MAKALELER / POLİLAKTİK ASİT VE ÖZELLİKLERİ - Hammaddeler ansiklopedisi
Poli(laktik asit)
Yinelenen birimleri laktik asit’ten oluşan poli(laktik asit) (PLA), alifatik poliesterler grubuna giren bir polimerdir. En önemli özelliklerinden biri, mısır, şeker kamışı, ve buğday gibi nişasta zengini bitkisel kaynaklardan üretilen biyo-çözünür ve gübrelenebilir (compostable) bir termoplastik polimer olmasıdır. Biyolojik olarak emilebilen bir polimer olduğu için kullanımı uzun süre sadece biyo-medikal alanıyla kısıtlı kalmıştır. Ancak, son 10 yıl içinde insanların çevreye karşı duyarlılığının artmasıyla ve PLA’nın yeni özelliklerinin bulunmasıyla, PLA üzerine yapılan araştırmalar hız kazanmış, ve yüksek molekül ağırlıklı PLA üretimi için daha ekonomik sentez yollarının bulunmasını sağlamıştır. Böylece, poli(laktik asit)’in kullanım alanları genişlemeye başlamış, paketleme endüstrisinden genel tüketici ürünlerine kadar geniş bir alana yayılmaya başlamıştır.
Polilaktik asidin yenilenen birimi olan laktik asit, kiral yapısı sayesinde üç farklı formda olabilir: D-enantiyomer, L-enantiyomer, ve mezo-izomeri. Meso-laktid izomeri monomerin üretildiği çözeltiden kolayca çıkarılabilir ve geriye sadece D- ve L-izomerleri kalır. Ancak ticari PLA’nın omurgasında mezo-izomeri genellikle bulunur çünkü bu izomer PLA’nın proses edilişini kolaylaştırır. Polimer zincirinin omurgasındaki D- ve L-enantiyomerlerinin oranı, PLA polimerine farklı özellikler veren önemli bir etmendir. Bu özelliği sayesinde PLA’yı farklı fiziksel özelliklerde üretmek ve istenilen performans değerini elde etmek mümkündür.
Polilaktik asidi oluşturan laktid monomer, karbonhidrat fermentasyonu ya da kimyasal sentez yollarıyla üretilebilir. Günümüzde üretilen laktik asitlerin birçoğu, farklı fermentasyon yöntemleri kullanılsa da genel olarak fermentasyon yoluyla üretilmektedir. PLA polimeri ise azeotropik dehidratif kondenzasyon, doğrudan kondenzasyon ya da laktid polimerizasyonu gibi yöntemlerde sentezlenebilir. Ancak endüstride sıklıkla kullanılan sentez halka açılma polimerizasyonu mekanizmasıyla gerçekleşir. Bu yöntem ile yüksek molekül ağırlığına sahip PLA elde edilir. Son yıllarda yeni sentez mekanizmaları da ticari hayatta yerini bulmuştur.
Ticari PLA doğrusal bir homopolimer olmaktan çok, poli(L-laktik asit) (PLLA) ve poli(D-laktik asit)ten (PDLA) oluşan bir kopolimerdir. Bazı uygulamalarda ıse D- ve L- izomerlerinden sentezlenen homopolimerin karışımı (blend) da kullanılır. PLA’nın yenilenebilir kaynaklardan üretilen kısmını L-izomerini oluşturur çünkü doğadan gelen biyolojik kaynaklardan elde edilen laktik asit, L-laktik asit formunda bulunur. Polimer omurgası çoğunlukla L-laktid monomerini ve meso-laktid monomerini içerir.
