Ayçiçeği saplarından bazı nanoselüloz türevlerinin üretimi, karakterizasyonu ve farklı uygulama alanlarında değerlendirilmesi

Abstract

Toplumsal çevre bilincinin artmasıyla birlikte, yenilenebilir doğal kaynaklardan selüloz esaslı nanomalzemelerin üretimine olan ilgi de hızla artmaktadır. Nanoselülozik parçacıklar, toplumumuzun mevcut çevresel ve sürdürülebilirlik endişelerini giderebilecek yüksek performanslı özel malzemelerin tasarımının yolunu açmaktadır. Biyo-esaslı nanomalzeme olarak adlandırılan bu yeni nesil ürünlerin, petrol fiyatlarındaki dalgalanmalar, petrol ve türevleri gibi fosil kaynakların sınırlı olması ve bu ürünlerin yoğun miktarda sera gazına sebep olmalarından ötürü geleneksel petrol esaslı malzemelerin yerini alacağı inancı, bu konuda yapılan küresel çaptaki araştırmaları tetikleyen unsurdur. Bu tez kapsamında ülkemizde önemli miktarda açığa çıkan, ancak yakılma, tarlada bırakma vb. dışında endüstriyel anlamda hiçbir şekilde yararlanılamayan ayçiçeği sapları hammadde olarak kullanılmıştır. Atık ayçiçeği saplarından literatürdeki optimum şartlar göz önünde bulundurularak mekanik yöntemle nanofibril selüloz (NFS) ve kimyasal yöntemle nanokristalin selüloz (NKS) üretimleri gerçekleştirilmiştir. NFS üretimi sırasında yapılan öğütme işlemi kademelerinde tüketilen enerji miktarlarının yanı sıra, hem NFS ve hem de NKS örneklerinin türbidite ve zeta potansiyel değerleri, gelişmiş lif morfolojisi analizleri, kristalinite ve termal analizler ile birlikte, elde edilen NKS ve NFS’lerde var olan bağ yapıları da hammadde ve ağartılmış lif örnekleri ile karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. NKS ve NFS’ler farklı oranlarda borik asit (BA) ve polivinil alkol (PVA) matrisleri ile karıştırılarak nanokompozit filmler üretilmiş ve bu nanokompozit filmlerin bağ yapıları, ısıl özellikleri ve mekanik özelliklerindeki değişimler belirlenmiş ve karşılaştırılmıştır. BA takviyeli nanokompozit filmlerin bağ özellikleri incelendiğinde, NFS ve NKS liflerinin BA ile etkileşimlerini yansıtan karakteristik B–O–B, B–O–C vb. bağlar tespit edilmiştir. PVA oranlarındaki değişimin ise nanokompozit filmlerin bağ yapılarını çok fazla etkilemediği ortaya konulmuştur. NFS ve NKS süspansiyonlarına BA ilavesinin, nanokompozit filmlerin yüksek sıcaklıklardaki ısıl dayanımlarını %25 – %40 arasında iyileştirdiği görülmüştür. NFS ve NKS süspansiyonlarına farklı oranlarda PVA ilavesi ise BA’nın aksine nanokompozit filmlerin ısıl özelliklerini %10 – %15 arasında düşürmüştür. Nanokompozit filmlerin mekanik özelliklerine bakıldığında, hem NKS hem de NFS filmlerine BA ilavesinin bu filmlerin çekme dirençlerini %90’a kadar azalttığı tespit edilmiştir. NFS ve NKS filmlerinin elastikiyet modülleri bu filmlere ilave edilen PVA ya da BA matrislerinin oranlarının artmasıyla birlikte %15 – %90 arasında değişen oranlarda azalma göstermiştir. NFS ve NKS filmlerine yapılanPVA ilavesi bu nanokompozitlerin kopma anındaki uzamalarını arttırırken, BA ilavesi ise azaltmıştır. Nanoselüloz süspansiyonları ile kaplanmış ahşap yüzeylerin aynasal yansıtma değerleri, nanoselüloz türü, matris türü ve kaplama tabaka sayısına bağlı