FARKLI LİGNİN YAPILARINA SAHİP HAMMADDELERDEN LİGNİN ESASLI KARBON LİFİ ÜRETİMİ

Abstract

Bu çalışmada kullanılan hammaddelerden; iğne yapraklı ağaç odunu olarak karaçam (Pinus nigra), yapraklı ağaç odunu olarak titrek kavak (Populus tremula) tek yıllık bitki olarak buğday sapı (Triticum aestivum) Kastamonu ili sınırları içerisinden temin edilmiştir. Hammaddelerin kimyasal bileşenleri incelenmiş ve literatürde yer alan çalışmalara uygun şekilde kraft kağıt hamuru pişirmesi sonucu atık siyah çözeltiler elde edilmiştir. Ayrıca karşılaştırma amaçlı OYKA Kağıt Ambalaj Sanayii ve Ticaret A.Ş.ʼnin Zonguldak Çaycumaʼdaki fabrikasından kraft siyah çözeltisi (OBL) temin edilmiştir. Siyah çözeltilerin yoğunluğu, içerdiği katı madde miktarı, inorganik madde miktarı, organik madde miktarı, pHʼları ve içerdiği kalıntı alkali miktarları belirlenmiştir.

Siyah çözeltilerden lignin izolasyonu işlemi asitlendirme yöntemine göre yapılmıştır. Asitlendirmeyle izole edilen ligninler ile ticari olarak piyasada yer alan Indulin AT lignini; Klason lignini miktarları, kül miktarları, uçucu madde miktarları, fenolik madde miktarları, karboksil grup miktarları, içerdikleri inorganik maddeler, GPC, FTIR, UV-Vis spektroskopisi ve termogravimetrik analizleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuçlara göre buğday sapı haricinde diğer izole edilen ligninlerin kül miktarı bakımından Indulin AT lignininden (<%2,02) daha saf olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca izole edilen tüm ligninlerin uçucu madde miktarları Indulin ATʼye göre %17,86 ila % 62,43 oranında daha yüksek olduğu bulunmuştur. Ligninlerin yüksek oranda fenolik madde miktarına sahip olduğu (439,41 -826,91 mgGAE/l) ve yapılan ICP-OES analizi ile tüm ligninlerde miktar olarak en yüksek kükürt elementinin (9862,00-24567,28 ppm) olduğu tespit edilmiştir. TGA analizi sonuçlarına göre termal etkiye en dayanıklı ligninler sırasıyla Indullin AT, OBL lignini, kavak, buğday sapı ve karaçam lignini olarak tespit edilmiştir. GPC, analizinde üniversal kalibrasyon metoduna göre en yüksek ortalama molekül ağırlığının 6395 Da ile karaçam lignininde, en düşük ortalama molekül ağırlığının ise 2176 Da ile Indulin ATʼde olduğu tespit edilmiştir.

Özellikleri belirlenen kraft ligninlerinden karbon nano lifi üretiminde değerlendirilmesinin araştırılması maksadıyla, ilk olarak poliakrilonitril (PAN)-lignin (50:50) ve termoplastik poliüretan (TPU)-lignin (83:17) çözeltilerinden elektrospin yöntemi ile lif üretimleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen lignin liflerinin özelliklerini

v karşılaştırmak için lif çekim polimerlerinden de lif üretimleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen taramalı elektron mikroskobu görüntüleri görüntü analiz programı yardımı ile incelenmiş ve elde edilen liflerin çap ortalamaları ve çap dağılımları istatistik programlar ile belirlenmiştir. İlk üretim sonrası yapılan çap ölçümlerine göre lignin içeren tüm grupların lif üniformitelerinin sadece polimer kullanılarak üretilen liflere göre daha düşük olduğu tespit edilmiştir.

Elde edilen lifler hava mevcudiyetinde ve inert ortam olarak argon mevcudiyetinde olmak üzere iki farklı ortamda 2 saat boyunca PAN lifleri 250 °C, TPU lifleri 220 °C olmak üzere termal stabilizasyon işlemine tabi tutulmuştur. Örnekler SEM analizi ile incelenmiş ve TPU kullanılarak üretilen tüm liflerin termal stabilizasyon sonrası lifsel yapısını kaybettiği sonucuna ulaşılmıştır. İlk üretildiğinde mikro boyutlarda olan PAN-OBL ve PAN-karaçam lignini liflerinin hava stabilizasyonu sonrası çaplarının nano boyuta sahip oldukları tespit edilmiştir. Ayıca PAN ile kavak lignini kullanılması durumunda stabilizasyon ısısının ve ısıtma oranının düşürülmesi gerektiği sonucuna ulaşılmıştır.

Termal stabilizasyon işlemine tabi tutulan örnekler daha sonra inert ortamda 1000 °Cʼde 1 saat boyunca karbonlaştırma işlemine tabi tutulmuştur. Örneklerden elde edilen SEM görüntüleri incelenmiş ve TPU örneklerinin tamamen lifsel yapıdan uzak ve aktif karbon gibi poroz yapılara dönüştükleri gözlemlenmiştir. PAN örneklerinden hava ortamında stabilize edilenlerden buğday sapı lignini ile üretilen, inert ortamda stabilize edilenlerden kavak lignini ile üretilen gruplar haricinde tamamından karbon nano lif üretimi gerçekleştirilmiştir. Örneklerin elementel bileşen analizi, elementlerin X ışınını yansıtma prensibine göre çalışan enerji dağılım spektrometresi (SEM-EDS) metodu ile gerçekleştirilmiştir. Sonuçlara göre hava ortamında stabilize edilen PAN gruplarından inert ortamda stabilize edilenlere göre daha iyi karbon oranı elde edilmiştir. En yüksek karbonlaşma oranı ağırlıkça %96,60 olarak hava stabilizasyonu sonrası karbonlaştırılan karaçam-PAN liflerinde tespit edilmiştir.

Karbonlaştırılan örneklerin elektriksel iletkenlik özellikleri ve kapasitans değerleri belirlenmiştir. En yüksek kapasitans değeri 138,81 mF ile inert ortamda stabilize edilmiş Indulin AT-PAN karbon liflerinden tespit edilirken, en iyi öz iletkenlik değeri 16,15 S/cm ile hava ortamında stabilize edilmiş karaçam-PAN liflerinde tespit edilmiştir. Buna göre elde edilen örneklerin elektronik alanında ve lityum iyon pillerinde elektrot olarak değerlendirlebilir olduğu tespit edilmiştir.

Sonuç olarak izole kraft ligninlerinin karbon nano lifi üretiminde rahatlıkla değerlendirilebileceği tespit edilmiş ve elde edilen liflerin elektronik, lityum iyon pili üretimi, nano tıp uygulamaları gibi ileri mühendislik ürünlerinde kullanım potansiyelinin yüksek olduğu sonucuna ulaşılmıştır.