunur polimerlerin doğal liflerle kombinasyonu ele alınmıştır. Bu malzemelerin düşük yoğunlukları (örneğin, doğal liflerin yoğunluğu 1.3–1.5 g/cm³, cam elyafın yoğunluğu ise 2.5 g/cm³) sayesinde otomotiv uygulamalarında hafiflik ve dayanıklılık gereksinimlerini karşıladığı vurgulanmıştır. Ayrıca, liflerin yüzey ön işlemleri (örneğin NaOH ile işleme), lif-matris bağını güçlendirmiş ve çekme dayanımında %20’ye kadar artış sağlamıştır. Kenaf lifleriyle desteklenen biyobozunur kompozitlerde, çekme dayanımı 930 MPa'ya, Young’s modülü ise 53 GPa’ya ulaşmıştır. Bu değerler, otomotiv sektöründeki hafif yapısal elemanlar için yeterli mekanik performans sağlar. Öte yandan, sisal ve kenevir gibi liflerle güçlendirilmiş kompozitlerde, dayanıklılık artırılarak %10-15 oranında ağırlık tasarrufu elde edilmiştir. Ayrıca, bu malzemeler karbon ayak izini önemli ölçüde azaltarak sürdürülebilir üretim hedeflerine katkı sağlamaktadır. Bu biyobozunur kompozitlerin otomotiv sektöründe kaplama panelleri, tampon iç dolguları, ses yalıtım malzemeleri ve hafif yapısal elemanlar gibi alanlarda kullanılabileceği öngörülmektedir. Çalışmanın sonuçları, doğal liflerle biyobozunur polimerlerin kombinasyonunun, otomotiv sektöründe daha sürdürülebilir ve çevre dostu üretim için güçlü bir aday olduğunu göstermektedir [12].

Sonuçlar 

Bu derleme çalışmasında, Polikaprolakton (PCL), Polibütilen Süksinat (PBS) ve Polihidroksialkanoatlar (PHA) gibi biyobozunur polimerlerin otomotiv sektöründeki potansiyel kullanım alanlarını ve avantajları sayısal verilerle birlikte ele almıştır. Literatürde bulunan çalışmalardan elde edilen bulgular şu şekilde özetlenebilir

oKarbon nanotüplerle (CNT) takviyeli PCL kompozitleri, mekanik dayanıklılıkta %20'ye varan iyileşme sağlamış ve çekme dayanımı ile tokluk değerlerini artırmıştır.

oSesbania Rostrata Fiber (SRF) ile güçlendirilmiş PCL kompozitleri, %20 oranında kimyasal işlem görmüş liflerin eklenmesiyle çekme dayanımında maksimum değer elde etmiştir. Bu kompozitler, su emilimini %30 oranında azaltırken aşınma testlerinde ağırlık kaybını minimize etmiştir.

oCam elyafla takviye edilmiş PBS kompozitleri (GRPBS), yangına dayanıklı özellikleriyle UL-94 V-0 sertifikası almış ve sınırlı oksijen indeksi (LOI) değerini %30'a yükseltmiştir.

oKeten lifleriyle güçlendirilmiş PBS/PLA kompozitleri, sertliği 1457 MPa’dan 4353 MPa’a çıkararak iç dekorasyon elemanları ve yapısal parçalar için ideal hale gelmiştir.

oAlfa lifleriyle takviye edilmiş PHA kompozitleri, çekme mukavemetinde %15'e kadar artış sağlamış ve kopma uzamasını optimize ederek mekanik dayanıklılığı artırmıştır. 

oPHA’nın piroliz işlemi, katran ürünlerinde %38-58 oranında etil siklopropan karboksilat elde edilmesini sağlamış ve bu kimyasalın biyoyakıt katkı maddesi olarak kullanılma potansiyelini göstermiştir.

Bu bulgular, biyobozunur polimerlerin çevresel avantajlarının yanı sıra mekanik dayanıklılık, termal kararlılık ve geri dönüşüm kolaylığı gibi teknik gereksinimleri de karşılayabildiğini ortaya koymaktadır. Örneğin, SRF ile güçlendirilmiş PCL biyokompozitleri, iç dekorasyon panelleri ve hafif yapısal elemanlar için uygun bir seçenek sunarken, GRPBS kompozitleri, yangına dayanıklılık gerektiren uygulamalarda ön plana çıkmaktadır.

Sonuç olarak, biyobozunur polimerler, karbon ayak izinin azaltılması, enerji tasarrufu ve sürdürülebilir üretim hedeflerine katkı sağlayarak otomotiv sektöründe önemli bir rol oynamaktadır. Gelecekte, bu malzemelerin endüstriyel ölçekte daha yaygın kullanılabilmesi için üretim süreçlerinin optimize edilmesi ve maliyetlerin düşürülmesine yönelik araştırmaların artırılması önerilmektedir.

Referanslar

[1] Mochane, M.J.; Magagula, S.I.; Sefadi, J.S.; Mokhena, T.C. A Review on Green Composites Based on Natural Fiber-Reinforced Polybutylene Succinate (PBS). Polymers 2021, 13, 1200. https://doi.org/10.3390/polym13081200

[2] Use of commercial synthetic filament waste to reinforce biobased poly(butylene succinate) with the aid of compatibilizers. Materials Today: Proceedings, 2021, 41, 945–953. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.11.214

[3] Investigation on thermal properties and flame retardancy of glass-fiber reinforced poly(butylene succinate) composites filled with aluminum hypophosphite and melamine cyanurate. Polymer Degradation and Stability, 2020, 179, 109263. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2020.109263

[4] Ketata, N.; Seantier, B.; Guermazi, N.; Grohens, Y. On the development of a green composites based on poly(lactic acid)/poly(butylene succinate) blend matrix reinforced by long flax fibers. Materials Today: Proceedings, 2022, 52, 95–103. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.10.493

[5] Highly Enhanced Mechanical, Thermal, and Crystallization Performance of PLA/PBS Composite by Glass Fiber Coupling Agent Modification. Polymers, 2022, 14, 550. https://doi.org/10.3390/polym14030550

[6] Mechanical characterization of polyhydroxyalkanoate reinforced with Alfa fibers: Influence of fiber content and strain rate. Composites Part B: Engineering, 2019, 173, 106890. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.106890

[7] Characterization of tars from recycling of PHA bioplastic and synthetic plastics using fast pyrolysis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2020, 149, 104860. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2020.104860

[8] Process parameter optimization for Fused Filament Fabrication additive manufacturing of PLA/PHA biodegradable polymer blend. Journal of Manufacturing Processes, 2021, 68, 51–61. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.06.002

[9] Modeling and statistical understanding: The effect of carbon nanotube on mechanical properties of recycled polycaprolactone/epoxy composites. Polymer Testing, 2021, 94, 107039. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.107039

[10] Improved creep performance of melt-extruded polycaprolactone/organo-bentonite nanocomposites. Materials Today: Communications, 2021, 28, 102550. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102550

[11] Development of novel sustainable biocomposite from polycaprolactone and Sesbania rostrata fiber. Composites Science and Technology, 2020, 190, 108026. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108026

[12] Sustainable Green Materials for Automotive Industry. Green Materials, 2021, 9, 34–49. https://doi.org/10.1016/j.greenmat.2021.05.005

Simge Öz

EPSAN Plastik

R&D Engineer

Plastik & Ambalaj Teknolojisi Dergisi - 2025 Şubat 313 Sayı