Yapı Malzemelerinde Nanoselülozun Kullanımı
Nanoselüloz son zamanlarda beton endüstrisinde küresel ısınma ve enerji tüketimi gibi çevresel sorunlara çözüm olarak yaygın ilgi görmeye başlamıştır.
Sürdürülebilirliği, yenilenebilirliği ve dayanıklılık, hafiflik ve ayarlanabilir kendiliğinden montaj gibi benzersiz özellikleri nedeniyle yapı malzemelerinde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bitkiler, hayvanlar ve bakteriler de dâhil olmak üzere çeşitli doğal kaynaklardan elde edilen nanoselüloz, nanofibriller, nanokristaller ve filamentler formundaki çimentolu malzemelerde katkı maddesi olarak kullanılır.
Nanoselülozun özellikleri
Selüloz yeryüzünde en çok bulunan organik polimerdir. Entegre fiziksel, kimyasal (hamurlaştırma ve ağartma gibi) ve mekanik (sonikasyon gibi) işlemler yoluyla nanoselüloza dönüştürülür. Ağırlıklı olarak kristal yapısından dolayı selülozun parçalanması zordur ve oksitleyici maddelere ve alkali çözeltilere karşı güçlü bir direnç gösterir ancak asitler selülozu kolayca glikoz gibi suda çözünebilen şekerlere hidrolize edebilir.
Çeşitli kaynaklardan türetilen nanoselülozlar, düşük yoğunluk ve büyük en-boy oranı gibi benzer özelliklere sahiptir. Nano boyutlu yapıları onlara yüksek mukavemet, yüksek yüzey alanı ve nano dolgu maddesi olarak kullanılmaya uygunluk kazandırır. Hidrofiliklikleri, yüzeylerinde bulunan hidroksil gruplarını değiştirerek kolay kimyasal işlevselleştirmeyi kolaylaştırır ve çeşitli yapı malzemeleriyle kusursuz entegrasyon sağlar.
Yüksek mukavemet, hafiflik ve bol bulunabilirliği nedeniyle nispeten düşük maliyet gibi özellikleriyle nanoselüloz, kompozitlerde tercih edilen bir takviye maddesi olarak öne çıkıyor.
Nanoselülozun sürdürülebilirliği
Kentleşme ihtiyacı, geleneksel çimento ve beton endüstrisinin birincil ham maddeleri olan tatlı su, ince kum ve çakıl gibi doğal kaynakların tükenmesine yol açtı.
Kütle bakımından çimento dünyadaki en büyük yapay üründür. Çimento bazlı yapılardan kaynaklanan karbondioksit emisyonları da küresel ısınmaya önemli ölçüde katkıda bulunuyor. Dünya Yeşil Yapı Konseyi, 2019 Raporu’nda, 2050 yılına kadar karbonsuz bir altyapı hedefiyle, tüm yeni bina altyapılarında 2030 yılına kadar gömülü karbonun %40 azaltılmasını hedefledi. Bu bağlamda nanoselüloz, altyapı inşaatı sektöründe çakıl, kum ve kil gibi doğal kaynakların kullanımını azaltırken, çimentonun olumsuz çevresel etkilerini hafifletmek için bir alternatif olarak ortaya çıkıyor ancak ağaçlar, selülozun birincil kaynağı olmayı sürdürdüğü için ormanlara yönelik tehdit devam ediyor. Bu zorluğun üstesinden, CO2 yakalamanın ek avantajını sunan algler gibi alternatif selüloz kaynakları kullanılarak gelinebilir.
Selüloz ayrıca keten, kenevir, jüt ve kenaf gibi odun dışı bitkilerden de elde edilebilir. Bitki selülozu ekonomik bir yöntem olan tarımsal atıklardan da elde edilebilir.
Nanoselüloz uygulamaları
Bir katkı maddesi olarak nanoselüloz, bir yapı malzemesinin mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirebilir. Bununla birlikte, aşırı miktarda nanoselüloz kendiliğinden topaklaşmasına ve çimentonun mekanik özelliklerinin bozulmasına neden olabileceğinden, bunu başarmak için uygun bir dozaj gereklidir. Bu sorunun üstesinden gelmek için sonikasyon gibi dispersiyon yöntemleri sıklıkla kullanılmaktadır.
