Nano kelimesi günümüzde sık sık duymaya başladığımız, hayatımızın içine tıpkı kendisi gibi inceden inceye girmeye başlayan bir kelime oldu. Bilim insanları çalışmışlar çabalamışlar birde bu kelimeye selüloz eklemişler. Bazılarınız belki de şimdiye kadar ikisini bir arada hiç kullanmamış olabilir fakat nanoselüloz kelimesine yakın gelecekte iyice aşına olacağımızı düşünüyoruz. Bu yazımızda nanoselülozun özellikleri, üretim şekli, ticari kullanımları ve uygulama alanları hakkında bilgiler olacaktır.
Nanoselüloz Nedir?
Nanoselüloz yeryüzünde en çok bulunan doğal polimer olan selülozun yeni şeklidir. Mükemmel özelliklere sahip bu yeni biyobazlı nanomateryaller son yıllarda çok dikkat çekmektedir. Selüloz nanomateryaller, nano ölçekte, yani 1 ile 100 nm arasında bir veya daha fazla boyuta sahip olan selüloz bazlı malzemelerdir. Nanoselülozler, nanofibrile selüloz (NFC) ya da mikrofibrile selüloz (MFC), nanokristalin selüloz (NCC), ve bakteriyel nanoselüloz (BNC) olmak üzere üretim kaynakları ve hazırlanma yöntemlerine göre üç kategoride sınıflandırılabilir1. Bununla birlikte, selüloz nanomalzemelerin terminolojisi henüz standartlaştırılmamıştır.
Şekil:Transmission elektron mikroskobuda a)NFC, b)NCC, c)BNC 5
Nanoselüloz Nasıl Üretilir?
Nanoselülozler, ilk dönemlerde selülozun nano boyutta parçalanması için çok yüksek enerji gerektiğinden dolayı ticari olarak kullanılması mümkün olmamıştır. Daha sonra çeşitli kimyasal ön işlemlerin geliştirilmesiyle daha ucuz ve kolay bir şekilde ticari olarak üretilmeye başlanmıştır. CNC ve NFC, nano boyutlu malzemeye selüloz liflerinin parçalanmasıyla üretilir. BC ise düşük moleküler ağırlıklı şekerlerden aerobik bakteriler tarafından biriktirilerek üretilir.
Nanoselüloz Özellikleri
Selüloz nanomalzemeler güçlü malzemeler olarak kabul edilir. Bireysel selüloz nanofibrillerin elastik modülü hammadde ve ölçüm yöntemine bağlı olarak 65 GPa ile 145 GPa arasında değişir 2. Selüloz nanokristallerin elastik modülü 137-150 GPa 3 civarındandır bunun yanında bakteriyel selüloz fibrillerin değeri 78-114 GPa arasında değişmektedir. Bu değerleri alüminyumun değerleri ile karşılaştırırsak, alüminyumun elastik modülü 69 GPa, çeliğin 200 Gpa ve camın 69 GPa ’dır. Yüzeyindeki hidroksil (OH) nedeniyle, selüloz hidrofilik bir malzemedir. Selüloz nanomateryallerinin su adsorpsiyonu ve tutulması yüksek spesifik yüzey alanlarıyla güçlendirilmiştir. Uygulamaya bağlı olarak, su emiciliği pozitif veya negatif bir özellik olabilir4.
Genelde, NFC esaslı malzemeler, NFC’nin daha yüksek en/boy oranı nedeniyle, NCC’ye göre daha üstün mekanik özelliklere sahiptir. Ayrıca NFC’lerin verimi (~ %100), NCC’lerden (~ %50) daha üstündür. CNC’lerin tipik olarak bir kaç nanometre çapı vardır ve uzunlukları 10 ila 500 nm arasında değişir, CNF’ler ise 3–50 nm çapa ve birkaç mikrometre uzunluğuna sahiptir. Aşağıdaki tabloda nanoselüloz türlerinin elde edildiği kaynak, üretim yöntemi ve boyutları hakkında bazı bilgiler mevcuttur.
