Yeşil Malzemeler

Yeşil Malzemeler
Sınai Değerlendirme Raporu
Grafen Chemical Industries Co.
Ankara, Turkey
İbrahim Mutlay, CSO
Yeşil Malzemeler
Giriş
20. yy'nin sonu itibarı ile artan çevresel kaygılar sonucunda özellikle kimya sanayiinin
kendisine yeni bir yol haritası oluşturması gerekmiştir. Bu yeni yol haritasındaki en devrimsel
adımlardan biri “yeşil kimya” yaklaşımlarıdır. Yeşil kimya, zararlı maddelerin kulanımını azaltan
veya tümüyle yok eden işlemleri esas alan kimyasal süreçlere verilen genel bir adlandırmadır.
Yeşil kimyanın en önemli hedeflerinden biri hammaddeyi azami verimle kullanıp asgari atık
oluşumuna yol açan ürünler elde etmektir [10]. Dünya'nın içinde bulunduğu çevresel krizler
sebebiyle yeşil süreçlerin bir an önce kullanıma geçmesi ve yaygınlaşması beklenmektedir. Bu
bakımdan, ABD Enerji Bakanlığı tüm kimyasalların 2020 yılında en az %10'unu, 2050 yılında
ise en az %50'sini bitkisel kaynaklardan elde etmeyi hedeflemektedir [9]. “Yeşil” kavramsal
tasarımına sahip ürünlere toplum güvenle bakmakta, bu da söz konusu mamullerin müşteriler
tarafından daha yüksek oranda seçilmesine/tüketilmesine yol açmaktadır [10]. Kimya
sanayilerindeki bu dönüşüm polimer ve kompozit malzeme sektörlerinde de yaşanmaktadır.
Yeşil malzemelerin (yeşil polimerler ve kompozitler) üretim ve kullanıma geçmesiyle bunlar
üzerinde, özellikle de tanımları hususunda tartışmalar ortaya çıkmıştır. Örneğin farklı
kaynaklarda, aynı kavramlar için “yeşil”, “biyo-”, “yenilenebilir”, “sürdürülebilir” gibi sıfatlar
kullanılsa da aslında bunların hepsi temelde, doğada, sürdürülebilir biçimde oluşan bitki vb.
kökenlerden gelen hammaddelerden üretilen malzemeler için kullanılır. Bu makalede
tanımlama ve sınıflandırma üzerine odaklanılmadan verilen tarife uyan tüm malzemelere
“yeşil” adı verilmiştir.
Yenilenebilir kaynaklardan elde edilen malzemeler, son yirmi yıldır inanılmaz bir gelişim eğrisi
sunmaktadır. Öyle ki yeşil kompozitler sanayii günümüzde milyarlarca dolarlık bir sektör halini
almıştır. Tüm plastik sektörleri içerisinde yeşil kompozitler en hızlı gelişen dallardan biridir.
Yıllık büyüme hızı, 2007 yılı için Kuzey Amerika'da %18, Avrupa'da ise %14'tür [10]. Yeşil
plastikler de aynı başarıyı yakalamıştır (Bkz. Şekil 2). 2020 yılında Avrupa Birliği'nde, yeşil
plastiklerin, yıllık 3.1 milyon ton ile petrol esaslı polimerler pazarının %4.4'üne sahip olacağı
tahmin edilmektedir [12]. Yeşil malzemelerin en başarılı biçimde kullanıldığı sektörler
günümüzde otomotiv, ambalaj ve inşaattır. Bu sanayi dallarının ülkemizdeki önemi göz
önünde bulundurulduğunda, “yeşil” yaklaşımının sadece bir ”moda” olmaktan çok olağanüstü
büyük bir ihracat potansiyeline sahip bir konu olduğu görülecektir. Bu makale işte bu
konuların, sanayicilerimiz ve diğer ilgili sektör üyeleri tarafından daha iyi tanınması
maksadıyla hazırlanmıştır.
