Plastikler, hafiflik, dayanıklılık ve düşük maliyet gibi özellikleri nedeniyle günlük hayatımızın vazgeçilmez malzemelerinden biri haline gelmiştir. Günümüzde plastiklerin büyük bir kısmı petrol bazlı süreçler ile üretilmekte olup üretimlerinden dolayı çevreye olumsuz etkileri bulunmaktadır. Ayrıca petrol türevi plastiklerin doğada biyolojik olarak parçalanamıyor olmasından dolayı plastik atıklar birikmektedir. Fiziksel olarak parçalanmış ancak mikro düzeyde yapılarını koruyan mikroplastikler ise insan vücuduna kadar girmekte ve birçok sağlık problemi oluşturmaktadır. Bu sorunlara çözüm olarak, plastik alternatifi birçok malzeme ve polimer üretimi üzerinde araştırmalar yapılmaktadır. Daha önceki bültenlerimizde mikrobiyal polimer üzerine yapılan araştırmalardan bahsetmiştik.

Şimdi ise Çin'deki 'deki araştırmacılar çok hızlı büyüyen bambu bitkisindeki selülozu kullanarak yeni bir "BM-plastic"(Bamboo Molecular Plastic) ürettiler ve yöntemlerini 'da yayınladılar. Yapılan çalışmada araştırmacılar, bambu selülozunu moleküler düzeye kadar eritmek için toksik olmayan, alkol bazlı bir çözücü yöntemi geliştirdiler. Böylece selüloz moleküllerini yeniden bir araya getirip sert bir plastik malzeme haline getirebildiler.

Neden Bambu?

Hızla büyüyen bir bitki olan bambu, hektar başına 78,3 tona kadar verim sağlar. Geleneksel keresteden 4,5 kat daha fazla olan bu verimi, bambuyu ölçeklenebilir ve sürdürülebilir bir hammadde haline getiriyor. Selüloz çıkarma ve sıcak presleme yoluyla bambu bazlı plastikler daha önce üretilmiş ve bambu liflerinin olağanüstü mekanik özellikleri kullanıma alınmıştır.

Ancak elde edilen malzemelerde kırılganlık (uzama oranı ≤ %5), sınırlı kalıplanabilirlik ve yetersiz mekanik dayanıklılık sorunları yaşamaktadır. Araştırmacılar temel sorunun doğal selülozun hiyerarşik yapısında bulunduğunu belirtmektedir. Araştırmacılara göre bambunun yapısındaki katı hidrojen bağı (H-bağı) ağları, moleküler hareketliliği ve arayüz etkileşimlerini kısıtlayarak etkili şekillendirmeyi ve performans optimizasyonunu engellemektedir. Araştırmacılar bu sorunu aşmak için selülozun içsel gücünü korurken moleküler düzeyde parçalanmasını ve yeniden yapılandırılmasını sağlayan yeni bir yol aradılar.

Üretim Süreci ve Moleküler Tasarım

Araştırma ekibi, "deep eutectic solvent (DES) (derin ötektik çözücüler)" adını verdikleri özel bir eritici karışım ile selülozun içsel gücü korunurken moleküler düzeyde parçalanması ve yeniden yapılandırılması sağlanır. Çinko klorür (ZnCl₂) ve formik asitten (CH₂O₂) oluşan bu karışım, bambu selülozundaki hidrojen bağlarını çözerek homojen bir moleküler selüloz jeli oluşturmaktadır.

Araştırmacılar oluşturulan selüloz jeli, kullanılabilir plastiğe dönüştürmek için etanol ile karıştırdı. Böylece selüloz molekülleri ile su arasındaki H-bağları bozularak selüloz zincirlerinin daha sıkı paketlenmesi ve -OH ve -OCHO grupları arasındaki H-bağlarının güçlenmesi sağlandı. Bu işlem sonunda oluşan malzemenin mekanik mukavemetinde dramatik bir artış sağlanmış oldu.

Enjeksiyon kalıplama ve işleme gibi geleneksel üretim süreçleriyle uyumlu olan etanol ile karıştırma tekniği, karmaşık üç boyutlu geometrilere sahip biyoplastik ürünlerin büyük ölçekli üretimini mümkün kılmaktadır.        

Fiziksel Özellikleri ve Kullanım Alanı

Araştırmacılar, üretilen biyoplastiğin mekanik ve termal özelliklerini test etti. elde edilen bulgular ile her kategoride petrol bazlı plastiklere kıyasla çekme dayanımının ve termal dayanımının daha yüksek olduğu ve diğer alanlarda benzer özellik gösterdiği belirlenmiştir.

• Çekme Dayanımı: 110 MPa
• Eğilme Dayanımı: 6.41 GPa
• Termal Dayanım: >180°C
• Darbe Dayanımı: 110 kJ/m²

Bambu tabanlı plastiğin bu özellikleri sayesinde otomotiv, inşaat ve dayanıklı tüketim malzemeleri gibi yüksek mekanik ve termal özellik gerektiren sektörlerde kullanılabilecek bir malzeme olduğu kanıtlanmış oldu. Bu plastiğin diğer bir özelliği ise, 50 gün içinde toprakta tamamen bozunur olduğundan dolayı çevre dostu olmasıdır.

Geleceğe Bakış

Araştırmacıların yaptığı tekno-ekonomik analizlere göre üretilen biyoplastiğin temel maliyet faktörleri, DES çözücüsü ile etanolün yeniden kullanılabilirliği ve hammadde teminidir. Ayrıca düşük enerjili üretim süreci sayesinde enerji giderlerinin de düşük olması beklenmektedir.

Bazı plastik türlerine nazaran daha yüksek üretim maliyetlerine sahip olmasına rağmen BM-plastiğin daha yüksek mekanik özellikleri, termal kararlılığı, özelleştirilebilir şekillenebilirliği ve azaltılmış çevresel etkisi, biyoplastik sektöründeki pazar rekabet gücünü artırmaktadır. Öte yandan yeni biyoplastiğin paketleme, otomotiv parçaları, inşaat malzemeleri ve dayanıklı tüketim ürünlerinde yaygın olarak kullanılabileceğini belirtiyor.