Biyopoliester matrisli biyokompozitlerde kullanılan matris
malzemeler üç grup altında toplanabilir:
·
Biyoteknolojik yöntemlerle elde edilen
biyomatrisler (örnek, PLA).
·
Mikroorganizmalardan elde edilen biyomatrisler
(örnek, PHB).
·
Petrol ürünlerinden elde edilen biyomatrisler
(örnek, PCL).
PLA, doğal kaynaklardan fermentasyonla üretilen laktik asit
monomerlerinin polimerizasyonuyla elde edilen biyobozunabilir bir polimerdir.
PHA, mikroorganizmalar tarafından karbon ve enerji rezervi
olarak üretilir. Bu grupta bulunan polihidroksibütirat (PHB), 3-hidroksibütirikasit
amfoterik birimler içerir.
PCL, kaprolakton polimerizasyonuyla elde edilen petrol
esaslı bir biyopolimerdir.
Mekanik özelliklerin ele alındığı bu bölümde PLA, PHB ve PCL matrisler
ile jüt, keten sisal ve kenevirin takviye olarak
kullanıldığı bazı biyokompozitlerin kıyaslamaları yapılmıştır. Biyopolimer
matrislerin, doğal takviye malzemelerin ve bunlardan üretilen biyokompozitlerin
mekanik özellikleri tablo-3,4,5’de verilmiştir.
Özel uygulamalarda kullanılan kompozitlerin en önemli özeliği
yoğunluğudur. Ticari kompozitlerin yoğunlukları 0.25-1.26 g/cm3
arasında değişir. Genellikle yoğunluğu düşük olan malzemeler tercih edilir.
Örnek biyopolimerler arasında en yüksek yoğunluklu olanı P-3-Hb’dir (Şekil-9).
Gerilme kuvveti ve gerilme modülü değerleri Şekil-10’da verilmiştir; en yüksek
gerilme kuvveti P-4-Hb’ye ve en yüksek gerilme modülü PHB’ye aittir.) En çok
kullanılan fiberler olan keten, kenevir ve rami fiber takviyeli biyobozunabilir
kompozitlerin mekanik özellikleri, cam fiber takviyeli polimer kompozitlerin
mekanik özellikleriyle kıyaslanabilir değerlerdedir.
Biyopolimer
|
Yoğunluk, g/cm3
|
Gerilme kuvveti, MPa
|
Gerilme modülü, GPa
|
Uzama, %
|
Polilaktikasit (PLA)*
|
1.26
|
5.9-72
|
1.08-3.61
|
2.1-3.1
|
Polihidroksibütirat (PHB)
|
1.2-1.5
|
24-40
|
3.5-7.7
|
1.56-6
|
Poli-3-hidroksibütirat
(P-3-Hb)
|
1.28
|
40
|
3.5
|
0.4-6
|
Poli-3-hidroksibütirat-ko-hidroksivalerat
(P-3-Hb-3-HV)
|
0.22-0.25
|
23-40
|
3.5
|
1.6-20
|
Poli-4-hidroksibütirat
(P-4-Hb)
|
1.22
|
104
|
-
|
1000
|
Polikaprolakton (PCL)
|
1.13
|
16-23
|
0.4
|
> 700
|
Mekanik özellikler genellikle reçinenin
tipine, orijinine, fiberin tipine, oryantasyonuna, miktarına ve formuna (fiber
veya fabrik), karıştırma ve kullanılan plastikleştiriciye göre değişir.
Biyopolimerlerin tanımlama parametreleri
ergiyik akış indeksi, darbe özellikleri, sertlik, buhar (vapor) transmisyon
özellikleri, sürtünme katsayısı ve dekompozisyondur. Biyopolimerlerin gerilme
kuvveti, gerilme modülü, bükülgenlik modülü ve yoğunluk gibi mühendislik
uygulamalarda gereken özellikleri de birbirlerinden farklıdır Su absorbsiyonu
da biyopolimerin kimyasına ve proses koşullarına göre değişir.