Yeşil Polimerler
Yeşil polimerler sadece doğal haliyle polimerik yapıdaki malzemeleri değil aynı zamanda
doğal bileşiklerin biyolojik veya kimyasal yöntemlerle polimerizasyonu ile elde edilen yüksek
molekül ağırlıklı malzemeleri de kapsamaktadır. Dolayısıyla yenilenebilir kaynaklardan elde
edilen poliamitler, polisakkaritler, polioksoesters, polithioesterler, polyanhidritler, polifenoller
gibi polimerler, bunların türevleri ve kompozitleri de biyopolimerler olarak adlandırılmaktadır.
Buradan anlaşılacağı gibi tüm biyoplastikler biyobozunur değildir. Kristal yapıdaki Polilaktik
asit (PLA) ve selüloz ester türevleri buna örnektir. Bu polimerler biyobozunur olmasa bile
sürdürülebilir hammaddelerden üretildikleri için tercih edilmektedirler [2].
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr
Yeşil Malzemeler
Şekil 1. Yeşil malzemeler [13].
Yeşil polimerlerin üretimleri farklı süreçler üzerinden gerkçekleştirilebilmektedir: (i) biyolojik
olarak elde edilen monomerlerin kimyasal polimerizasyonu (Örn. PLA) (ii) polimerlerin
mikroorganizmalar ile doğrudan biyosentezi (Örn. Polihidroksialkonat (PHA) ve (iii) nişasta,
selüloz gibi doğal polimerlerin modifikasyonu [2]. Mevcut dünya pazarlarında en yaygın yeşil
plastikler nişasta, PLA ve PHA esaslı malzemlerdir.
Nişasta, doğada oldukça yaygın bir polisakkarit olup mısır, patates veya pirinçten elde edilen,
yüksek biyobozunurluğa ve düşük maliyete sahip önemli bir yeşil plastiktir. Nişasta kaynaklı
biyopolimerlerin üretimi genellikle nişasta ile sentetik polimerlerden harman (blend) halinde
üretilmesi biçiminde uygulanmaktadır. Burada sentetik polimer/nişasta miktarlarının
ayarlanmasıyla biyopolimerin özellikleri kolaylıkla değiştirilebilmektedir. Bu yaklaşım
Novamont firmasının ürettiği Mater-Bi® adlı plastik ürününde başarılı olarak uygulanmıştır.
%85'ten fazla nişasta içeriği olan harmanlar enjeksiyon kalıpta ve köpük üretiminde
kullanılabilmektedir [3].
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr
Yeşil Malzemeler
Şekil 2. 2007-2011 yılları arasındaki yeşil plastik üretimi [1].
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr
Yeşil Malzemeler
Şekil 3. Yeşil polimerlerin Ar&Ge süreci [15].
PLA ve PHA'nın diğer yeşil plastikler arasında pazardaki en büyük paya sahip olmalarının
temel sebebi adı geçen polimerlerin polistiren (PS), polietilen (PE) ve polipropilen (PP) gibi
yaygın sentetik polimerlere benzer mekanik özelliklere sahip olmalarıdır (Bkz. Çizelge 1).
Ayrıca hem PLA hem de PHA şeker ve nişasta gibi yenilenebilir kaynaklardan elde edilir ve en
önemlisi biyobozunur polimerlerdir. PLA, özellikleri sayesinde enjeksiyon kalıp, ekstrüzyon,
üflemeli şişirme, eğirme gibi yöntemlerle işlenebilir. En önemli uygulama alanı, yüksek
şeffaflığı ve biyobozunurluğu ile ambalaj sanayindedir. Yüksek şeffalığı sayasinde çok iyi bir
ambalaj malzemesidir. Ancak ambalaja ilave olarak PLA, Fujitsu-Siemens'in ürettiği dizüstü
bilgisayarların gövdesinde ve Sony'nin ürettiği cep telefonlarında kullanılmaktadır. PHA ise
çeşitli ortam koşullarında PLA'dan bile daha iyi olun bozunma özellikleri ile dikkat
çekmektedir. Tropikal koşullarda 50 günden daha az bir sürede, toprağa gömüldüğünde ise çok
daha kısa sürelerde tamamen bozunmaktadır [2].
Çizelge 1. Bazı yeşil plastiklerin ve HDPE'nin özellikleri [16-24].
