Doğal atıkların selüloz kaynağı olarak değerlendirilmesi ve uygulama alanlarının geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmada, çeşitli lignoselülozik atıklardan selüloz ve biyoplastik (film ve aerojel) üretim potansiyeli araştırılmıştır. Maydanoz sapı, ananas yaprağı, ceviz kabuğu ve kenevir lifi gibi kaynaklardan selüloz ekstrakte edilmiş ve kimyasal bileşimleri analiz edilmiştir. En yüksek selüloz içeriğine sahip olan kenevir lifi, selüloz nanokristali (CNC) üretimi için seçilmiş ve CNC’ler AFM, DLS, zeta potansiyeli, XRD, XPS ve iletkenlik titrasyonu ile karakterize edilmiştir. İkinci aşamada, ekstraksiyon işlemi uygulanmaksızın trifloroasetik asit (TFA) ve saf su kullanılarak biyoplastik filmler üretilmiştir. Çözücü ve katkı (PVA) etkileri, Sinkrotron FTIR Mikrospektroskopisi (SR-μFTIR) ile incelenmiş, selüloz, hemiselüloz ve lignin gibi doğal bileşenlerin film matrisine başarıyla aktarıldığı gösterilmiştir. Ancak su bazlı filmler düşük çekme dayanımı sergilemiştir. Bu nedenle, kenevir bazlı matrislere %1–15 oranlarında CNC eklenmiştir. CNC oranı, SAM morfoloji sonuçlarına göre optimize edilmiştir. %10 ve %15 CNC katkıları sırasıyla %161 ve %150 oranında dayanım artışı sağlamıştır (20,77 MPa’dan 54,15 ± 1,05 ve 51,87 ± 1,26 MPa’a). %10 CNC katkısı, toksik TFA bazlı filmlerden %6 daha yüksek dayanım göstermiştir ancak uzama değerinde belirgin düşüş gözlenmiştir. Optik analizlerde CNC içeriğiyle birlikte polarizasyon değişimleri izlenmiş, termal özelliklerde kısmi iyileşme kaydedilmiştir. Son aşamada, selüloz türevlerinden CMC-kil katkılı (Laponit, Kaolin, Halloysit) aerojeller üretilmiştir. En yüksek mekanik dayanım CMC: L5 (328,245 Pa), CMC: K5 (40,891 Pa) ve CMC:H5 (33,323 Pa) örneklerinde elde edilmiştir. En iyi ısı yalıtımı performansı ise CMC-K3 örneğinde gözlenmiş, kil katkılarının ısıl bariyer etkisi sağladığı sonucuna varılmıştır.

In this study, the potential for cellulose extraction and bioplastic (film and aerogel) production from various lignocellulosic wastes was investigated. Cellulose was extracted from parsley stems, pineapple leaves, walnut shells, and hemp fibers, and their chemical compositions were analyzed. Hemp fiber, with the highest cellulose content, was selected for cellulose nanocrystal (CNC) production. The CNCs were successfully synthesized and characterized using AFM, DLS, zeta potential analysis, XRD, XPS, and conductometric titration. In the second stage, bioplastic films were prepared using trifluoroacetic acid (TFA) and distilled water without prior extraction. The effects of solvents and additives (e.g., PVA) on the film structure were investigated using Synchrotron FTIR Microspectroscopy (SR- μFTIR), confirming the incorporation of natural components (cellulose, hemicellulose, lignin). However, water-based films exhibited low tensile strength. To enhance strength, CNCs were added to hemp-based matrices at 1–15%. Based on Scanning Acoustic Microscopy (SAM), 10% and 15% CNC additions increased tensile strength by 161% and 150%, respectively (from 20.77 MPa to 54.15 ± 1.05 and 51.87 ± 1.26 MPa). The 10% CNC formulation outperformed TFA-based films by 6%, though elongation decreased significantly. Optical analyses showed changes in polarization with increasing CNC content, and thermal analysis indicated partial improvements. Finally, cellulose-derived aerogels were produced using CMC and clays (Laponit, Kaolin, Halloysit). The highest mechanical strength was obtained in CMC: L5 (328.245 Pa), CMC: K5 (40.891 Pa), and CMC:H5 (33.323 Pa). CMC-K3 exhibited the best insulation performance. These findings suggest that clay additives act as effective thermal barriers, and insulation properties can be optimized based on clay type.