Polilaktik asit (PLA) matrisli bazalt-odun lifi takviyeli biyokompozitlerin üretilmesi ve izolasyon özellikleri dahil performans özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Geleneksel petrol/doğalgaz türevi polietilen/polipropilen gibi polimerler ile üretilen kompozitlerin sürdürülebilir olmayışı ve/veya doğada bozunmamaları yanında, günümüzde çevresel bilincin artması ve dünyamızın karşı karşıya kaldığı ekolojik riskler sebebiyle, alternatif olma potansiyeline sahip `biyokompozitler (biyomalzeme içeren kompozitler)` konusuna ilgi ve yürütülen araştırmalar son yıllarda yoğun bir şekilde artmaktadır. Bununla birlikte, özellikle çok yoğun kullanım alanları olan ambalaj ve izolasyon sektörlerinde, kullanım sonrası oluşan atık problemleri sebebiyle duyulan kaygılar birçok alanda sentetik polimerik malzemelerin kullanımının azaltılmasını gerekli kılmaktadır. Diğer yandan hafif olmaları, mükemmel mekanik özellikleri, proses kolaylığı, akustik özellikleri, vd. nedeniyle biyokompozitler havacılık ve otomotiv sektörlerinden ev gereçlerine kadar geniş bir alanda kullanılabilmekte ve cam lifi destekli sentetik plastiklere alternatif olabilmektedir. Bununla birlikte mekanik özelliklerinin iyi olması ve doğal kaynaklardan elde edilmesi, polilaktik asiti (PLA) petrol türevi polimerlere önemli bir alternatif yapmakta ve takviye ediciler ile birlikte üretilen biyokompozitlerin pek çok konvansiyonel mühendislik malzemesine alternatif olabilme kapasitesine sahip olduğu bilinmektedir. Bazalt lifi ise bazalt taşlarından elde edilen takviye malzemeleridir. Bazalt ülkemizde de yoğun olarak bulunan bir maden olan volkanik kaya kütlelerinden biridir. Bazalt lifi ısı yalıtımı, ses yalıtımı, akustik düzenleme ve yangın yalıtımı amacıyla kullanılmakta olup cam lifinden daha iyi mekanik özellikler gösterebilmektedir. Bu çalışmada PLA matrisli, bazalt ve izolasyon özellikleriyle öne çıkan kayın odun unu takviyeli biyokompozitler üretmiş ve izolasyon özellikleri dahil performans özellikleri incelenmiştir. Bu çift takviyeli kompozitleri üreterek izolasyon özellikleri iyileştirilmiş biyobozunur malzemelerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bazalt ve odun unu takviyeli kompozitler ayrı ayrı farklı oranlarda üretilmiş ve hem bazalt hem odun unu içeren çift takviyeli kompozitlerle karşılaştırılmıştır. Biyokompozitler 40 L/D çift vidalı ekstrüder yardımıyla üretilmiş, üretilen biyokompozitlere mekanik özelliklerini belirlemek için çekme ve eğilme testleri yapılmıştır. Kimyasal bağ gerilmelerini belirlemek için FTIR analizi, termal özelliklerini belirlemek için TGA analizi ve termomekanik özellikleri için ısıl sapma sıcaklığı testi (HDT) yapılmıştır. Biyokompozitlerin fiziksel özelliklerini belirlemek için yoğunluk, su alma oranı ve kalınlık artışı testleri yapılmıştır. Biyokompozitlerin izolasyon özellikleri için ısıl iletkenlik katsayısı testi ve ses iletim kaybı ölçümü testleri yapılmıştır. Biyokompozitlerin iç yapısını detaylı bir şekilde incelemek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Sonuç olarak, %20'ye kadar hem bazalt hem odun unu kullanılan biyokompozitlerin eğilme dayanımlarının bir miktar arttığı, bu orandan sonra düştüğü, çekme dayanımlarının ise çapraz bağlayıcı kulanılmadığı için her oranda PLA'ya kıyasla düştüğü bulunmuştur. Çekme ve eğilme modüllerinin ise bazalt lifi içeren kompozisyonlarda kullanım oranıyla birlikte arttığı tespit edilmiştir. Isıl iletkenlik katsayısı ölçümü testinde odun onu içeren örneklerin PLA'ya kıyasla çok daha düşük iletkenlik katsayısı gösterdiği, ses iletim kaybı testindeyse bazalt lifi içeren örneklerin sesi daha az ilettiği bulunmuştur. Bununla birlikte odun unun içeren örneklerin selülozik malzemenin higroskopik kimyasal yapısı sebebiyle su alım ve şişme oranlarının daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Çalışma sonucunda, ucuz takviye malzemeriyle desteklenmiş, geliştirilmiş izolasyon özelliklerine sahip çevreye duyarlı biyokompozitler üretilmiştir.

Because of the unsustainability and/or biodurability of the composites produced with polymers such as petroleum/natural gas derived polyethylene/polypropylene and the increase of environmental awareness and the ecological risks, in recent years researches have increasing interest on biocomposites (biomaterials-containing composites) which have the potential to be bio-based alternatives. However, especially in packaging and insulation sectors and concerns about waste problems after use, it become necessary to reduce the use of synthetic polymeric materials. On the other hand, being lightweight, having excellent mechanical properties, ease of process, and good acoustic properties of biocomposites makes them to be an alternative to glass fiber-reinforced plastics in a wide range of fields from aerospace to automotive industry and home appliances. In addition, bio-based polylactic acid with its good mechanical properties, is an important alternative to petroleum-derived polymers and it is known that biocomposites produced with PLA matrix and various supports have the capacity to be an alternative to many conventional engineering materials. Basalt fiber is a filler obtained from basalt stones. Basalt is one of the volcanic rock masses, which is a mineral found in our country. Basalt fiber is used for thermal insulation, sound insulation, acoustic regulation and can show better mechanical properties than glass fiber. In this study, we produced basalt fiber and beech wood flour reinforced biocomposites with PLA matrix, and investigated performance characteristics including insulation properties. These double-reinforced composites were developed to produce biodegradable materials with better insulation properties. Basalt and wood flour reinforced composites were produced separately in different proportions and compared with double-reinforced composites. Biocomposites were produced by 40 L/D twin screw extruder, tensile and bending tests were performed to determine the mechanical properties. FTIR analysis was made to determine the chemical bonds. TGA analysis was carried out for thermal properties and thermal deflection temperature test (HDT) was performed for thermomechanical properties. In order to determine the physical properties of biocomposites, density, water absorption rate and thickness increase tests were performed. Thermal conductivity coefficient and sound transmission loss measurement were carried out to investigate isolation properties of biocomposites. In order to examine the morphology of biocomposites, scanning electron microscope (SEM) was used. As a result, it was found that both basalt and wood flour supported biocomposites up to 20% had increased bending strengths, but it falls beyond this ratio, and their tensile strengths decreased compared to PLA in all ratios since no crosslinkers was used. It was determined that the tensile and flexural modulus increase with the increasing rate of basalt fiber in the composition. In the thermal conductivity coefficient measurement, it was found that the samples containing wood had a lower conductivity coefficient compared to PLA, whereas the samples containing basalt fiber transmit less of the sound in the sound transmission loss test. However, due to the hygroscopic chemical structure of the samples containing wood flour, water uptake and swelling rates were found to be higher. As a result of the study, environmentally friendly biocomposites with improved insulation properties have been produced with cheaper reinforcement materials.