Polimer
Biyobozunur
Yoğunluk
(kg/m3)
Çekme
(MPa)
Young
Modülü
(MPa)
Kopma
Uzaması
(%)
Erime
Sıcaklığı
(oC)
Fiyat
(US$/kg)
Mukavemeti
HDPE
Hayır
600-1400
20-30
200-400
180-1000
110-130
0.5-1
PLA
Evet
1200-1400
10-70
350-2800
1-350
150-160
2-5
PHB
Evet
1250
15-40
400-1750
8
170
3-5
Nişasta
Evet
1200-1400
7
95-2900
1-500
105-115
0.5-2
Soya
Evet
927
40
1200
120
130-150
1-1.5
Ecoflex
Evet
1350
35
80
560
115
3-6
Mater-Bi
Evet
1230
20
350
600-900
200
3-6
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr
Yeşil Malzemeler
Şekil 4. Biyobozunur yeşil plastikten imal bardaklar [14].
Yeşil Kompozitler
Geçtiğimiz yüzyılın ikinci yarısı kompozit malzemelerin efsanevi başarı öyküsüne tanık oldu.
Uzay-hava sistemleri gibi uç örneklerden, otomotiv, spor eşyaları ve hatta basılı devre kartları
gibi daha “gündelik” kullanım alanlarına, kompozitler artık çağımızın en temel malzeme
türlerinden biri olmuştur. Geleneksel kompozit malzemeler, çok farklı biçimlerde
tasarlanabilmelerine rağmen çoğunlukla epoksi, polipropilen, polietilen vs. bir polimer matrise
cam, karbon, aramit veya UHMWPE gibi liflerin takviye edilmeleri suretiyle hazırlanırlar.
Kompozit malzemelerin gittikçe daha yaygın bir biçimde kullanılıyor olması onlara ait
atıkların bertarafını çok önemli bir sorun haline getirmiştir. Üstelik kompozit malzemelerin
birbirinden çok farklı iki ayrı malzemeden (lif ve matris) yapılı olması onların geridönüşümünü
inanılmaz derecede zorlaştırmaktadır [7]. Kompozit malzeme sanayiinde de “yeşil kompozitler”
biçiminde kendini gösteren çevreci çalışmalar, kompozit malzeme imalatında sürüdürülebilir
kaynaklardan gelen polimer ve takviyelendiricileri (lif veya dolgu) kullanma üzerine
yoğunlaşmıştır [10]. Aslında yeşil kompozitler çok eski dönemlerden beri kullanılagelmektedir.
Anadolu'da eski zamanlardan beri harç malzemelerinin içerisine keçi kılı vb. katkıların
eklendiği bilinmektedir. Çağdaş dönemde ise Henry Ford, 1938 yılında, ilk lif takviyeli araba
gövde panelini üretmek için soya-fasülyesi esaslı reçine kullanmıştır [7]. Yeşil polimerler bir
önceki bölümde ayrıntılı biçimde tanıtıldığı için burada özellikle bitkisel kökenli olan yeşil
takviyelendiriciler ve kompozit malzemelerdeki kullanımları irdelenecektir.
Bitkisel lifler, bitkilerin gövde, yaprak, meyve vs. çok farklı kısımlarından elde edilebilmekle
(Bkz. Şekil 1) birlikte hemen hepsi lignoselüloziktir [9]. Bitkisel lifler tüm mühendislik
malzemeleri
gibi
birtakım
üstünlük
ve
sorunlarla
beraber
gelir.
Fakat
yenilenebilir/sürdürülebilir, diğer bir ifade ile çevre-dostu karakterleriyle birlikte cam lifiyle
kıyaslanabilir başarım özellikleri göstermeleri onlar üzerindeki ilginin esas tahrik kuvvetidir.
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr
Yeşil Malzemeler
Başarım özellikleri ve maliyetleri birarada incelendiğinde görülecektir ki bitkisel lifler, tüm
takviyelendiriciler içerisinde enuygun seçeneklerden birini oluşturur (Bkz. Şekil 5 ve Çizelge
2).