Nanoselüloz filamentler yapı malzemelerinin viskozitesini değiştirebilir, böylece gelişmiş akma gerilimi yoluyla stabiliteyi arttırabilir. Ayrıca gözenekleri ve çatlakları azaltarak çimentonun mikro yapısını değiştirebilirler, böylece çimentonun dayanıklılığını arttırabilir. Nanoselülozun çimento kompozitlerine dâhil edilmesi, neme ve dona karşı direnci arttırır, böylece yapının genel dayanıklılığı artar.
Çimentonun hidratasyonu, genel performansını kontrol eden kritik bir kimyasal işlemdir. Selüloz nanofibrilleri, yüksek su/çimento oranına sahip çimento karışımlarının çökelmeden hidratlaşmasını sağlayarak stabilitesini artırabilir.
Alternatif olarak nanoselüloz, suyun içteki kuru çimento parçacıklarına taşınmasını iyileştirdiğinden, düşük su/çimento oranına sahip çimento karışımlarında büzülmeyi önlemek için kullanılabilir ancak bu tür uygulamalar, hassas nanoselüloz dozaj ayarı gerektirir.
Nanoselüloz kristal formdayken su emme katsayısını azaltabilir, harcın ıslatma ve yapışma özelliklerini değiştirebilir. Selüloz nanokristallerinin dozajının belirli bir sınıra kadar arttırılması, yapı malzemesinin kütle yoğunluğunu ve spesifik yoğunluğunu arttırabilir. Bununla birlikte, dozajın daha da arttırılması, nanoselülozun topaklaşması nedeniyle görünür yoğunluğun azalmasına yol açabilir.
Bakteriyel nanoselüloz, bitki selülozundan daha yüksek bir kristallik indeksine, saflığa, gerilme mukavemetine, su emme kapasitesine ve polimerizasyon derecesine sahiptir. Böylece bakteriyel nanoselüloz, çimento kompozitlerinin yapısal mukavemetini ve su emilimini arttırmada daha fazla etkinlik göstermektedir.
Nanoselülozun bir yapı malzemesinin mekanik özellikleri üzerindeki etkisi aynı zamanda malzeme tipine de bağlıdır. Örneğin, nanoselüloz kristalleri kalsiyum alüminat çimentosunun elastikiyetini artırabilir ancak aynı şey Portland çimentosu için gözlenmez.
Nanoselülozun türü, miktarı ve dağılımı ile çimentolu matrisin türü gibi faktörler toplu olarak nihai yapının özelliklerini etkiler.
Son çalışmalar
ACS Sürdürülebilir Kimya ve Mühendislik dergisinde yayımlanan yeni bir çalışma, selüloz nanokristallerinin fiber çimentodaki rolünü araştırdı. Fiber çimentoda katkı maddesi olarak nanoselüloz kristalleri kullanıldı. Kompozit, gelişmiş hidrasyon kinetiği, gelişmiş eğilme mukavemeti ve kayma incelmesi davranışı sergiledi. Yazarlar ayrıca, mekanik mukavemet ve kürlenme süresinden ödün vermeden yapı malzemelerinin karbondan arındırılmasında fiber çimentodaki nanoselülozun güçlendirilmesinin önemli rolünün altını çizdiler.
İnşaat ve Yapı Malzemeleri dergisinde yayımlanan bir başka yeni çalışma, iç mekân Radon-222 gazı yayılımını azaltmak için nanoselüloz ve beton harcı karışımının kullanılmasını önerdi. Tuğlalardan yayılan doğal bir radyoaktif gaz olan Radon-222, insanın solunum sistemine nüfuz edebilir ve akciğer dokularını olumsuz yönde etkileyebilir.
Araştırmacılar, tuğlalara karıştırılmış kenaf ve palm yağı selüloz nanofibrillerinin çeşitli oranlarını araştırdı. Nanoselüloz sıvı dolgu maddesi görevi görerek tuğlaların fiziksel gücünü arttırırken Radon-222 emisyonlarını da azalttı. Bu etki, tuğlalardaki taş, kum ve çimento miktarının azaltılması ve iç gözenekliliğin nano ölçekte iyonize edilmesiyle elde edildi.
İklim değişikliğiyle ilgili artan endişeler, araştırmacıları geleneksel muadillerine kıyasla çevre ve insan sağlığına daha az etkisi olan yeşil malzemeleri, teknolojileri ve ürünleri keşfetmeye teşvik etmektedir. Nanoselüloz “yeşil” bir malzemenin koşullarını karşılıyor olması 21. yüzyılda sürdürülebilir malzemeler için önde gelen bir seçim potansiyelini taşıyor.
