Farklı biyokütle kaynaklarının biyokompozit malzeme üretimde kullanılabilirliğinin araştırılması
Investigation of the usability of different biomass sources in biocomposite material production
Yazar: SEVİM ÖZGÜL
Danışman: PROF. DR. GÜNNUR KOÇAR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı / Enerji Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
İklim değişikliği ve çevre sorunlarının artmasıyla birlikte, sürdürülebilir inşaat malzemelerine olan talep artmaktadır. Biyokütle kökenli malzemeler, yenilenebilir kaynaklardan elde edildikleri ve karbon ayak izini azalttıkları için bu talebi karşılayabilecek potansiyele sahiptir. Biyokütlenin dönüşümüyle elde edilen malzemeler, yapı elemanları, yalıtım malzemeleri ve kaplamalar gibi farklı alanlarda kullanılabilir. Bu malzemelerin özellikleri, geleneksel malzemelere benzerlik gösterirken çevre dostu ve sürdürülebilir olmaları, biyokütle malzemelerini çekici bir alternatif haline getirir. Biyokütle malzemelerin kullanımı ayrıca atık yönetimi sorunlarının çözülmesine yardımcı olur ve çevre dostu bir inşaat sektörünün oluşturulmasına katkıda bulunur. Bu tez kapsamında, tarımsal artıklar (pamuk ve çeltik sapları), fungus (Rhizopus oryzae mikroorganizması) ve tekstil atığı (kenevir lifleri) kullanılarak termal, biyolojik ve kimyasal ön işlem uygulanarak fiber destek materyali üretilmiştir. Tez çalışmasının birinci aşaması pamuk ve çeltik saplarından termal dönüşüm ile biyokömür üretimi şeklinde gerçekleştirilmiştir. 550°C-90dk deney koşullarında elde edilen biyokömür, pamuk ve çeltik için sırasıyla %76,22 ve %53,64 şeklinde en yüksek karbon içeriğine sahip olduğundan destek materyali olarak belirlenmiştir. Tez çalışmasının ikinci aşaması katı kültür fermantasyonuyla Rhizopus oryzae fungusundan miselyum üretimi şeklinde gerçekleştirilmiştir. Buğday kepeği ve malt çimi besi ortamında ekimi gerçekleştirilen fungusun en yüksek spor sayımının %100 buğday kepeği ortamında gerçekleştiği belirlenmiştir. Daha sonra buğday kepeği katı ortamında Design Expert 7.0 Central Composite Design deney tasarımı kullanılarak nem (%30-%80), aşı (%10-%30) ve zaman (2 gün-10gün) bağımsız değişkenlerle hazırlanan deney deseniyle denemeler gerçekleştirilmiştir. Fungus üretiminde yapılan optimizasyon sonucunda en yüksek miselyum üretiminin gerçekleştiği programın sunduğu çözüm önerilerinden olan %79,94 nem, %28,01 aşı ve 9,74 gün seçilerek fiber destek materyali üretimi gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasının üçüncü aşaması pektinaz ve ksinalaz enzimatik ön işlemleri uygulanan kenevir liflerine fluorokarbon ön işlemi 80g/1L, pH 5-6 koşullarında uygulanarak kimyasal ön işlem gerçekleştirilmiştir. Tüm destek materyalleri 200µm altına kadar öğütülüp homojen hale getirilmiş ve nemi giderilmiştir. Daha sonrasında çift vidalı ekstrüder kullanılarak fiber/PLA yükleme oranı %4, %5, %8 ve %10 olacak şekilde birleştirilip granül üretilmiştir. Daha sonra granüllerden enjeksiyon baskı yöntemiyle biyokompozit üretimi gerçekleştirilmiştir.
