Biyofiber doğal ürünlerden yapılır; örneğin, ipek, pamuk, lignoselülozik proteinler, kollajen ve kemik gibi. Bitkisel fiberler minyatür kompozitlerdir; mikroskobik incelemeler, hücre duvarları içinde lameller şeklinde düzenlenmiş milyonlarca mikrofibrilin bulunduğunu gösterir. Temelde üç tip hücre duvarı polimeri vardır; selüloz, lignin ve matris polisakkaridler (pektinler ve hemiselülozlar) içerir. Bunlar, ekstraktifler denilen wakslar, inorganik tuzlar ve azotlu bileşikler gibi yapısal olmayan maddelerle bir arada tutulur. Genellikle, yüksek miktarlarda selüloz içeren fiberlerin polimerizasyon dereceleri yüksektir; gerilme kuvvetinin yüksek olması mikrofibiril açısının düşük olmasına bağlıdır.
Doğal fiberler fiberglasla benzer davranışlara sahiptir. Bu tür özellikleri kazanabilmeleri için doğal fiberlerin kullanılmadan önce işleme hazırlanması ve yüzeyinde gerekli modifikasyonların yapılması gerekir. Böylece matris ve fiber arasında iyi bir yapışma sağlanır, uygun polimerizasyon derecesine ulaşılır ve homojen fiziksel özellikler elde edilir.
Şekil-55: Biyokompozit üretiminde kullanılan fiberlerin sınıflandırılması
Doğal fiberler orijinlerine göre üç sınıfta toplanır: bitkisel, hayvansal ve mineral kaynaklı fiberler. Bunlardan bitkisel kaynaklardan elde edilen biyofiberler çok saf ve tamamen biyobozunabilirdir.
Biyokompozitlerde kullanılabilen tipik doğal ve sentetik fiberler Şekil-55’de şematik olarak gösterilmiştir.
Selüloz Esaslı Biyofiberler
Temel doğal fiber kaynakları kenevir (hemp), keten (flax), sisal, jut, coir, muz (banana), bambu, ve ananastır (pineapple). Diğer bazı fiberler de, örneğin arpa, mısır, pirinç, buğday samanı, soya fasulyesi, şekerkamışı, sert ve yumuşak odunsu fiberler ve diğer tarım kalıntıları gibi, biyofiber olarak kullanılabilir.
Biyobazlı lignoselülozik (LC) malzemeler çok eskilerden beri kompozitlerin üretiminde kullanılmaktadır; örneğin, 1940’lı yılların başlarında uçak sanayinde yararlanılmıştır. Ancak, sentetik fiberlerin çok üstün vasıfları ve farklı lignoselülozik fiberlerin komple özelliklerinin tam olarak saptanamamış olması gibi çeşitli nedenlerle 1980’lere kadar LC fiberlerin kullanımında düşüşler gözlenmiş, sonraki yıllarda aşağıdaki nedenlerin de etkisiyle hızlı bir şekilde üretime alınmıştır.
i. Dünyada çok fazla doğal kaynak bulunması.
ii. Ekolojik nedenler 21. yüzyılın fiberli üretimlerde, bitkisel fiberler ve zirai kalıntılardan üretilen plastik malzemelere odaklanmasını gerektirmiştir. Petrol bazlı ürünlerin gerek CO2 emisyonu ve gerekse doğada kısa zamanda yok edilememe gibi olumsuzlukları nedenleriyle zirai ürünlere yönelinmiştir.
iii. Lignoselülozik fiberlerin bulundukları kaynaklarda dikkate alınarak yapıları ve özelliklerinin aydınlatılmasıyla çeşitli ve uygun ekstraksiyon metotları, prosesler, v.s. geliştirilerek kullanım alanları genişletilmiştir.
Kıyaslamak amacıyla kompozit teknolojisinde kullanılan doğal ve sentetik fiberlerin bazı özellikleri tablo-15, 16, 17’de verilmiştir.
