Analiz Raporları

Nanokristal selüloz dünyada son yıllarda giderek artan oranda araştırılan, üretilen, kullanılan bir maddedir. Kompozit, ilaç, kozmetik, kimya, malzeme boya gibi sektörlerde katkı maddesi olarak kullanılabilmektedir. Türkiye’de bol miktarda bulunan linter maddesinden elde edilen Nanolinter® endüstriyel simbiyoz faydasına da haizdir.

Nanokristalin selüloz (NCC), selülozik hammaddenin kısmi hidrolizi ile amorf kısımlarından ayrıştırılması ve kristalin kısımlarının elde edilmesi esasına dayanarak üretilen; onlarca nanometre kristal çapına, birkaç yüz nanometre boyunca da kristal boyutuna sahip bir malzemedir. Aspect ratio, nanokristallerin boy/en oranını ifade eden birimsiz bir sayıdır. Nanokristalin selüloz, üretim kaynağına bağlı olarak değişmekle birlikte, 1-100 değerleri arasında aspect ratio’ya sahiptir. Tablo 1’de görülebileceği üzere hammaddeler nihai ürün üzerine doğrudan etki etmektedir. Kristal boyutları fiberlerin uygulanacağı kompozitlerin mekanik davranışlarını doğrudan etkilemektedir.

Tablo 1. Farklı kaynaklardan elde edilen NCC numunelerinin boy ve en değerlerinin karşılaştırılması

Kaynak	Boy [nm]	En [nm]
Bakteriyel Kaynaklar	100-1000	10-50
	100-1000	5-10 x 30-50
Pamuk	100-150	5-10
	70-170	7
	200-300	8
	255	15
	150-210	5-11
Pamuk Linteri	100-200	10-20
	25-320	6-70
	300-500	15-30
Mikrokristalin Selüloz	35-265	3-48
	250-270	23
	500	10
Rami (Çin Keneviri)	150-250	6-8
	50-150	5-10
Sisal	100-500	3-5
	150-280	3,5-6,5
Tunikat	-	8,8 x 18,2
	1160	16
	500-1000	10
	1000-3000	15-30
	100-1000	15
	1073	28
Valonia	>1000	10-20
Soft Wood	200-200	3-4
	100-150	4-5
Hard Wood	140-150	4-5

Çalışmalarımızda, lignoselülozik bir hammadde olan ve pamuk bitkisinden elde edilen linter ile nanokristalin selüloz üretimi gerçekleşmiştir. Selülozik hammaddelerin sülfürik asit ile muamele edilmesi ile nano boyutta selüloz kristallerinin izole edildiği çalışmamızdan elde edilen kristal boyutları tablo 2’de verilmiştir.

Tablo 2. Farklı kaynaklardan NCC üretimi sonucunda elde edilen numunelerin TEM analizleri üzerinden hesaplanan kristal boyutları

			Linter		Uzun Lifli K. Hamuru		Kısa Lifli K. Hamuru
			Boy [nm]	En [nm]	Boy [nm]	En [nm]	Boy [nm]	En [nm]
			108,43	2,92	94,72	12,16	181,25	31,32
			160,74	2,97	104,41	13,21	193,56	44,44
			174,99	3,11	127,99	16,71	224,99	46,02
			188,75	3,23	173,12	17,23	318,8	54,41
			202,3	3,32	177,74	20,68	364,34	55,55
			205,75	6	188,79	25,07	386,73	66,32
			208,12	6,76	208,74		430,48	66,66
			214,78	7,88	326,1			66,66
			216,91	9,01	447,53			80,88
			232,09	16,33				87,64
			234,77	58,91				88,88
			240,93	61,45				88,88
			240,98	64,69				89,26
			251,91	64,69				111,1
			253,84	67,16
			253,93	71,44
			266,18	75,19
			269,45	75,73
			274,37	77,99
			278,84
Ortalama Değerler			223,903	35,72526	205,46	17,51	300,0214	69,85857
Boy/En Değerleri
En Büyük Boy/En Küçük En			95,49315068		36,80345395		13,74457216
En Küçük Boy/En Büyük En			1,39030645		7,789473684		1,631413141
En Büyük Boy/En Büyük En			3,575330171		17,85121659		3,874707471
En Küçük Boy/En Küçük En			37,13356164		7,789473684		5,787037037
Ortalama Boy/Ortalama En			6,267357612		11,73386636		4,29469745

Tablo 2’de yer alan NCC üretim işlemi sonucunda elde edilen numunelerin TEM analizi sonucunda elde edilen boyut değerleri tablo 1’de yer alan ilgili literatüre ait boyut değerleri ile karşılaştırıldığında benzerlik gösterdiği ortadadır. Bu sonuçtan hareketle, elde edilen boyut değerlerinin literatürün kabul ettiği değerlere uygunluk gösterdiği görülmüştür.