Şekil 5. Çeşitli takviyelendiriciler için başarım-maliyet grafiği [25].
Çizelge 2. Bazı önemli doğal liflere ait özelliklerin cam lifiyle karşılaştırılması [4,5,6].
Köken
Yoğunluk
(g/cm3)
Çekme
Mukavemeti
(MPa)
Young
Modülü
(GPa)
Özgül
Mukavemet
(MPa/cm3)
Kopma
Uzaması
(%)
Nem
Tutma
(%)
Fiyat
(US$/kg)
E-cam
Mineral
2.55
1800-3500
70-73
700-1400
2.5-3.0
0
1.3
Flaks
Gövde
1.40
345-1500
27.6-80
230-1070
1.2-3.2
7
1.5
Hemp
Gövde
1.48
550-900
70
370-610
1.6
8
0.6-1.8
Jüt
Gövde
1.45
400-800
10-30
280-610
1.16-1.8
12
0.35
Rami
Gövde
1.50
400-900
44-128
270-620
1.2-3.8
12-17
1.5-2.5
Sisal
Yaprak
1.33
450-700
9.4-38
320-530
2-7
11
0.6-0.7
Lif
Bitkisel liflerin başarısının arkasında yatan diğer birçok üstünlük söz konusudur. Şüphesiz
bunların başında biyobozunurluk ve “karbon dioksitçe nötral1” olmaları gelir [9,10]. Ayrıca yeşil
liflerin satış fiyatları, birçok takviyelendirici lif türünden ve hatta cam lifinden bile düşüktür
(Bkz. Şekil 5) [7-10]. Bitkisel lifler çok düşün yoğunlukta olduklarından kullanıldıkları kompozit
malzemenin ağırlığını önemli mertebede azaltırlar [7-10]. Doğal liflerin üretimi için gerekli
enerji miktarlarının çok düşük olması hem maliyet hem de çevresel açıdan büyük önem arz
1
Üretim, tüketim ve atık olarak yok edilmenin ardından atmosfere net karbon dioksit salımı sıfır olan sistemler [5].
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr
Yeşil Malzemeler
eder [8,9,10]. Mesela, 1 kg kenaf lifi üretmek için yaklaşık 13 Mj enerji tüketilirken, aynı
miktarda cam lifinin üretimi için 50 Mj enerji gerekir [9]. Bitkisel lifler cam, karbon vb. lifler
kadar sert olmadıklarından kompozit malzeme imalat ve işleme teçhizatına aşındırıcı etkide
bulunmazlar [7,8,9]. Yeşil lifler işçi ve tüketici sağlığı açısından da ciddi faydalar sunar. Şöyle
ki, cam lifleri deri tahrişine ve solunum yolları rahatsızlıklarına yol açarken bitkisel liflerde bu
tür bir etki yaşanmaz [8,10]. Bitkisel lifli kompozitlerin önemli bir üstünlükleri de ısı ve ses
yalıtımı sağlamalarıdır [7-10]. Olağanüstü yararlar ortaya koyan bu özelliklere karşın doğal
liflerin birtakım sorunları da yok değildir. İmalat açısından en önemli sorun doğal liflerle
geleneksel polimerlerin kompozit halindeki karışma açısından uyumsuz olmalarıdır. Bu da
liflerin polimer içerisinde düzgün dağılmasını engelleyerek zayıf yapılı kompozitlere yol
açabilmektedir [8,10]. Bir diğer sorun doğal liflerin 200 °C'yi aşmayan düşük sıcaklık
dayanımıdır [8,10]. Ayrıca nem, mikroorganizmalar ve diğer çevresel etmenler altında
bozunmaları da istenmeyen bir durumdur [7,8,10]. Doğal liflerin en önemli sorunlarından biri
de onların “doğal” olmalarıdır. Diğer bir deyişle, bir doğal lifin özellikleri, iklim, mevsim,
coğrafya vb. nedenlerle aynı bitkiden alınan numuneler için bile çeşitlilik gösterebilmektedir
[7,8,10].