SELÜLOZ
ESASLI FİBERLER
|
PROTEİN
ESASLI
FİBERLER |
MİERAL
FİBERLER |
||
Bast
|
Yaprak,
dal
|
Tohum
|
||
Jüt
|
Sisal
|
Pamuk
|
İpek
|
Asbest ve
bazı kısa lifli mineraller |
Keten (flaks)
|
Abaka
|
Coir
|
Yün
|
|
Kenevir (hemp)
|
Ananas
|
Kapok
|
Saç
|
|
Kenaf
|
Muz
|
Milkweed
|
||
Rami
|
Palmiye
|
|||
Tablo-15: Doğal ve Sentetik Fiberlerin Mekanik Özellikleri
Fiber
|
Yoğunluk, g/cm3
|
Gerilme kuvveti, MPa
|
Young’s modülü, GPa
|
Spesifik kuvvet, MPa
|
Spesifik modül, GPa
|
Jüt
|
1.46
|
600-1100
|
10-30
|
411-753
|
7-21
|
Keten
|
1.20
|
800-1500
|
60-80
|
667-1250
|
50-67
|
kenevir
|
1.14
|
550-900
|
50-70
|
482-790
|
44-62
|
Kenaf
|
1.30
|
930
|
53
|
715
|
41
|
Rami
|
1.55
|
915
|
44
|
15
| |
Sisal
|
1.20
|
600-700
|
38
|
500-583
|
32
|
Abaka
|
1.50
|
12
|
41
|
-
| |
Henequen
|
1.48
|
230
| |||
Ananas
|
1.44
|
413-1627
|
60-82
| ||
Coir
|
1.20
|
175
|
4.0-6.0
|
146
|
3.0-5.0
|
Pamuk
|
1.55
|
287-597
|
5.5-12.6
|
191-398
|
4.0-8.0
|
Kapok
|
0.31-0.38
|
93.3
|
4
|
12.9
| |
Yün
|
1.30
|
120-174
|
2.3-3.4
|
92-134
|
2.0-3.0
|
E-Cam
|
2.60
|
2000-3400
|
75
|
1308
|
29
|
Karbon
|
1.40
|
4000
|
235
|
2857
|
168
|
Aramid
|
1.40
|
3000
|
65
|
2143
|
46
|
Fiberler
|
Uzunluk, mm
|
Selüloz, %
|
Su absorbsiyonu, % (200 saat)
| ||
Nem % 33
|
Nem % 56
|
Nem % 75
| |||
Buğday samanı
|
2.6
|
30-35
|
4.5
|
7.6
|
11.5
|
Pamuk tiftiği
|
2.1
|
80-85
|
3.8
|
6.1
|
9.0
|
Kenevir
|
3.2
|
70-72
|
5.0
|
7.8
|
11.8
|
Selüloz
|
0.13
|
98-99
|
5.3
|
7.7
|
11.5
|
Fiber
|
Uzunluk, mm
|
Çap, mm
|
Young’s Modül, GPa
|
Ultimat gerilme kuvveti MPa
|
Kopma-da uzama, %
|
Şeker kamışı küspesi
|
10–300
|
10-34
|
17.9–27.1
|
222
|
1.1
|
Muz
|
300-900
|
12-30
|
27-32
|
700-800
|
2.5-3.7
|
Jüt
|
120
|
25-35
|
10-30
|
400-800
|
1.5-1.8
|
Rami
|
900-1200
|
20-80
|
44
|
500-870
|
1.2
|
Keten (flax)
|
750-900
|
50-150
|
60-80
|
780-1500
|
1.2-2.4
|
Ananas
|
900-1500
|
-
|
82
|
180
|
3.2
|
Curauá ıslak
|
35
|
7-10
|
10.5
|
-
|
1.3
|
Sisal
|
900
|
8-50
|
17-22
|
530-630
|
3.64-5.12
|
Pamuk
|
35
|
10-45
|
12
|
400
|
-
|
Coir
|
20-150
|
10-50
|
6
|
220
|
23.9-51.4
|
a. Bast (Kabuk) Fiberler
Bast fiberler bazı bitkilerin kabuğunda veya soymuk borusunda (phloem) oluşur, demetler veya tutamlar şeklindedir; bitkinin dik durmasını sağlayan kuvvetlendirici kısımlardır. Hasat edilen bitkiden ıslatma yöntemiyle bast demetler ayrılır; sonra kırma, dövme ve kesme işlemleri uygulanır.
Bast fiberler bitkinin saplarından veya dış kenarına yakın olan gövdesinden elde edilir. Hasat işlemi yere çok yakın bir seviyeden kesilerek, veya bitkinin tamamını çıkararak, veya elle toplanarak yapılır. Hasattan sonra makinelerde tohumlar uzaklaştırılır. Odunsu kısımların suyla temizlenmesi, fiberleri bir arada tutan pektin maddesini bozduğundan dövme yöntemiyle yapılır. Kısa ve istenmeyen özelliklerdeki (gayrı muntazam) fiberler uygun darbelerle uzaklaştırılır. Bast fiberlerin gerilme kuvvetleri yüksek olduğundan çeşitli amaçlarla kullanılabilir; tekstil sanayi, halat, ip, kâğıt ve çuval bezi üretimleri önemli tüketim alanlarıdır.