olarak farklılıklar göstermekle birlikte kaplanmış kontrplak yüzeylerinin genel olarak düşük (10 GU’dan az) ve orta (10 – 70 GU arası) aynasal yansıtma özelliklerine sahip oldukları tespit edilmiştir. Kontrplak yüzeylerinin sertlik testi sonuçları incelendiğinde, NFS ve NKS süspansiyonları ile yapılan kaplamalarda sıvama kat sayısındaki artışın, nano partikül içeren süspansiyon içerisine farklı matrislerin ilavesinin ve MF tutkalı ilavesinin, yüzeylerin sertlik değerlerini en yüksek seviyeye kadar (7H) yükselttiği görülmüştür. Su temas açısı deneyi sonuçlarına göre, NFS ve NKS süspansiyonlarına farklı konsantrasyonlarda BA, PVA ve MF ilavesinin, bu nanopartiküllerle kaplanmış kontrplakların yüzey hidrofobikliğini azaltarak temas açılarını düşürdüğü tespit edilmiştir. NFS ve NKS süspansiyonları atık oluklu mukavva, gazete kağıdı ve ofis kağıdı hamurlarından üretilen geri dönüşüm kağıtlarının içerisine farklı oranlarda katılmış, diğer taraftan nano partikül içeren bu süspansiyonlar düşük gramajlı ağartılmamış kraft kağıtlarının kaplanmasında kullanılmışlardır. Kağıtlara ilave edilen NFS ve NKS süspansiyonlarının oranının ve uygulanan kaplama işlemindeki tabaka sayısının artmasıyla, kaplama işlemi yapılmış kraft kağıtlarının ve atık kağıt hamurlarından üretilmiş geri dönüşüm kağıtlarının gramajlarının %1 – %15 ve kalınlıklarının ise %5 – %35 arasında arttığı tespit edilmiştir. Kaplanmış kraft kağıtlarının mekanik özelliklerinin nanoselüloz süspansiyonu ile sıvanması sonrasında istatistiksel olarak önemli bir gelişme sağlamadığı, atık kağıt hamurlarına NFS süspansiyonu ilavesiyle üretilen geri dönüşüm kağıtlarının mekanik özelliklerinin iyileştiği, ancak NKS süspansiyonu ilavesinde ise geri dönüşüm kağıtlarının mekanik özelliklerinin benzer değerlerde seyrettiği tespit edilmiştir. Gazete kağıdı ve oluklu mukavva hamurlarına ilave edilen NFS süspansiyonun üretilen kağıtların su absorpsiyon özelliklerini %3 – %18 arasında geliştirdiği, NKS süspansiyonu ilavesinin ise düşürdüğü saptanmıştır. Kaplanmış kağıtlarda ise uygulanan tabaka sayısının artmasıyla su absorpsiyon değerlerinin arttığı tespit edilmiştir. Kağıtların porozite özelliklerinin hem NFS süspansiyonu ilavesinde hem de NFS süspansiyonu ile yapılan kaplama işleminde ileri bir seviyeye ulaştığı gözlenmiştir. Yapılan nano partikül takviyesinin ve bunlarla yapılan kaplama işlemlerinin ise optik özellikleri etkilemediği görülmüştür. Elde edilen sonuçlar literatürdeki çalışmalar ile kıyaslanarak, önemli bir tarımsal atık olan ayçiçeği saplarından elde edilen biyo-esaslı nanoselüloz partiküllerinin endüstriyel ölçekte üretim olanakları incelenmiş ve bu yeni nesil nano malzemelerin kompozit filmlerde, ahşap yüzeylerde, kağıt esaslı ürünlerin yüzeylerinde ve üretimlerinde çevre dostu bir ajan olarak görev alabilecekleri ortaya konulmuştur. Böylelikle kullanım alanları kısıtlı olan yıllık bitki ve tarımsal atıkların nanoselüloz üretiminde değerlendirilmesi teşvik edilerek, hem bu atıklardan faydalanmanın bir yolu bulunmuş, hem de son derece değerli bir ürün olan odun hammaddesinin nanoselüloz üretiminde kullanımının da önüne geçilmesi amaçlanmıştır.