Tablo 3. Nanokristalin selülozun mekanik özelliklerinin endüstriyel fiberlerle karşılaştırılması

Malzeme	Yoğunluk [g/cm3]	Çekme Dayanımı [GPa]
Kevlar 49 Fiberi	1,1-1,4	3,5
Karbon Fiber	2,5	3,5-4,5
Çelik Tel	7,8	4,1
Karbon Nano Tüp	2,1	11-73
Cam Fiber	2,6	4,8
Nanokristalin Selüloz	1,6	7,5-7,7

Nanokristalin selülozun başlıca kullanım alanı kompozit malzemelerdir. Nanokristalin selüloz, sahip olduğu 145 GPa elastisite modülü ile çelikten daha mukavim, 7,5 GPa çekme dayanımı ile de alüminyumdan daha esnek olmasının yanında düşük yoğunluğa sahip bir malzemedir [1]. Tablo 3’te de görülebileceği üzere nanokristalin selüloz kevlar fiberinin yoğunluğuna yakın olmasına karşın; mekanik mukavemet bakımından kevlar fiberinin 2 katından daha fazla dayanım göstermektedir. Kompozitlerde yaygın kullanılan malzemelere kıyasla hem daha hafif hem de daha mukavim olan nanokristalin selüloz, rekabet ettiği karbon nano tüpe göre hem daha hafif hem de yenilenebilir bir malzemedir.

Tablo 4. Nanokristalin selüloz katkılı kompozitlerin mekanik davranışlarının karşılaştırılması

Matris	NCC Kaynağı ve Boyutları [Çap, Boy [nm]]	%NCC [Ağırlıkça %]	Elastisite Modülü Artışı [%]	Çekme Dayanımında Artış [%]	Kopma Uzamasındaki Artış [%]
Polietilen oksit	Bakteriyel [11, 420]	0-0,4	139,9	72,3	-233,3
Poliakrilik asit	Pamuk	0-20	7633,9	5658,6	-99,9
Polietilen oksit	MCC [10, 112]	0-20	392,1	240,8	-37,5
	Pamuk [5-10, 40-100]	0-20	190,5	377,5	-33,5
	Tunikat [20, 2000]	0-15	98,8	-	-
Polivinil alkol	Rami [3-10, 100-250]	0-15	270,9	-	-
Polikaprolakton	Rami [3-10, 100-250]	0-7,5	64,3	37,2	49,0
Polistiren	Kağıt [10-20, 200]	0-9	60	-	-
Polimetil metakrilat	Bakteriyel [15-20, 300-8μm]	0-20	-	-	-
	Odun [17, 190-660]	0-41	17	30,2	-1,4
Polilaktik asit	MCC [92, 124]	0-10	37	30,2	-1,4
EVOH	Bakteriyel [30 nm çap]	0-8	-	-	-
Polilaktik asit	Pamuk	0-12,5	-	161,9	-
İpek	Ağaç Kabuğu [25-40, 400-500]	0-4	300,3	208,0	-55,6

Tablo 4’te pamuk, rami, MCC gibi farklı kaynaklardan üretilen NCC’nin polietilen oksit, poliakrilik asit ve polivinil alkol gibi farklı matris malzemesine farklı oranlarda ilave edilmesi ile elde edilen mukavemet artışı gözlenmektedir. İlgili tabloda da görülebileceği üzere NCC ilave edildiği malzemeye üstün mekanik özellikler kazandırmaktadır.

Nanokristalin selüloz sahip olduğu mekanik özellikler nedeni ile kompozit malzemelerde kullanılmasının yanında; biyouyumlu, biyoçözünür ve modifikasyona uygun yapısı ile kağıt, boya, inşaat, uzay ve havacılık malzemeleri, gıda ve ilaç katkıları gibi bir çok farklı endüstride ileri teknolojik malzemelerde kendine kullanım alanı bulmakta ve kullanım alanını genişletmektedir.

1

1. Peresin, M.S., A mini-review on properties of nanocrystalline cellulose and its potential applications. Revista Investigaciones Aplicadas, 2013. 7(2): p. 58-73.
2. Habibi, Y., L.A. Lucia, and O.J. Rojas, Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications. Chemical reviews, 2010. 110(6): p. 3479-3500.
3. Zhou, C. and Q. Wu, Recent development in applications of cellulose nanocrystals for advanced polymer-based nanocomposites by novel fabrication strategies. 2012: INTECH Open Access Publisher.

1