Fiber
|
Selüloz
|
Hemiselüloz
|
Pektinler
|
Lignin
|
Ekstraktifler
|
Keten
|
71.2
|
18.6
|
2.0
|
2.2
|
6.0
|
Kenevir
|
74.9
|
17.9
|
0.9
|
3.7
|
3.1
|
Jüt
|
71.5
|
13.4
|
0.2
|
13.1
|
1.8
|
Kenaf
|
63.0
|
18.0
|
-
|
17.0
|
2.0
|
Rami
|
76.2
|
14.6
|
2.1
|
0.7
|
6.4
|
Ultimat fiber
|
Hücre Kesiti
|
Fiber strand
| ||||
Fiber
|
Uzunluk, mm
|
Çap,µm
|
Şekil
|
Çap,µm
|
Uzunluk, cm
|
Genişlik, mm
|
Keten
|
4-69
|
8-31
|
poligo-nal
|
8.8-16.1
|
25-120
|
0.04-0.62
|
Kenevir
|
5-55
|
16
|
poligo-nal
|
13.1-23.6
|
100-400
|
0.5-5
|
Jüt
|
0.7-6
|
15-25
|
poligo-nal-oval
|
12.3-18.6
|
150-360
| |
Kenaf
|
2-11
|
13-33
|
silindirik
|
200-400
| ||
Rami
|
60-250
|
16-120
|
heksago
nal-oval |
6.2-32.4
|
10-180
| |
Tablo-20: Bast Fiberlerin Mekanik Özellikleri
Fiber
|
İncelik, km/kg
|
Kopma uzunluğu, km*
|
Uzama, %
|
Elastik modülü, N/tex
|
Bükülme modülü, mN/tex
|
Keten
|
24-70
|
2-3
|
18-20
|
8-9
| |
kenevir
|
139
|
38-62
|
1-6
|
18-22
|
6-9
|
Jüt
|
489
|
25-53
|
1.5
|
17-18
|
2.7-3
|
Kenaf
|
180
|
24
|
2.7
| ||
Rami
|
32-67
|
4.0
|
14-16
|
11
| |
Urena
|
342
|
16
|
1.9
|
tex: Bir doğrusal yoğunluk birimidir; 1000 m yarnın gram olarak ağırlığıdır (1 tex =1 g / km)
Jüt, en ucuz ve en zayıf doğal fiberdir. Fiberler ilk elde edildiğinde beyaz, parlak ve esnektir; ancak hemen kahverengine dönüşür, zayıf ve kırılgan bir hal alır. Suyla temas ettiğinde hızla bozulur, güneş ışınına karşı dayanıksızdır. Jüt uzun, yumuşak, parlak bir bitkidir; kalın ve kuvvetli iplikler haline getirilebilir. Kısmen bir tekstil fiberi kısmen de odunumsu bir ligno-selülozik fiberdir. Mikroorganizmalar ve böceklere karşı dirençlidir. Islak halde kuvveti azalır, uzaması düşüktür.
Jüt fiberle genellikle jeo-tekstilde kullanılır. Ev tekstilinde pamuk ve bazı karışım fiberlerin yerini almıştır; UV ışınlardan koruyucu özelliği, ses ve ısı izolasyonu, düşük termal iletkenliği ve antistatik özellikleri jüt fiberleri ev malzemeleri üretiminde avantajlı hale getirmiştir. Jüt fiberlerin karbon CO2 tutma özelliği de vardır. Doğal olarak bozunabildiğinden bazı teknik malzemelerde kullanılır. Diğer kullanım alanları arasında şeker ve kahve poşetleri, halı altlığı, ip sicim ve halat yapımı sayılabilir. Jüt bitkileri tüm Asya’da, özellikle Hindistan ve Bangladeş’te yetiştirilir.
Keten fiber en eski tekstil fiberidir; 3000 yıldan daha yaşlıdır. Kısa keten fiberler ‘tow’ olarak, uzun ve taranmış iyi kaliteli olanlar ‘line’ olarak tanımlanır. Islanma durumuna göre gri-sarı arasında değişik renklerde olabilir. Pamuk gibi, ~%71 selüloz içerir, ancak moleküler yapısı çok düzenli olduğundan pamuktan daha kuvvetlidir.
Keten fiber, bitkinin sap veya gövdesindeki kabuk (bast) kısmından elde edilir. Fiber amaçlı hasat işlemi, bitkinin çiçek açmasından bir ay kadar sonra ve tohum kapsüllerinin oluşmasından iki hafta sonra yapılır. Fiberlerin uzunluklarının bozulmaması için hasatın elle yapılması tercih edilir.
Kuvvetli asitlerde çözünür, alkalilere, organik solventlere ve yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır. Keten ve pamuğu birbirinden ayırmak için en basit yöntem fiber uzunluklarının karşılaştırılmasıdır; pamuk fiberler genellikle 6 cm’den daha kısadır, nadiren bu uzunluğu geçer. Oysa keten fiberlerin uzunluğu bu değerin çok üstündedir (25-120 cm). Kullanım alanları arasında çeşitli giysiler, teknik ürünler (bagaj, çanta, cüzdan, dikiş ipliği gibi), yatak, masa, banyo eşyaları gibi değişik dokularda keten kumaşlar sayılabilir.
Keten bitkisi ılıman ve orta derecede nemli iklimlerde yetişir; örneğin, Belçika, Fransa, İrlanda, İtalya ve Rusya gibi.