Tablo: Nanoselüloz türleri5
| Nanoselüloz türü | Literatürde karşılaşılan diğer isimleri | Elde edilen kaynak | Formasyon ve ortalama boyutları |
| NFC | Mikrofibrillenmiş selüloz, selüloz nanofibrilleri, nanofibrillenmiş selüloz, nanofibriler selüloz ve mikrofibriller | Odun, şeker pancarı, patates, kenevir ve keten | Kimyasal veya enzimatik muamele Jetbahis öncesi ve/veya sonrasında odun hamurunun mekanik bir etki sonucu delaminasyonu (parçalanması) Çap:5-60 nm Uzunluk: birkaç μm |
| NCC | Selüloz nanokristalleri, kristalitler, selüloz nanokristalitleri (whisker) ve çubuk benzeri selüloz mikrokristalleri | Odun, pamuk, kenevir, keten, buğday sapı, dut kabuğu, hasır ve bakteri veya yosun bazlı selüloz | Selülozun asit hidrolizi Çap: 5-7 nm Uzunluk: 10-500 nm (bitkisel selüloz) 100 nm-birkaç μm (ve bakteri veya yosun bazlı selüloz) |
| BC | Bakteriyel selüloz, mikrobiyal selüloz ve biyoselüloz | Düşük moleküler şeker ve alkoller | Bakteriyel sentez Çap: 20-100 nm |
Ticari Üretimi
Bir danışmanlık şirketi olan Future Markets Inc.’e göre selüloz nanomalzemelerinin üretimine ilişkin tahminler, aşağıdaki şekilde sunulmuştur. Halı hazırda, üretimin çoğu selüloz nanofibrilleri ve nanokristallerden oluşmakta olup, bakteri selülozunun payı sadece marjinaldir. Bir Kanada araştırma enstitüsü olan FPInnovation, selüloz nanomalzemeler pazarının 2020 yılına kadar Kuzey Amerika’da 250 milyon $ değerinde olacağını tahmin ediyor6.
Kaynak:6
Nanoselüloz Uygulamaları
Nanoselüloz malzemelerin çok çeşitli alanlarda ticari ve henüz ticarileştirilmemiş yüzlerce uygulama alanları vardır. İleride şuanda bilinmeyen birçok uygulama alanın olabileceği tahmin edilmektedir. Aşağıda size belli başlı uygulama anları ve kısa detaylarını bulabilirsiniz.
1. Yüksek mukavemete sahip hafif malzemeler4
Fiber bazlı ambalaj ve kompozitler: Elyaf bazlı ürünlerde, kâğıt ürünlerinde ve çok katmanlı ambalaj malzemelerinde hem ıslak hem de kuru mukavemetin arttırılması için selüloz nanofibrilleri uygulanabilir.
Polimer kompozitler, Güçlü iplikler
Reoloji düzenleyici: Selüloz nanomalzemeler kâğıt yapımı, petrol sondajı, boyalar, gıda, ilaç ve kozmetik gibi uygulamalarda reoloji modifiye ediciler olarak kullanılabilir.
2. Pürüzsüz, şeffaf filmler
Bariyer malzemeleri: Selüloz nanofibril filmlerin mükemmel oksijen ve gres bariyeri olduğu kanıtlanmıştır ve gıda bozulmalarını önlemek için ambalajlarda kullanılabilir. Bununla birlikte, aynı zamanda neme karşı da hassastırlar ve böylece uygulama alanlarını sınırlandırırlar.
Basılı elektronikler için alt tabakalar: Selüloz nanofibrilleri, baskılı elektronikler için alt tabakalarda, dolgu maddeleri ile birlikte veya tek başına kullanılabilir. Ağaç lifleri, selüloz nanofibrilleri ve dolgu malzemelerinden (% 40’a kadar) oluşan dolgu macunlarının yanı sıra % 80 dolgu maddesi ve % 20 oranında CNF içeren pigment kompozitlerin basılı elektronikler için iyi yüzeyler olduğu kanıtlanmıştır.
Elektronik göstergeleri7: Kontrollü ısıl genleşme, mukavemet, şeffaflık ve selüloz nanofibril filmlerin esnekliği ve sertliği arasındaki iyi denge nedeniyle, esnek elektronik göstergeler (OLED), güneş panelleri, elektronik kağıtlar ve sensor paneller gibi, web-formundaki elektronik cihazların mukavemet artırımı için potansiyel malzemelerdir.
