Tarım Sektörü için Nanoteknolojiye Dayalı Doğa Dostu Yeni Nesil Organik Gübre Örtülerinin Üretimi ve Karakterizasyonu

12 Ekim 2020

Tarım sektöründe polimer kullanım alanlarının birçok farklı sınıflandırması vardır. Film ve sera örtüleri, süper emici polimerler, kontrollü ilaç salım özelliklerine sahip polimerler, metal iyonlarının topraktan ve sudan uzaklaştırılmasında kullanılan polimerler, tarımda kullanılan biyolojik olarak parçalanabilen polimerler, sürtünmeyi azaltıcı etkiye sahip polimerler ana başlıklarda isimlendirilmiştir.

Polimerler, günlük hayatımızda tarımsal üretimin her alanında yer almaktadır. Organik gübre örtüleri, tarımda ekimi ve aralıkları kolaylaştırır. Verimli ve verimli işçilik tasarrufunun tohum çimlenme oranını büyük ölçüde artırır. Yüksek verimli bir örtü oluşturur. Pamuk, soğan, havuç, dulavratotu, karnabahar, ıspanak vb. için uygundur. Bu sıvı gübre takviyeli polikaprolakton (PCL) kompozitler, elektro-eğirme ile yapılmıştır. Kompozit yapının morfolojik (SEM, Taramalı Elektron Mikroskobu) ve mekanik (Çekme Testi) karakterizasyonunu sağlayarak döngü. Elde edilen kompozit malzeme tarıma şifa olan doğa dostu organik gübre örtüsünü gösterebilecektir.

Organik gübre örtüleri, tarımda dikimi ve aralıkları kolaylaştırır. Atık tohum miktarının azaltılması, düzgün ve verimli iş gücü tasarrufunun tohum çimlenme oranını büyük ölçüde artırır. Yüksek verimlilik sağlayan bir örtü özelliği oluşturur. Pamuk, soğan, havuç, dulavratotu, karnabahar, ıspanak vb. için uygundur.

Tohum bandının doğası sebebiyle, yetiştiriciler genellikle ne tür ürün çeşitlerini yetiştirebildikleri açısından çok daha az seçeneğe sahip olabilmektedir. Bunun yanı sıra, tohum bandının satın alma maliyeti, geleneksel tohum paketleri satın alma maliyetinden çok daha fazladır. Tohum bantlarının hazırlanma aşamaları zahmetli ve hazırlayanlar için yorucu olabilmektedir. Elverişli bir tarım uygulamasında bütüncül etki kontrolü sağlanması bu sebeple mümkün olamamaktadır. Şekil 1.1’de günümüzde yer alan tohum bandı hazırlama sorunları gösterilmektedir.

tohum

Şekil 1.1. Günümüzde yer alan tohum bandı hazırlama sorunları

Polikaprolakton (PCL), yarı-kristalin olan ayarlanabilir gözeneklerinin büyüklüğüne, iyi mekanik özelliklere de sahip ve kolay işlenebilir nitelikte olan sentetik bir polimerdir [1]. PCL, hidrofobik bir yapıya sahip olması sebebiyle bozunma süreci çok yavaş şekilde ilerleyen bir polimerdir. Bozunma süresi 1 ile 2 yıl arasında değişebilmektedir. Yavaş bozunması ve fiziksel özelliklerinin de uzun süre korunabilmesi nedeniyle uzun süreçli ilaç salınım sistemlerinde ve vücut içi implantlarda tercih edilen bir polimerdir [2].

Biyouyumlu ve biyobozunur yapıya sahip olan PCL, yara örtücü, ameliyat ipliği, doku iskelesi gibi pek çok medikal alanda sıklıkla kullanılmaktadır. Bunun ile birlikte ilaç salımında ve medikal alanlarında çokça kullanılan PCL; kartilaj, kemik, kardiyovasküler doku, tendon ve sinir benzeri çeşitli dokular için çok uyumlu bir polimerdir [3]. PCL kimyasal yapısı Şekil 1.2’de gösterilmektedir.

Şekil 1.2. PCL kimyasal yapısı [3]

Kompozit iki ya da daha fazla, birbirlerinden kimyasal ve fiziksel olarak ayrı malzemelerin üstün özelliklerinden yararlanılarak bir araya gelerek kapsadığı malzemelerden daha iyi özelliklere sahip yeni bir malzemeyi tanımlamaktadır [4]. Biyomalzeme olarak üretilen kompozitler malzemelerde bileşenlerin daha üstün mekanik ve biyolojik özelliklerinden faydalanılması önemlidir [5].