Kenevir (Hemp) Fiberler
Kenevirin, makroskobik ve mikroskobik görünümü ketene benzer. Kenevir ketene kıyasla daha kaba ve daha sıkıdır, ancak işleme yöntemleriyle bu farklılıklar en düşük seviyeye indirilebilir. Elde edildiği bitkinin büyüklüğüne göre 100-400 cm uzunluğunda olabilirler. Bitkiden fiberlerin ayrılması işlemine bağlı olarak fiberin rengi krem-beyazı, kahverengi, yeşil ve siyaha kadar değişir. Kenevirden üç tip fiber elde edilir: 1. Dış kısımdan elde edilen bast fiberler en uzun ve güzel fiberlerdir. 2. Dış kısmın biraz içindeki bölgeden elde edilen fiberler dokuma dışındaki uygulamalarda ve diğer teknik alanlara kullanılır. 3. Daha da iç kısımdaki odunsu veya göbek fiberler.
Keneviri İlaçlamaya ihtiyaç olmaz, çok çabuk büyür. Kök yapıları toprak kaymasını çok azaltır. Kenevir bitkinin %20-30 kadarı fiberdir. Aynı arazide pamuğa kıyasla %250, ketene kıyaslan %600 daha verimlidir. Kenevir fiber ~%75 selüloz içerir, ultraviyole ışına ve küflenmeye dirençlidir, kararlıdır ve çok kuvvetlidir. Çin ve Filipinler başlıca üretim yerleridir; ayrıca İtalya, Rusya, Polonya, Hindistan ve Kanada’da da yetiştirilmektedir.
Kenaf Fiberler
Kenaf Çin, Mısır ve eski Sovyetler Birliği ülkelerinde yetişen bir bitkidir. Olgun hücreler kalın duvarlı ve silindiriktir. Fiberleri, jütle kıyaslandığında daha kısa ve daha kabadır. Kenafta iki tip fiber bulunur; kortikal tabakadaki uzun fiberler ve lignous sınırda bulunan kısa fiberler. Çok sayıda kullanım alanına sahiptir; tekstil, kâğıt ürünleri, kompozitler, yapı malzemeleri, absorbent, v.s. gibi.
Rami Fiberler
Rami fiber (Ramiye Çin otu denir), Boehmeria nivea bitkisinin kabuğundan elde edilir. Boehmeria nivea Çin’de doğal olarak yetişen bir bitkidir, yüzlerce yıldır dokumalar ve balık ağları yapımında kullanılmaktadır. Filipinler, Japonya, Brezilya ve Avrupa’da da yetiştirilmektedir. Rami bitkisi 1-2.5 m yüksekliğindedir, dal kalınlıkları 8-16 mm dolayındadır. İklim ve toprağa bağlı olarak yılda 2-4 kez hasat yapılabilir. Hasat elle (orak gibi araçlarla) yapılır. Rami yüksek miktarda, %35 kadar gum (reçinemsi maddeler) içerdiğinden fiberlere ıslatıp yumuşatma işlemi uygulanamaz. Fiberler, kimyasal işlemlerle ayrılır, hipokoritle ağartılır, nötralleştirilir, yağlanır ve kurutulur. Gumu ayrılmış ve ağartılmış fiber %96-98 selüloz içerir.
Rami fiberlerin kesiti ovalimsi ve ince parlak görünümdedir. Hücre duvarı elemanları sola dönüktür. Rami, bitkisel fiberlerin en uzunudur, fevkalade parlaktır ve çok kuvvetlidir. Serttir, kırılmaya eğilimlidir. Çok kolay ve hızla kurur, bu nedenle iyi bir balık ağı malzemesidir. Fiberler bakterilere ve böceklere karşı dirençlidir. En önemli dezavantajı elastikliğinin düşük olması nedeniyle kırılganlığıdır.
Raminin geleneksel kullanım alanı ağır-endüstri ürünleridir; kanvas veya çadır bezi, paketleme malzemeleri ve döşeme kumaşları gibi. Asya’da, özellikle Çin’de artan üretim farklı karışım ürünlerine yönelmeye neden olmuştur; pazarlarda ramiyle çeşitli oranlarda ipek, keten ve pamuk karışımı ürünler bulunmaktadır.
b. Yaprak, Dal (Leaf) Fiberler
Yaprak fiberler sert fiberlerdir, bast fiberlere kıyasla daha sıkı (stiff) ve kaba bir yapıda olduğundan ticari değeri sınırlıdır. Uzun ömürlü bitkilerin fibrovasküler sistemlerinde bulunur; bu tür bitkiler Merkez Amerika, Doğu Afrika, Meksika ve Filipinler’de yetişir. Tipik örnekler sisal, abaka ve henequen fiberlerdir.