Gerilme
Kuvveti-Gerilme Modülü: Biyofiberlerle takviye edilmiş biyopolimer matrisli
kompozitlerin gerilme özellikleri önemli derecelerde iyileşmektedir. Tamamen
biyobozunabilir kompozitlerin gerilme kuvveti 20-73 MPa arasında değişmektedir;
en yüksek gerilme kuvveti kenevir takviyeli PLA biyopolimer kompozitte (PLAHF: 73
MPa), en düşük gerilme kuvveti de keten takviyeli polikaprolakton kompozitte
(PLCFF: 20-25 MPa) görülmektedir. Şekil-11’deki gerilme modülü değerlerine göre
en yüksek ve en düşük gerilme modülleri, sırasıyla PLA/Sisal (PLASF: 20 GPa) ve
PCL/Keten (PLCFF: 0.8-0.9 GPa).
Fiber
|
Yoğunluk, g/cm3
|
Gerilme kuvveti MPa
|
Gerilme Modülü, GPa
|
Kopmada uzama, %
|
Jüt
|
1.46
|
600-1100
|
2.7-12.6
|
7.0-8.0
|
Keten (flax)
|
1.20
|
800-1500
|
27.6-160
|
1.5-5.0
|
Sisal
|
1.20
|
600-700
|
9.4-24
|
3-7-4
|
Kenevir (hemp)
|
1.14
|
550-900
|
30-60
|
-
|
Tablo-5:
PLA, PHB, PCL Bazlı Biyokompozitlerin
Mekanik Özellikleri
Mekanik Özellikleri
|
Matris/Takviye
|
Gerilme kuvveti, MPA
|
Gerilme modülü, GPa
|
Bükülme kuvveti, MPA
|
Bükülme modülü, GPa
|
Uzama, %
|
Darbe, esneklik, kJ/m2
|
|
PLA / Kenevir (PLAHF)
|
73 ± 1
|
5.9 ± 0.1
|
102 ± 2
|
5.78 ± 0.1
|
3.0 ± 0.1
|
14 ± 2
|
|
PLA / Keten (PLAFF)
|
50-55
|
6.3-6.5
|
-
|
-
|
1.0
|
10-69
|
|
PLA / Sisal (PLASF)
|
56.7±3.5
|
20
|
80-100
|
18-19
|
-
|
3-3.5
|
|
PLA / Jüt (PLAJF)
|
55.3-72.7
|
1.7-8.5
|
75.9-84.5
|
7.0-7.3
|
1.5-4.71
|
15-80
|
|
PHB / Keten (PHBFF)
|
40-42
|
8-10
|
-
|
-
|
-
|
60-70
|
|
PCL / Keten (PLCFF)
|
20-25
|
0.8-0.9
|
30-35
|
1.8-1.9
|
-
|
-
|
Şekil-9: Biyopolimerlerin yoğunluk ve uzama özellikleri
Şekil-10: Biyopolimerlerin gerilme kuvveti ve modülü özellikleri
Bükülgenlik
(Flexural) Kuvveti-Bükülgenlik Modülü: Kopma modülü veya bükülgenlik
(flexural) kuvveti malzemenin yük altında deformasyona karşı direncini
gösterir. Bükülgenlik kuvveti, biyobozunabilir kompozitteki biyofibere,
biyopolimere ve fabrikasyon tekniklerine göre değişir (Şekil-12). En yüksek
bükülgenlik kuvveti kenevir takviyeli PLA (PLAHF: 102 ± 2), en düşük değer ise keten takviyeli PCL (PLCFF:
30-35) biyokompozitlere aittir. Bükülgenlik modülü malzemenin eğilebilme,
bükülebilme özelliğinin ölçüsüdür. En yüksek ve en düşük bükülgenlik modül
değerleri sırasıyla sisal fiber takviyeli PLA (PLASF: 19 GPa) ve keten fiber
takviyeli PCL (PLCFF:1.8-1.9 GPa).
Uzama-Darbe Kuvveti: Örnek
biyobozunabilir kompozitlerin uzama testlerine göre elde edilen en yüksek ve en
düşük uzama değerleri PLA/Jüt (PLAJF: %1.5-4.71) ve PLA/Keten (PLAFF: %1.0)
olarak saptanmıştır. Malzemenin dayanıklılığını gösteren darbe testlerinde ise
en yüksek ve en düşük değerlere sahip olan biyokompozitler PLA/Jüt (PLAJF:
15-80 kJ/m2) ve PLA/Sisal (PLASF: 3-3.5 kJ/m2)’dir.
(Şekil-13)
Şekil-11:
Biyokompozitlerin mekanik özellikleri
Şekil-12:
Biyopolimer ve biyokompozitlerin mekanik özellikleri
Şekil-13:
PLA ve kompozitlerinin mekanik özellikleri