Elektro-eğirme, esas olarak gerekli olan üç ana parçanın birleşimlerinden oluşmaktadır. Güç kaynağıyla, besleyici kısımlar ve lif toplanmasını sağlayan bir tabakalardan meydana gelmektedir. Bu birleştirme merkezi düz veya silindirik şekillerde, hareketli olan ve hareketsiz olan birleştirici merkezlere sahiptir. Bu işlevlere sahip olan elektro-eğirme cihazı ile çeşitli aralıklardaki polimerik tabanlı nanolif malzeme üretimi yapılabilir. Elektro-eğirme yöntemi ile yüksek voltaj sayesinde çözeltilere sağlanmakta olan elektriksel alan kuvvet ile liflerin ortaya çıkması sağlanır [6].

Nanoteknolojik elektro-eğirme tekniği ile polimer ve sıvı gübre içeren tohum bandı üretimi ile yaşanılan sorunlara çözüm olabilecektir. Elektro-eğirme tekniği ile uygun maliyette kolay bir üretim sağlanarak tarıma şifa kaynağı olabilecek tohum bandı üretilmiştir. Günümüzde kullanılan tohum bantlarınının hazırlanması safhalarında harcanan vakit ve iş gücü kayıpları nanoteknolojik uygulama sayesinde ortadan kaldırılacaktır. Sağlıklı bir tarımın sağlanması, zararlı bakteri ve haşerelerin geçişine engel olan, nefes alabilen doğal ve modern bir banttır. Sağlıklı bir tarım için istenen tohum bandı mevcut tohum bantlarına göre nanoteknoloji sayesinde homojen bir özellik dağılımı sergilediğinden tohum bandının tamamında aynı özellikler nanolifler tarafından gerçekleştirilmektedir.

Bu çalışmada, sıvı gübre takviyeli polikaprolakton (PCL) kompozitleri elektro-eğirme tekniği ile elde edilmiştir. Elde edilen kompozit malzemesi tarıma şifa, doğa dostu bant, organik gübre örtüsü özelliği gösterebilecektir.

2. Materyal ve Metot
2.1. Materyal

80.000 g/mol polikaprolakton (PCL), sıvı gübre, polimeri çözmek için elektro-eğirme ortamında destek malzemesi olarak dimetilformamid (DMF) organik çözücü ve yağlı kâğıt kullanıldı.

2.2. Metot
Kompozit Çözeltilerin Hazırlanması

PCL polimer çözeltisi, ısıtıcılı manyetik karıştırıcı yardımıyla istenen sıcaklığa ve karıştırma hızına göre hazırlanmıştır. Bir beher içine 10 ml PCL çözeltisi alındı ve %1, %5 ve %8 sıvı gübre dört farklı kompozisyon elde edildi. Çözeltiler, Tablo 2.l.’de verilen değerlere tabi tutuldu ve elektro-eğirme yöntemi ile nanofiber üretimi için uygun forma getirildi. Tablo 2.1.’de kompozit çözeltilerin parametre değerleri gösterilmektedir.

Tablo 2.1. Kompozit çözeltilerin hazırlama değerleri

 

Elektro-Eğirme Yöntemiyle Kompozit Üretimi

Hazırlanan %10 PCL, %10 PCL-%1 sıvı gübre, %10 PCL-%5 sıvı gübre ve %10 PCL-%8 sıvı gübre kompozit matları, Tablo 2.2.’deki değerlere göre elektro-eğirme yöntemiyle elde edildi. FYTRONIX Elektro-eğirme cihaz görüntüsü Şekil 2.1.’de verilmiştir. Elektro-eğirme tekniği ile kompozitlerin üretim aşamaları Şekil 2.2.’de gösterilmektedir.

Karakterizasyon Metodu

Yuvalara yerleştirilen nanofiber membranlar Thermoscientific Phenom XL G2 Masaüstü mikroskobu ile incelenmiş ve fotoğrafları çekilmiştir. Kompozit nanofiber membranların SEM analizi için 15 kV potansiyelde x12000 kat büyütülmüş görüntüler incelenmiştir. Nanoliflerin fiber boyutları, elde edilen görüntüler üzerinde cihaz yazılımı ile ortalama 200 nanofiber ölçülerek belirlendi.