Fiber
|
Selüloz
|
Hemise-lüloz
|
Pektinler
|
Lignin
|
Ekstrak-tifler
|
Abaka
|
70.1
|
21.8
|
0.6
|
5.7
|
1.8
|
Sisal
|
73.1
|
13.3
|
0.9
|
11.0
|
1.6
|
Henequen
|
77.6
|
4.8
|
(+waks) 2-6
|
13.1
| |
Ananas
|
66.2
|
19.5
|
4.2
|
Ultimat fiber
|
Hücre Kesiti
|
Fiber strand
| ||||
Fiber
|
Uzunluk, mm
|
Çap,µm
|
Şekil
|
Çap,µm
|
Uzunluk, cm
|
Genişlik, mm
|
Abaka
|
2-12
|
6-40
|
oval-yuvarlak
|
14-20
|
150-360
|
0.01-0.28
|
Henequen
|
1.5-4
|
8.3-33.2
|
11.6-22.2
| |||
Mauritius
|
1.3-6
|
15-32
|
silindirik
|
124-210
| ||
Phormium
|
2-11
|
5-25
|
yuvarlak
|
10-3-12.5
|
150-240
| |
Sisal
|
0.8-7.5
|
8-48
|
silindirik
|
11-16
|
60-120
|
0.1-0.5
|
Tablo-23: Yaprak Fiberlerin Mekanik Özellikleri
Fiber
|
İncelik, km/kg
|
Kopma uzunluğu, km*
|
Uzama, %
|
Elastik modülü, N/tex
|
Bükülme modülü, mN/tex
|
Abaka
|
32
|
32-69
|
2-4.5
|
6
| |
Cantala
|
58
|
30
| |||
Henequen
|
32
|
20-42
|
3.5-5
| ||
Phormium
|
38
|
26
| |||
Sisal
|
40
|
36-45
|
2-3
|
25-26
|
7-8
|
Sisal Fiberler
Agave sisalanadan elde edilen sisal fiberi, kalite ve ticari kullanım yönünden yaprak fiberlerin en önemli olanıdır. Doğu Afrika, Endonezya ve Filipinler’de yetiştirilir. Sisal bitkisi suyla büyür; yağışlı mevsimlerde su depolar, sıcak veya kurak zamanlarda depoladığı suyu kullanır. 0.6-2 m uzunluğundadır, uçları dikensidir. Fiberler yapraklarda boylamasına konumda bulunur. Sisal fiber kaba ve kuvvetlidir, gerilim altındaki uzamasının yüksek olmasına karşın, abaka fibere kıyasla esnekliği düşüktür. Tuzlu suya dayanıklıdır.
Abaka Fiberler
Abaka fiber, muz ağacına benzer musa textilis bitkisinin yapraklarından elde edilir; Abaka, Manila keneviri (hemp) olarak da bilinir; ancak bir bast fiber olan kenevir ile benzerliği yoktur. Bitki dikildikten 5 yıl sonra ürün verir. Olgun bir bitkide 12-20 saplı yaprak bulunur ve ~6 ay aralıklarla 2-6 yaprak hasat edilir. Abaka fiberlerin temel üreticisi olan Filipinler’de fiberler tabakalar arasından bıçakla çıkarılır. Abaka fiberler kenevirden ve pamuktan daha kuvvetlidir; yaprak fiberlerin en kuvvetlilerinden biridir, kaba ve uzundur, kararlıdır, esnektir. Suya ve özellikle tuzlu suya karşı çok dayanıklıdır; bu nedenle denizcilikte halat ve kablo malzemeleri olarak kullanılır. Suya dayanıklılığı, temiz oluşu ve kolay ekstraksiyon sağlaması nedeniyle çay poşetlerinde tercih edilen bir malzemedir. Diğer kullanım alanları arasında halat ip, hasır, keçe, masa örtüleri ve çeşitli giysiler sayılabilir.
Ananas Fiberler
Ananas sert bir yaprak fiberdir, sisale benzer. Pala görünümlü yaprakları 1-3 m uzunluğunda ve 2.5-5 cm genişliğinde bir bitkiden elde eldir. Fiberler ananas yumuşatılır ve soyularak çıkarılır.
Henequen (Agave fourcroydes) agave ailesi bitkilerindendir, sisale çok benzer. Doğal vatanı Meksika’dır. Fiberlerin özellikleri çeşitli faktörlere bağlıdır; hava koşulları, bitkinin yaşı, ekstraksiyon yöntemi gibi. Fiber çapı değişkendir; dip kısımda daha büyük, uçlarda daha küçüktür. Fiber kesiti de farklı görünümlerdedir; dip kısımlarda fasulyemsiyken, uçlarda yuvarlak şekillerdedir.
Tohum fiberlerden pamuk yumuşak bir tohum fiberdir. Bitkinin dış kabuğunda bulunan koruyucu mumsu madde fibere yapışkanlık özelliği kazandırır. Yapısındaki selülozun düzenlenme formu pamuk fiberin kuvvetini, kararlılığını ve absorblama özelliklerini belirler.
Pamuk esnektir, iyi bir absorbenttir, alkalilere karşı dirençlidir. Kolay buruşur, büzülür ve asitlerden etkilenir. Güve ve küfe karşı hassastır. Pamuk fiberlerin uzunluğu 1-6 cm dolayındadır.
Tablo-24: Tohum Fiberlerin Bileşimleri (% ağ.)