Yeşil kompozitlerin mevcut en yaygın kullanım sahaları inşaat, otomotiv, mobilya ve
ambalajdır [7,10]. İnşaat, mobilya ve ambalaj sanayilerindeki uygulamaları yüksek başarım
gerektirmediğinden buralarda daha çok ağaç unu, odun yongası vs. gibi oldukça ucuz dolgular
tercih edilir [7]. Fakat özellikle otomotiv başta gelmek üzere diğer benzer uygulamalarda, yeşil
kompozitlerden yüksek başarım beklenmektedir. İşte bu tür kompozit tasarımlarında, gerekli
özelliklere ulaşmak için hemp, jüt, muz, bambu, kenaf vb. lifler kullanılır [7]. Yeşil kompozitler
hem çevre-dostu özellikleri hem de hafiflikleri ile otomotiv sanayiinde muhteşem bir başarı
yakalamıştır. Kara taşıtlarının ağırlığında ortalama %10-30 oranında azalma sağlayabilen [10]
yeşil kompozitler böylece yakıt tasarrufuna büyük katkıda bulunurlar [6]. Daimler-Benz 1991
yılından beri, cam lifinin yerini alacak doğal lifleri araştırmaktadır [8,10]. Hindistan cevizi lifli
kompozitleri esas alan “Beleem project”'in ardından gelen başarı ile 1996 yılında, Mercedes Esınıfı taşıtların kapı panelleri jüt lifi takviyeli kompozitlerden imal edilmiştir [5,7]. Yeşil
kompozitler alanına önderlik yapan Mercedes-Benz'in gayretleri günümüzde de devam
etmektedir (Bkz. Şekil 6) [11]. Aslında dünyadaki otomotiv devlerinin hemen hepsi ürünlerinin
imalatında yeşil kompozitlere yer vermektedir [8,10]. Avrupa Birliği tarafından sunulan
“European Guideline 2000/53/EG” gereğince, Avrupa'da üretilen arabaların 2005'ten itibaren
en az ağırlıkça %85'inin; 2015 yılından sonra da en az %95'inin geridönüştürülebilir
malzemelerden imal olması zorunlu tutulduğundan otomotiv sanayiindeki bahis konusu
eğilim anlaşılabilir [10]. Bu da, aşikardır ki, hali hazırda bile oldukça yüksek olan yeşil
kompozitler üzerindeki ilgiyi yakın gelecekte olağanüstü yüksek seviyelere çekecektir.
Yeşil kompozitler sahasındaki en güncel ve önemli araştırma konularından biri hem takviye
hem de matris bileşeni yenilenebilir kaynaklardan gelen tümüyle yeşil kompozitlerdir [7,8].
Tümüyle yeşil kompozitlerin en önemli matris adayları polilaktik asit (PLA) ve soyafasülyesi
esaslı polimerlerdir [8]. Yapılan çalışmalarda flaks-soya kompozitinde 250 MPa gibi
olağanüstü değerlerdeki çekme mukavemetine ulaşılmıştır [8].
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr
Yeşil Malzemeler
Şekil 6. Mercedes-Benz C-Sınıfı araçta, yenilenebilir kökenli hammaddelerden üretilmiş
parçalar [11].
Sonuç
Günümüz insanlık teknolojisinin temellerini oluşturan nesnelerin çok büyük bir kısmı,
doğadaki oluşumundan yüz bin kat daha hızlı tükenen [7] bir kaynaktan, yani petrolden
üretilen bileşenler içermektedir. Bu kötü gidişatın farkına varan dünya sanayi devlerinin yıllar
süren çalışmaları artık meyvelerini vermiş ve milyarlarca dolarlık bir yeşil teknolojiler ve
özellikle de yeşil malzemeler pazarı oluşturmuştur. Mevcut durumda yeşil malzemeler daha
çok bitkisel kökenli ise de gelecekte yüksek başarımlı proteinler ve diğer bazı malzemelerin
kullanılması beklenmektedir. Bunların arasındaki en iyi örnek şüphesiz örümcek ipeğidir. Hatta
Lexia Biotechnologies, Inc. firması örümcek ipeğini esas alarak BioSteel® adlı ticari bir yüksek
mukavemetli lif üretmiştir [7]. Böylece yeşil malzemelerin “yüksek başarımlı malzemeler”
sınıfına girmesi beklenmektedir. Ancak mevcut makalenin yukarıdaki kısımlarında da
görüldüğü üzere bu tür “geleceksel teknolojileri” beklemeye gerek yoktur. Ülkemizde yeterli
olgunluğa erişmiş birçok sınai sahaya nüfuz etmiş yeşil malzemeler, halihazırda bile ülkemiz
için sayısız fırsatlar sunmaktadır.