Şekil 2.1. FYTRONIX Elektro-eğirme cihaz görüntüsü

 

Kompozit nanofiber membranların mekanik karakterizasyon çalışmaları için 1×4 cm’lik numuneler hazırlanmıştır. Uygun ölçülerde kesilmiş kompozit nanofiber membranların kalınlık ölçümleri için dijital mikrometre (795.1 MEXFL-25, Starrett, ABD) kullanıldı. Elde edilen kalınlık değerleri, mekanik analiz öncesi analiz programına girilmiş ve elastik modülünü belirlemek için kullanılmıştır. Oluşturulan nanoliflerin mekanik özellikleri bir Zwickline (Zwick/Roell Ltd., Almanya) analizörü ile belirlendi. Oda koşullarında çalışmalar yapılmıştır. Örnekler altlık materyalinden ayrılır ve cihaz kıskaçlarına tutturulur. Cihaz 500 N yük altında 5 mm/dak. çekme hızı ve 10 mm çene aralığı ayarlanarak mekanik özellikler belirlendi.

3. Bulgular
3.1. Morfolojik Karakterizasyon

Tüm numunelerde nanofiber oluşumu gözlenmiştir. PCL matlarının ortalama lif çaplarının 150-300 nm aralığında olduğu belirlendi. Sıvı gübre miktarı arttıkça PCL lifleri giderek inceldi. Thermoscientific Phenom XL G2 Masaüstü mikroskop görüntüsü Şekil 3.1.’de gösterilmektedir. Kompozitlerin SEM morfoloji görüntüleri Şekil 3.2., Şekil 3.3., Şekil 3. ve Şekil 3.5.’te verilmiştir.

3.2. Mekanik Karakterizasyon

Mekanik test öncesi yapılan nanofiber kalınlık ölçüm sonuçlarına göre 0.01-0.18 mm aralığında olduğu belirlendi. Test işlemi 10 cm çene aralığında 5 mm/dk sabit çekme hızında gerçekleştirilmiş olup mukavemet değerleri Şekil 3.6.’da gösterilmiştir.

Sıvı gübre miktarı arttıkça, kompozitlerde meydana gelen mukavemet artışı hem yük taşıma kapasitesi yüksek polimerik (PC) matrisin hem farklı madde katkının hem de kompozitdeki homojen dağılımın bir sonucudur [7].

Çalışmanın sonuçları değerlendirildiğinde, kompozit üretimi elektro-eğirme tekniği ile başarıyla gerçekleştirildi. Sıvı gübre miktarının artması ile PCL liflerinin inceldiği ve yüzey alanının arttığı görüldü. Bu durum, kompozitlere uygulanan çekme testleri ile örtüşmektedir. Elde edilen kompozit yapı sayesinde tarım sektöründe tarıma şifalı organik gübre örtü malzemesi özelliği kazandırılacaktır. Çalışmalarımızın devamı olarak; ilaç yüklenebilirlik testleri sağlanarak, ilaç endüstrisinde kullanım olasılığının araştırılması, nanopartikül çalışmaları yapılarak, tarım sektöründeki diğer problemler için ön çalışmalar yapılabilir, Farklı uygulamalarda çalışmaların devamı sağlanacak ve alan uygulanabilirlik belirlenecektir.

Nanofiber membranların malzeme tedariğine ve üretimdeki mekanik özelliklerinin belirlenmesine katkılarından dolayı FYTRONIX firmasına teşekkür ederiz.

Kaynaklar 1. E. Bulus, Fırat Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi, (2017) 2. E. Bulus, Y. M. Sahin, H. Darici, L. T. Sener, International Journal of Scientific and Technological Research, 5 (2019) 148 3. E. Buluş, G. S. Buluş and F. Yakuphanoğlu, Journal of Materials and Electronic Devices, 4(2020) 21 4. N. Yucel, E. Bulus, G. S. Bulus, A. Khan, F. Xhibo, S. Turan, A. Qureshi, J. Kolkar and F. Yakuphanoglu, Journal of Materials and Electronic Devices, 4(2020) 38 5. E. Buluş, G. S. Buluş and F. Yakuphanoğlu, Journal of Materials and Electronic Devices, 4(2020) 32 6. E. Buluş ve G. Sakarya Buluş, Putech&Composites, (2020) 16 7. E. Buluş ve G. Sakarya Buluş, Putech&Composites, (2020) 12

 

Erdi Buluş
Metalurji ve Malzeme Yüksek Mühendisi
Malzeme Teknolojileri Uzmanı
İstanbul Arel Üniversitesi ArelPOTKAM
(Polimer Teknolojiler ve Kompozit Uygulama ve Araştırma Merkezi)

Gülseren Sakarya Buluş
Uzman Hemşire
Silivri İlçe Sağlık Müdürlüğü