Fiber
|
Selüloz
|
Hemiselü-loz
|
Pektinler
|
Lignin
|
Ekstraktif-ler
|
Coir
|
43.0
|
0.1
|
-
|
45.0
|
-
|
Pamuk
|
92.9
|
2.6
|
2.6
|
-
|
1.9
|
Kapok
|
64.0
|
23.0
|
23.0
|
13.0
|
-
|
Ultimat fiber
|
Hücre Kesiti
|
Fiber strand
| ||||
Fiber
|
Uzun-luk, mm
|
Çap,µm
|
Şekil
|
Çap,µm
|
Uzunluk, cm
|
Genişlik, mm
|
Coir
|
0.2-1
|
6.24
|
1
| |||
Pamuk
|
10-50
|
12-25
|
silindi-rik, eliptik
|
1.5-5.6
|
0.012-0.025
| |
Kapok
|
15-30
|
10-30
|
yuvar-lak
|
1.5-3
|
0.03-0.036
| |
Tablo-26: Tohum Fiberlerin Mekanik Özellikleri
Fiber
|
İncelik, km/kg
|
Kopma uzunluğu, km*
|
Uzama, %
|
Elastik modülü, N/tex
|
Bükülme modülü, mN/tex
|
Coir
|
18
|
16
|
4.3
|
16
| |
Kapok
|
16-30
|
1.2
|
13
|
10
|
Coir sıkı, sert (stiff) bir fiberdir, hindistan cevizi ve dış kabuğu arasındaki lifsi maddenin ekstraksiyonuyla elde eldir. Uzun, sert ve kuvvetli fiberlerdir, fakat yumuşamaları ve su absorblama kapasiteleri zayıftır. Coir fiberler kullanılan kabuğun hazırlanmasına ve ekstraksiyon yöntemine göre beyaz ve kahverengi olabilir.
Pamuk Fiberler
Pamuk çok kullanılan bir doğal fiberdir. Yoğunluğu 1.55 g/cm3, gerilme kuvveti 287-597 MPa, Young’s modülü, 5.5-12.6 GPa, spesifik kuvveti 191-398 MPa, ve spesifik modülü 4.0-8.0 GPa dolayındadır.
Pamuk hidrofiliktir, fiberleri suda önemli derecede şişer. Fiberler alkalilere karşı dayanıklıdır, fakat asitlerde parçalanır, mikrobiyal direnci düşüktür, çabuk yanar. Pamuk esnektir, iyi bir absorbenttir, alkalilere karşı dirençlidir. Kolay buruşur, büzülür ve asitlerden etkilenir. Güve ve küfe karşı hassastır. Pamuk fiberlerin uzunluğu 1-5 cm dolayındadır.
Pamuk fiberler üç-duvarlı yapıdadır. Üst tabaka waks ve pektin maddelerdir; bu tabaka, selüloz kristalin fibrillerden oluşan primer duvarı korur. Fiberlerin ikincil duvarı üç bölgelidir; paralel spiral fibriller içerir. Üçüncü duvar lumeni çevreler. Bitkinin dış kabuğunda bulunan koruyucu mumsu madde fibere yapışkanlık özelliği kazandırır. Yapısındaki selülozun düzenlenme formu pamuk fiberin kuvvetini, kararlılığını ve absorblama özelliklerini belirler.
Kapok Fiberler
Kapok fiber ipeksi pamuk görünümlüdür, ceiba ağacındaki tohumların etrafında bulunur, yumuşak, hafif ve koftur. Kolaylıkla kırılır, iplikler halinde çekilmesi zordur. Genellikle fiber dolgu olarak, izolasyon malzemesi olarak kullanılır. Ağırlığının 30 katı kadar su tutar, pamuktan sekiz kat daha hafiftir, alerjik ve zehirli değildir, kokuya ve çürümeye dayanıklıdır.
d. Diğer Bitkisel Fiberler
Selülozik fiberlerin en önemli kaynağı lignoselülozik tarım yan ürünlerdir. Agro-bazlı biyofiberler kimyasal ve fiziksel özellikleri ve kompozisyonları yönünden tekstil, kâğıt ve diğer endüstri kollarında önemli yer işgal ederler. Örneğin, mısır, buğday, pirinç, süpürge darısı, arpa, şeker kamışı, ananas, hindistan cevizi yan ürünleri olan yenilenebilir kaynaklar agro-bazlı biyofiberler olarak kullanılabilir. Bitkisel dokulardan fiberleri almak için dokudaki doğal gum bağlayıcıların, enzimatik veya bakteriyel yöntemler gibi biyolojik işlemlerle uzaklaştırılması gerekir. Tarım yan ürünlerden elde edilen bu tür fiberlerin kesiti yuvarlak, poligonal veya ovaldir; geometrik özellikler fiberin orijinine bağlı olduğundan farklıdır.