Daha sonrasında, destek materyalleri biyobozunur Polilaktik asit (PLA) polimeriyle ağırlıkça farklı yükleme oranlarıyla (%4, %5, %8, %10) çift vidalı ekstrüder vasıtasıyla birleştirilerek granül hale getirilmiştir. Söz konusu granüllerden enjeksiyon baskı ile biyokompozit üretimi gerçekleştirilmiştir. Ürünün malzeme özelliklerinin belirlenmesi amacıyla çeşitli karakterizasyon testleri (Yoğunluk testi, Mekanik testler, XPS analizi, Termogravimetrik analiz, DSC analizi, HDT-Vicat analizi, Termal İletkenlik ve SEM analizi) yapılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde %5Fungus/PLA ve %5Kenevir/PLA biyokompozitlerinin termal iletkenlikleri sırasıyla 0,038 W/mK ve 0,052 W/mK olup mevcut yalıtım malzemeleriyle rekabet etme potansiyeline sahiptir. Böylece, biyokütle kaynaklarından elde edilen malzemelerin yapı sektöründe alternatif malzeme olarak kullanılması, sürdürülebilirlik ve çevre sorunlarının çözümü noktasında katkıda bulunabilecektir. Gelecekte, biyokütle malzemelerin kullanımının daha da artmasıyla birlikte, yapı sektörünün daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir yol izlemesi mümkün olabilecektir.

Abstract:
With the increasing impact of climate change and environmental issues, there is a growing demand for sustainable construction materials. Biomass-based materials, derived from renewable sources and with reduced carbon footprint, have the potential to meet this demand. Materials obtained through the conversion of biomass can be used in various applications in the construction sector, such as structural elements, insulation materials, and coatings. These materials exhibit properties similar to traditional materials while being environmentally friendly and sustainable, making biomass materials an attractive alternative. The use of biomass materials also contributes to solving waste management issues and promotes the development of an environmentally friendly construction sector. In this thesis, agricultural residues (cotton and rice stalk), fungus (Rhizopus oryzae microorganism), and textile waste (hemp fibers) were used to produce fiber reinforcement materials through thermal, biological, and chemical pretreatment processes. In the first stage, thermal conversion was employed to produce biochar from cotton and rice stalk. Biochar obtained under the conditions of 550°C-90 min exhibited the highest carbon content of 76.22% for cotton and 53.64% for rice stalk, making it suitable as a reinforcement material. The second stage of the thesis involved solid-state fermentation to produce mycelium from Rhizopus oryzae fungus. The highest spore count was observed in a 100% wheat bran medium. Subsequently, optimization experiments were conducted using Design Expert 7.0 Central Composite Design with independent variables of moisture content (30%-80%), inoculum (10%-30%), and time (2 days-10 days) in a wheat bran solid medium. The optimization resulted in the selection of the program with 79.94% moisture, 28.01% inoculum, and 9.74 days, leading to the production of fiber reinforcement material. In the third stage, hemp fibers subjected to enzymatic pretreatments with pectinase and xylanase, followed by fluorocarbon pretreatment at 80 g/1L and pH 5-6, condition chemical pretreatment. All reinforcement materials were ground to a homogeneous state with particle size below 200 µm and dried. Subsequently, the fiber/PLA (Polylactic Acid) composites were produced by blending the granules obtained from combining the reinforcement materials with PLA at different loading ratios of 4%, 5%, 8%, and 10% using a twin-screw extruder. Injection molding was then employed to produce the biocomposites. To determine the material properties of the product, various characterization tests such as density, mechanical tests, XPS analysis, thermogravimetric analysis, DSC analysis, HDT-Vicat analysis, thermal conductivity, and SEM analysis were conducted. The results showed that the thermal conductivity of the 5% fungus/PLA and 5% hemp/PLA biocomposites was 0.038 W/mK and 0.052 W/mK, respectively, indicating their potential to compete with existing insulation materials. Thus, the use of materials derived from biomass sources in the construction sector contributes to sustainability and addresses environmental challenges. In the future, with the increasing use of biomass materials, it will be possible for the building sector to follow a more sustainable and environmentally friendly path.