PLA’nın içinde bulunan L- ve D-enantiyomerlerinin oranına göre polimer 3 farklı yapıda kristalleşebilir: α-yapısı, β-yapısı, ve γ-yapısı. α-yapısı’nda bulunan PLA kristalleri daha kararlıdır ve erime noktası 185°C civarındadır. β-yapısında bulunan PLA kristallerinin erime noktası ise 175°C’dir. Stereokimyasal olarak saf olan PLA’nın, yani sadece L- ya da D-izomerinden, eklenecek D-izomerinin de oranına bağlı olarak, erime noktasını 50°C kadar aşağıya çekebilir. PLA’nın erime noktasının mezo-izomerinin oranına bağlı olarak değişimi polimerin ticari üretiminde çok önemlidir. Çünkü, daha önce de kısaca belirttiğimiz gibi, erime noktası düşen PLA’nın üretim sıcaklığı da azalacağı için, proses penceresi genişleyecek, sıcaklığa bağlı bozunması ve hidrolitik bozunması da azalacaktır. L-enantiyomerinden oluşan PLLA polimeri %37 civarında kristal yapıya sahiptir ve daha çok β-yapısında bulunan zincirler 173-178°C arasında erime sıcaklığı gösterirler. Ayrıca, PLLA’nın camsı geçiş sıcaklığı (Tg) ise 50 ile 80°C arasındadır. PLA zincirindeki L-izomerinin oranı azaldıkça Tg değeri de azalma eğilimi gösterir.
Bütün termoplastik polimerlerde olduğu gibi PLA’nın fiziksel özellikleri de katı hal morfolojisine ve kristalliğine bağlıdır. Polimere uygulanan ısıl işlemlere,polimerin stereo-kimyasına ve polimerin molekül ağırlığına göre PLA tamamen amorf olabileceği gibi kristal bir yapıya da sahip olabilir. PLA’nın içinde bulunan D-izomerenin oranı %8′den fazla olursa polimer amorf durumda kalmayı tercih ederken; bu oran %1.5 seviyelerine indiğinde PLA kristalleşme eğilimi gösterir. Bu da L- ve D- izomerlerinin polimer zincirindeki oranlarının ne kadar önemli olduğunu bir kez daha gösterir. Enantiyomerlerin polimer zincirindeki oranı sadece kristalliği değil, kristalleşme süresini de etkiler. Hal değişimleri etkileyen bu faktörler ticari üretimde önemlidir, çünkü PLA kullanılarak tasarlanan ürünün proses edilme süresini, ve üretim hattı verimliliğini etkiler.
PLA’nın kristal halde üretimi her uygulama için tercih edilmeyebilir. Mesela, şişe üretiminde şeffaflık* tercih edilirken, ısıl dayanımın yüksek olması istenen parçalarda ise kristal yapıya ihtiyaç duyulur. Diğer termosetlerde olduğu gibi üretim esnasında elde edilemeyen kristalliği daha sonra tetiklemek de mümkündür. Camsı geçiş sıcaklığının üstünde bir sıcaklıkta tavlanan (anneal) PLA kristalleşmeye başlayabilir. Bunun haricinde katkı maddeleri kullanarak ve mekanik uzama uygulayarak da kristal yapı elde edilebilir.
PLA polimerinin zincir yapısına ek olarak, PLLA ile PDLA polimer karışımları da piyasada sıkça görülür. PLLA ve PDLA polimerlerinin fiziksel karışımı çok düzenli stereo-kompleksler oluşturarak erime noktasını ve polimer karışımının kristalliğini arttırır. Isıl eğilme sıcaklığı da bu etkileşimden olumlu etkilenir ve 60°C’den 190°C’ye kadar artış gösterebilir.
PLA polimerini mekanik olarak incelediğimiz zaman, zincir yapısı yönlendirilmemiş (unoriented) PLA oldukça kırılgan olur ancak iyi mukavemete ve sertliğe sahiptir. Zincir yapısı yönlendirilmiş (oriented) PLA ise yönlendirilmiş polistirenden daha yüksek performans sergilerken, PET’e yakın değerlere ulaşır. PLA’nın çekme ve bükülme modülüsü yüksek yoğunluklu polietilenden, polipropilenden ve polistirenden daha büyüktür. Fakat, Izod darbe dayanımı ve uzama kopma değerleri petrol bazlı bu polimerlerden düşüktür. Bu da polilaktik asidin düşük tokluğa ve haliyle düşük darbe dayanımına sahip olmasına sebep olur. Genel olarak baktığımızda, biyo-bazlı polilaktik asit, petrol bazlı termoplastik polimerlerin yerini alabilecek mekanik ve gaz geçirgenliği özelliklerine sahiptir.