Bitkisel bazlı bazı biyofiberlerin özellikleri Tablo-27’de verilmiştir. Bunlar arasında en uzun fiberler ananas yaprağından elde edilendir; nedeni kristallik derecesinin ve selüloz miktarının (%70-82) yüksek olmasıdır; ayrıca mekanik özellikleri de iyidir (Young’s modülü 400–627 MPa).
Fiber
|
Uzunluk, mm
|
Genişlik, mm
|
Kristalinite, %
|
Mısır kabuğu
|
0.5-1.5
|
10-20
|
48-50
|
Ananas yaprağı
|
3-9
|
20-80
|
44-60
|
Coir
|
0.3-1.0
|
100-450
|
2-33
|
Küspe
|
0.8-2.8
|
10-34
|
-
|
Muz
|
0.9-4.0
|
80-250
|
45
|
Buğday samanı
|
0.4-3.2
|
8-34
|
55-65
|
Pirinç samanı
|
0.4-3.4
|
4-16
|
40
|
Süpürge darısı sapları)
|
0.8-1.2
|
30-80
|
-
|
Arpa samanı
|
0.7-3.1
|
7-24
|
-
|
Fiber
|
Selüloz, %
|
Lignin, %
|
Kristalinite %
|
Nem, %
|
Muz
|
50-51
|
17
|
39
|
8.5
|
Şekerkamışı küspesi
|
54-56
|
23
|
48
|
9
|
Gözenekli sukabağı
|
65-67
|
15
|
50
|
4-5
|
Protein Esaslı Biyofiberler
Fibrous proteinler lifli, dayanıklı, ipliksi ve genellikle suda çözünmeyen bir proteinler sınıfıdır. Pek çok doğal protein mekanik, kimyasal, elektrik, elektromagnetik ve optik özellikler yönünden incelenmiştir. Protein bazlı biyomalzemeler için en uygun yapısal proteinler arasında elastinler, kollajenler, fibroinler, keratinler ve resilinler sayılabilir. Genel olarak bu yapısal proteinler ailesi, tekrarlanan primer amino asit dizilerinin oluşturduğu uzun menzilli düzenlenmiş moleküler ikincil yapılarla karakterize edilirler; örneğin, b-katlanmış levhalar, sarımlanmış sarımlar, veya üçlü-heliksler gibi. Bu yapılar, biyolojik arayüzlerdeki fonksiyonlarıyla, mekanik olarak önemli yapılardır.
Önemli protein fiberler ipek, yün, kürk ve bazı özel saç fiberlerdir; bunların, genel olarak elastikiyet ve absorbans özellikleri iyidir, alkalilerde, kuru ısıtmalarda ve klorlu ağartıcılarda parçalanırlar ve kolaylıkla yanarlar. Diğer bir protein fiber rejenere soya proteinlerden üretilen SPF’dir.
İpek Fiberler
Filament formdaki tek protein fiber ipektir; 900-1700 m kadar uzunluktadır. İpek en kuvvetli doğal fiberdir; hafiftir, aşınmaya karşı direnci orta derecededir, ıslandığına kuvvetinin %20’sini kaybeder.
İpek, ipekböcekleri tarafından üretilen doğal bir protein fiberdir; parlak ve kuvvetlidir. Çapraz bağlar içermeyen, keratinle kıyaslandığında basit amino asitler zincirleri içerir. İpekböceği kozalarından ipliklerin elde edilmesi için seçilen kozalar kalitesini korumak ve uzun süreli depolama gerektiğinde bozulmaması için kurutulur, Kurutma işlemiyle kozadaki pupa (krizalit) ölür ve depolama sürecinde kozanın bozulmasına neden olabilecek nemi buharlaşır.
Örümcek ipeği, elastiktir ve bilinen en kuvvetli doğal fiberdir. Kuvvetliliği, amino asit polimer birimleri arasındaki kovalent bağlardan, elastikliği molekülün farklı kısımlarının birbirleriyle etkileşiminden dolayıdır. Lif proteinleri böcekler ve örümcekler tarafından salgılanır. İpekböceklerinin ipek bezi hücrelerinden fibroin proteini salgılanır. Örümcek fibroinlerine, spidroinler veya dragline ipek fibroinleri denir. Örümcekler yedi farklı tipte ipek fiberi üretebilirler. Bunlardan en kuvvetlisi yaşam alanını belirleyen ve ağını inşa ettiği dragline ipeğidir. Dragline ipek spidroin proteinlerden oluşur. Bunlar çok uzun proteinlerdir, özel bir mimari yapıları vardır ve halen sadece örümceklerde bulunmaktadır. Spidroinler özel bezelerde viskoz bir akışkan olarak depolanmıştır.
İpek fiberlerin katılığı (stiff) orta derecedir, esnekliği sıcaklık ve nem durumuna göre iyi-çok iyi arasında değişir. Sulu lityum bromür, fosforik asit ve kupramonyum çözeltisi gibi hidrojen bağı kırıcı çözücülerde çözünür. İzolasyon özellikleri iyidir, <150 0C’nin altındaki sıcaklıklardan fazla etkilenmez. Elektrik direnci orta seviyededir, statik elektrik yüklenebilir. İpek asitlerden yavaş, fakat bazik çözeltilerden hızlı etkilenir. Biyolojik maddelere karşı dirençlidir, ancak güneş ışığında sararır ve kuvvetini kaybeder.
