ABOUT NATURAL FIBER COMPOSITES

The following is a translation of the article "Overview of Natural Fiber Composites" published in the September-October 2020 issue (No. 136) of JEC Composites Magazine.

“Global doğal elyaflı kompozitler pazarının büyüklüğü 2016’da 4,46 milyar ABD Dolarına ulaştı. 2016-2024 döneminde ise %11,8’lik yıllık bileşik büyüme oranı bekleniyor. Otomotiv sektöründe hafif ürünlere giderek artan talebin yanında çevre dostu ürünler konusundaki bilinçlenme de pazarın büyümesine hız kazandıran temel trendler arasında. Ancak bu malzemelerin neme karşı hassas oluşu bu büyümeyi yavaşlatıcı bir etki yapıyor.

Natural fibers are bio-based materials produced from materials such as wood, cotton, linen, kenaf, and hemp. All these materials stand out for being less harmful to the environment and easy to produce. The raw materials used in the production of natural fiber composites are not only environmentally friendly but also noteworthy for their potential to replace synthetic fibers in the coming years.

Increased awareness and preference for eco-friendly products, along with increased consumer savings and growing acceptance of recyclable goods, are key developments driving the growth of this market.

Properties of Natural Fiber Composites

Doğal elyaflı kompozitler (NFC) aynı ağırlıktaki cam elyafına kıyasla %25 ila 30 daha güçlü olmalarıyla öne çıkıyor. Doğal elyaftan üretilen kompozit malzemeler parça ağırlığını azaltmaya ve böylelikle de toplam enerji tüketimini kısmaya yardımcı oluyor. Bunun yanında NFC’lerin kalıplama sürecinde de cam elyafının kalıplanmasına kıyasla daha az enerji tüketiliyor. Bu da üretim maliyetlerini %10 kadar azaltmayı mümkün kılıyor.

However, the moisture sensitivity of these materials and the weak bonds they form with polymer matrices are the main obstacles to growth in this field. Because these materials swell as their fibers absorb moisture, their use in the automotive sector is limited to the interiors of cars.

Predictions regarding raw materials.

NFC’lerde kullanılan başlıca ham maddeler arasında ağaç, pamuk, keten, kenaf ve kenevir yer alıyor. 2015’te toplam gelirlerin %59,3’ünü getiren ağaç, pazarın hâkim malzemesi konumunda. Bu trendin 2024’e kadar devam etmesi öngörülüyor. Ağacın avantajları arasındaki sağlamlık ve dayanıklılık da bu malzemenin önümüzdeki yıllarda kullanımına hız kazandıracak faktörler arasında sayılıyor.

Keten de yaygın olarak kullanılan bir diğer malzeme. 2015’teki pazar payı %13’tü. Keten, karbondioksit salınımına katkı yapmaması, titreşimleri azaltıcı niteliği ve karbon elyafına kıyasla daha yenilenebilir oluşuyla dikkat çekiyor. Ketenin avantajları arasında yüksek gerilim mukavemeti, ultraviyole ışınları engelleyebilmesi, titreşim emici niteliği ve su tutma kapasitesi sayılabilir. Bu özellikleri sayesinde sektörde en yaygın biçimde kullanılan ham maddeler arasında yer alıyor.

Pamuk da tohumdan elde edilen elyaflar kategorisinde yer alıyor. Bu tür elyaflara dünyanın dört bir yanında tekstil ürünlerinde sıklıkla rastlanıyor. Nem emici özellikleri bir yandan avantaj sağlarken bir yandan da pamuğu diğer doğal elyaflara kıyasla daha dayanıksız bir malzeme yapıyor. Kuru ağırlığının %20’sine varan oranda nemi emebilmesi dikkat çekici. Pazarın bu segmentinin tekstil ve spor malzemeleri sektörlerindeki büyümeyle artarak genişlemesi bekleniyor.

Kenaf is also a material increasingly used in various sectors such as construction, petrochemical absorbents, food packaging, and automotive. It stands out for being highly sustainable and fully recyclable. The increasing demand for biodegradable products is likely to play a key role in accelerating growth in this market.

Hemp-based composite materials appear to have the potential to replace glass fiber in many areas. Their biodegradable properties are another advantage. The increasing demand for environmentally friendly and renewable materials in the automotive and construction sectors is expected to drive growth in these segments.

Matrix-related predictions

Matris pazarı; inorganik bileşikler, tabii polimerler ve sentetik polimerler gibi alt segmentlere ayrılmış durumda. Tabii polimer matrislerin öngörülebilir gelecekte en hızlı büyümeyi sergilemesi bekleniyor. Değişen yaşam tarzı ve yeşil trendler nedeniyle sürdürülebilir ürünlere olan talepteki artışın bu segmentlerdeki büyümeyi daha da hızlandıracağı öngörülüyor. İnorganik bileşikler piyasadaki en etkili matrisler arasında yer alıyor. Bunlar genellikle ağaçtan yapılma elyaflara uygulanıyor. İnorganik bileşiklerin 2015’teki pazar payı %43,4’tü. Önümüzdeki yıllarda da bu seviyelerin görülmesi bekleniyor. İnorganik bir matrisle birlikte uygulanan ağaçtan yapılan elyaflar daha yüksek sertlik, çatlamaya karşı dayanıklılık ve bunların sonucunda kompozit malzemenin çekme mukavemetinde artış gibi avantajlar sunuyor.