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr
Yeşil Malzemeler
Kaynaklar
[1] J. Markarian, Biopolymers present new market opportunities for additives in packaging,
Plastics, Additives and Compounding, 2008, 10, 3, 22-25
[2] K. Sudesh, T. Iwata, Sustainability of Biobased and Biodegradable Plastics, Clean, 2008,
36(5-6), 433-442
[3] R. A. Gross, B. Kalra, Biodegradable Polymers for the Environment, Science, 297, 2, 2002
[4] R. Zah, R. Hischier, A.L. Leao, I. Braun, Curaua fibers in the automobile industry - a
sustainability assessment, Journal of Cleaner Production 15 (2007) 1032-1040
[5] Alireza Ashori, Wood-plastic composites as promising green-composites for automotive
industries!, Bioresource Technology 99 (2008) 4661-4667
[6] Paul Wambua, Jan Ivens, Ignaas Verpoest, Natural fibres: can they replace glass in fibre
reinforced plastics?, Composites Science and Technology 63 (2003) 1259-1264
[7] Anil N. Netravali, Shitij Chabba, Composites get greener, Materials Today, April 2003, p. 2229
[8] Maya Jacob John, Sabu Thomas, Biofibres and biocomposites, Carbohydrate Polymers 71
(2008) 343-364
[9] A. K. Mohanty, M. Misra, L. T. Drzal, Sustainable Bio-Composites from Renewable Resources:
Opportunities and Challenges in the Green Materials World, Journal of Polymers and the
Environment, Vol. 10, Nos. 1/2, April 2002
[10] Alireza Ashori, Wood-plastic composites as promising green-composites for automotive
industries!, Bioresource Technology 99 (2008) 4661-4667
[11] Environmental Certificate, Mercedes-Benz C-Class, Mercedes-Benz Resmi Belgeleri,
DaimlerChrysler AG, Mercedes Car Group, DaimlerChrysler Communications,
http://www.daimlerchrysler.com
[12] Oliver Wolf, Manuela Crank, Martin Patel, Frank Marscheider-Weidemann, Joachim
Schleich, Bärbel Hüsing, Gerhard Angerer, Techno-economic Feasibility of Large-scale
Production of Bio-based Polymers in Europe, Technical Report EUR 22103 EN
[13] Ryszard Kozlowski, Maria Wladyka-Przybylak, Flammability and fire resistance of
composites reinforced by natural fibers, Polym. Adv. Technol. 2008; 19: 446-453
[14] http://en.wikipedia.org/wiki/Polylactic_acid
[15] http://www.m-base.de/main/fileadmin/mbase/main/documents/Biopolymerdatenbank_e.pdf
[16] R. A. Gross, B. Kalra, Biodegradable Polymers for the Environment, Science, 297, 2, 2002
[17] http://biopolymer.materialdatacenter.com
[18] http://hypertextbook.com/physics/matter/density/
[19] http://www.matbase.com/material/polymers/commodity/ldpe/properties
[20] http://www.spe-ggs.org/spe/html/tech_fair/BIO-2.html
[21] http://www.matbase.com/material/polymers/agrobased/thermoplastic-starchtps/properties
[22] http://www.matbase.com/material/polymers/commodity/hdpe/properties
[23] http://www.ides.com/generics/PLA/PLA_typical_properties.htm
[24] http://www.matbase.com/material/polymers/agrobased/
[25] http://bioproducts.osu.edu/index.php/news-room/119-advanced-natural-fibercomposites
Grafen Chemical Industries Co., Ankara, TURKEY
www.grafen.com.tr