Yün Fiberler
Yün koyunlardan elde edilen doğal saç (veya kıl) protein fiberdir. İnceliği, yapısı ve özellikleri alındığı koyuna bağlıdır. Yün fiberler fevkalade komplekstir; yüksek derecede çapraz bağlı 17 farklı amino asitten oluşan keratin proteinler içerir (Keratin: %50 karbon, %10 oksijen, %12 hidrojen, %25 nitrojen ve %3 sülfür). Amino asit miktarı ve diziliş formu yöne göre değişir. Yünün aşınmaya karşı direnci orta seviyededir, esnekliği iyi, boyutsal kararlılığı zayıftır. Yün higroskopiktir, alkalilerden, ağartıcı maddelerden, ve yüksek konsantrasyondaki asitlerden etkilenir, kuru ısıtmada kırılır, elektrik iletkenliği zayıftır.
Fibroin
|
Sericin
|
Fat + Waks
|
Atıklar
|
Diğer
| |
İpek
|
76
|
22
|
1.5
|
-
|
0.6
|
Keratin
|
Lanolin
|
Fat
| |||
Yün
|
33
|
28
|
12
|
26
|
1
|
Tablo-30: İpek ve Yün Fiberlerin Kıyaslanması
İpek Fiber
|
Doğrusal yoğunluk, d/tex
|
Çap, mm
|
Değişme katsayısı (CV), %
|
İpekböceği, Bombyx mori
|
1.17
|
12.9
|
24.8
|
Örümcek, Argiope aurentia
|
0.14
|
3.57
|
14.8
|
Merinos yün
|
6.74
|
25.5
|
25.6
|
CV, % = (standart sapma/ortalama çap, mm) x 100
Yünün yoğunluğu 1.31 g/cm3 (atmosferik şartlarda 25 0C ve % 65 relatif nem), fiber uzunluğu (ortalama) 2.5-25 cm, fiber çapı 16-40 mm, ultimat gerilme kuvveti (UTS), 150-200 N/mm2 (kuru) dir (ıslak halde UTS değeri %80 kadar düşer).
Fiber
|
Y, g/cm3
|
U, %
|
T, GPa
|
GK, MPa
|
YM. MPa
|
BM, GPa
|
İpek (filament)
|
1.25
|
10-30
|
0.3-0.6
|
650-750
|
16
|
9-12.5
|
Yün (ştapel)
|
1.32
|
25-50
|
0.15-0.25
|
125-200
|
-
|
2-4
|
Fiber
|
TM, GPa
|
TC, W/m K
|
ÇU,%
|
K, %
|
SA, %
|
İpek (filament)
|
1.9-2.9
|
0.2-0.4
|
18-20
|
65-70
|
9-11
|
Yün (ştapel)
|
~1
|
0.2-0.4
|
-
|
-
|
15-17
|
Y: yoğunluk, U = uzama (normal şartlarda, 21 0C ve %65 relatif nemde), T: Tenacity, GK: gerilme kuvveti, YM: Young’s modülü, BM: başlangıç modülü, TM: burulma modülü, TC: termal iletkenlik, ÇU: çökmede uzama, K: kristalinite, SA: su absorbsiyonu (normal şartlarda, 21 0C ve %65 relatif nemde)
b. Soya Protein Fiberler (SPF)
Soya (soybean) protein fiberler (SPF), rejenere soya Glycine Max soya proteinlerin sentetik bir polimerle (polivinilalkol) birleştirilmesiyle üretilir. Soya proteince zengin bir üründür; %37-42 protein içerir (sütte %3.2, yerfıstığında %25 kadar protein bulunur). Soya proteini üç tiptir; soya unu, soya izolat ve soya konsantrat.
Fiber
|
Spesifik kopma gerilimi, cN/dtex
|
Kopma uzaması, %
|
Başlangıç modülü, GPa
|
Kırılmada spesifik iş, mJ/kg
|
SPF yarn, kuru (yaş)
|
2.16 (1.58)
|
37.75 (43.05)
|
5.08 (3.25)
|
39.81 (22.71)
|
Fiber
|
Spesifik gravite
|
Tenacity, cN/tex
|
Uzama (kuru), %
|
Nem çekme, %
|
Sıcaklık etkisi
|
SPF
|
-
|
7.0
|
50.0
|
11
|
-
|
Zein (mısırdan)
|
1.25
|
10.6
|
25-35
|
10.0
|
-
|
Kazein (sütten)
|
1.3
|
8.0-9.7
|
60-70
|
14.0
|
yumuşar
|
Kollajen
|
1.32
|
-
|
-
|
-
|
-
|