Renkli filmler: Selüloz nanokristallerden hazırlanan filmler, görüş açısına bağlı olarak değişen film rengi gibi ilginç optik özelliklere sahiptir. Bu tür filmler, sahteciliği önlemek için pasaport, kredi kartı vb. Gibi optik işaretleyici olarak potansiyel olarak uygulanabilir8.
3. Su emici, istifleme ve serbest bırakma malzemeleri
Tıbbi uygulamalar: Sudaki selüloz nanofibril jelleri, hücreler için iyi bir yetiştirme ortamıdır. 44 Hücrelerin büyümesi için iskeleler, 3D baskı ile % 1-2 selüloz nanofibrilleri içeren hidrojellerden üretilebilir. Bakteriyel selüloz, kıkırdak ve küçük damarların iskelet ve iskelet yapımında olduğu gibi doku implantları için de potansiyel olarak uygulanabilir9.
Hijyen ürünleri: İnce yapılı selüloz sıvıları kontrollü bir şekilde emebilir, tutabilir ve serbest bırakabilir, böylece çocuk bezleri, hijyenik adet pedleri, yara sargıları ve temizlik bezleri gibi çeşitli hijyen ürünleri için uygun bir malzeme haline getirir.
4.Reaktif ağlar
Membranlar: Selüloz nanomateryal filmlerdeki gözenekler nanometre aralığındadır ve bu nedenle bileşenlerin ayrılması için, sentetik zar malzemeleri için bir biyo bazlı alternatif sağlayan kullanılabilir. Örneğin, selüloz nano fibrillerden üretilen membranlar, organik çözücülerin nano filtrasyonu için uygundur10.
Gözenekli yapılar: Doğal elyaflar ve dolgu maddeleri ile birlikte, selüloz nanofibrilleri, örneğin ses yalıtımı, ambalajlama ve hava filtrasyonu için kullanılacak gözenekli yapıların imalatında kullanılabilir11.
Son olarak nanomalzemeler ve özellikler selüloz ve karbon tabanlı nanomalzemeler geleceğimiz için çok büyük önem arz etmektedir. Özellikle gelecekte çelik ve benzeri ham maddelerin yerini alacaktır. Bu nedenle ülkemiz gibi gelişmek ve üretimi artırmak için mücadele eden bir ülke için bu tür malzemeler konusunda yaşanacak yeni gelişmeler hayatı önem taşımaktadır. Bu alanlarda erken yapacağımız çalışmalar ülkemizi ilerde teknoloji üretimi konusunda büyük atılımlar yapmasını sağlayacağı gibi ithalatımızı büyük oranda düşürüp, ihracatımızda artışlar olmasını sağlayacaktır.
[1] Isogai, A., Saito, T. and Fukuzumi, H., 2011. TEMPO-Oxidized Cellulose Nanofibers. Nanoscale, 3,71−85.
[2] Iwamoto, S. K. (2009). Elastic modulus of single cellulose microfibrils from tunicate measured by atomic force microscopy. Biomacromolecules 10, 2571-2576
[3] Sakurada, I. et al (1962). Experimental determination of the elastic modulus of crystalline regions in oriented polymers. J. Polymer Sci. 57, 651
[4] Kangas, H Guide to cellulose nanomaterials – English summary
[5] Klemm, D. K. (2011). Nanocelluloses: A new family of Nature-based Materials. Angew. Chem. Ind. Ed. 50, 5438
[6] Future Markets Inc. The Global Market for Nanocellulose to 2024.
[7] Siro, I. and Plackett, D. (2010). Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review. Cellulose 17 , 459.
[8] Revol, J. et al. (1997). Patentti US5629055; Habibi, Y. et al.(2010) Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications. Chemical reviews 110, 3479;
[9] Svensson, A. N. (2005). Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering of cartilage. Biomaterials 26, 419
[10] Mautner, A. (2014) Nanopapers for organic solvent nanofiltration. Chem. Commun. 50, 5778.
[11] Pöhler, T. et al. (2013) New high volume fibre products by foam forming, European Paper Week, CEPI and EFPRO Open Seminar “New ideas for the paper industry – Young researchers presentations, 27.11, Brussels.
1 Yorum
Yazı çok iyi hazırlanmış, oldukça bilgilendirici, emeğinize sağlık!