Polilaktik asidin optik, mekanik ve gaz geçirgenliği özellikleri, bazı petrol bazlı polimerlerin sunduğu özelliklerden karşılaştırılabilir derecede iyidir. Mesela, PLA’nın karbondiyoksit, oksijen, azot, ve su geçirgenliği polistirenden düşük, fakat poli(etilen teraftalat)tan (PET) yüksektir. Bunun yanında, PLA’nın etil asetat gibi organik geçirgenlere karşı bariyer özelliği PET’inkine de çok yakındır.
Günümüzde, polilaktik asitten ürün imalatının temeli eriyik halde yapılan prosese dayanır. Bu üretim şeklinde, öncelikle PLA polimeri erime noktasının üstünde bir sıcaklığa kadar ısıtılarak eritilir ve istenilen şekil verilir (ör. kalıplanarak). Daha sonra polimer soğutulmaya başlanır ve polimere verilen geometri soğumayla beraber sabitlenir. Enjeksiyon kalıplama yöntemiyle hazırlanan ürünlere örnek olarak, tek kullanımlık çatal-bıçaklar, bardaklar, tabaklar, şişeler, filmler, ve tekstil ürünleri için hazırlanan eriyik halden çekilen elyaflar verilebilir. Her ne kadar standard teçhizatlar kullanarak PLA bazlı ürünler üretilse de, kullanılan proses ekipmanları, PLA’nın yapısına, stereo-kimyasına ve malzeme özelliklerine uygun olarak geliştirilmelidir.
PLA bazlı ürünler enjeksiyon kalıplama, thermoform, baskı kalıplama, ekstrüzyon, ve hava üflemeli döküm (blow mold) gibi birçok teknikle üretilebilir. Kullanılan teknik genellikle üretilen parçanın kullanım alanına bağlı olduğu için, prosesteki PLA’nın D- ve L-izomerlerinin oranı ciddi önem taşır. PLA kullanılarak üretilen tüketici ürünlerine örnek olarak; giyim eşyalarını, çatal-bıçak-tabak-tepsi-bardak gibi mutfak eşyalarını ve yiyecek paketleme malzemelerini sayabiliriz. Medikal malzeme olarak da kullanılan PLA’yı bebek bezi, bayan hijyen ürünleri, medikal dikiş ipliği, stent ve ilaçların seçici taşınması (drug delivery) gibi uygulamalarda görebiliriz.
Bir kez daha hatırlatmak gerekir ki PLA’nın diğer termoplastiklere ek olarak sunduğu en önemli özellik tabii ki yenilenebilir kaynaklardan üretilmesi ve biyo-çözünür olmasıdır. PLA günümüzde çok ciddi boyutlara ulaşan katı atık sorununa katkıda bulunabilecek ve petrol bazlı polimerlere olan ihtiyacı azaltabilecek malzemelerin başında sayılıyor. Özellikle paketleme endüstrisindeki kullanımının yaygınlaşması ile çevreye pozitif etkilerinin olacağı düşünülüyor.
ETİKETLER : POLİLAKTİK(PLA) KİMYASAL VE FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ,POLİLAKTİK(PLA ) MSDS,POLİLAKTİK(PLA) KİMYASAL FORMÜLÜ,POLİLAKTİK VE KULLANILDIĞI ALANLAR,POLİLAKTİK VE KULLANIMI,POLİLAKTİK(PLA) ÜRETİMİ.
HAMMADDELER ANSİKLOPEDİSİ