Doğal polimerler arasında nişasta ve kauçuk ilk akla gelenleri. Sentetik polimer deyince de PLA ve PHB (polihidroksi bütirat) gibi malzemeler akla geliyor. Yenilenebilir ve kolay bozunabilen ürünlere olan talepteki artışın önümüzdeki yıllarda piyasayı daha da canlandırması öngörülüyor. Bu segment 2015’te pazarın %25,1’ini oluşturmuş durumda.

Synthetic polymers such as thermoplastics and thermosets are being considered as matrix components in applications where wood fiber is used. This segment is likely to become the second largest market share in the coming years.

Technology predictions

In terms of technologies, the natural fiber composite materials market consists of sub-segments such as injection molding, compression molding, and pultrusion. In injection molding, low molecular weight polymers are used to maintain low viscosity levels. These processes are generally used in the production of large-volume parts. The increasing demand for large-volume production from end-user industries is expected to contribute to the growth of this segment.

Enjeksiyon kalıplamanın toplam gelirlerdeki payı 2015 itibarıyla %10’a ulaşmış bulunuyor. Bu yüksek hacimli, yüksek basınçlı kapalı kalıplama teknolojisi kompozit ürünlerin geliştirilmesinde sıklıkla kullanılıyor. Bu süreci iki adım takip ediyor: ön ısıtma ve basınç uygulaması.

Pressure molding is another high-pressure, high-volume molding technology used to produce robust and complex materials for the automotive, transportation, home appliance, and other high-volume segments.

Pultrusion is widely used in the production of various products for sectors such as rail transport, aerospace, boats and marine, sporting goods, wind turbine blades, storage, and transportation of corrosive liquids. Demand for lightweight, maintenance-free products that are also corrosion-resistant and suitable for electrical insulation is expected to support growth in this segment.

Predictions for applications

NFC materials are commonly used in the automotive and construction industries to produce products such as door panels, seat backs, dashboards, linings, headliners, trims, railings, windows, and frames. Electronics and sports products are also among the promising segments of the market. Many products, such as phone and laptop cases, tennis rackets, bicycle frames, and skis, are also manufactured from natural fiber composite materials.

Bio-composite materials reinforced with natural fibers can produce lightweight parts with strong mechanical properties in the automotive sector, leading to fuel savings and CO2 reduction.₂ emisyonlarını kısmaya yardımcı oluyor. Bu malzemeler sayesinde otomobil üretiminde ağırlık %30 oranında, maliyetlerse %20 oranında aşağı çekilebiliyor. Bu segmentin 2015’te gelirlerdeki payı %30’un üzerindeydi.

Otomotiv sektöründe kullanılan NFC’ler ağaç elyaflarının yanı sıra keten, kenevir ve selüloz gibi cam elyaf alternatifleri de kullanılarak üretiliyor. Bu süreçler sonucunda ortaya çıkan ürünlerse modern materyallere göre daha hafif oluyor. Üretim süreçlerinde bu malzemelerin kullanımı maliyetlerde yaklaşık %20’lik bir düşüş sağlayabilmekte. Doğal elyaflar halihazırda yapı malzemesi olarak kullanılan sentetik ve metalik elyaflara kıyasla daha düşük maliyetli ve sürdürülebilir bir alternatif sunuyor. Bazı durumlarda çarpma dayanıklılığı, bükülgenlik ve çatlama dayanıklılığı gibi mekanik özellikleri cam elyafına kıyasla daha avantajlı olabilmektedir. Yapı segmenti 2015’te pazarın toplam hacminin %56’sını oluşturmuştur.

Predictions regarding the regions

The rapid increase in demand for flax-based NFCs, coupled with the growing popularity of these materials and the explosion in demand for consumer products, is expected to accelerate the growth in the North American market. In the automotive industry in the region, the NAFILEAN process has highlighted sustainable designs, particularly for the center console, instrument panel, and door panels.

Bir yandan da Avrupalı otomobil üreticileri de kapı içi döşemeler, taban döşemeleri ve torpidolarda kullanım için tabii polimer matrisler geliştiriyorlar. Avrupa 2015’te pazarın %25,1’ini tek başına teşkil ediyordu. Dünyanın en büyük otomobil üreticilerinden biri olan Almanya aynı zamanda Avrupa’nın en büyük kenevir ithalatçıları arasında da yer alıyor. Otomotiv endüstrisinin yakıt ekonomisini artırma çabaları çerçevesinde biyo-bozunur ve hafif ürünlere artan talebinin bu ülkedeki pazarın daha da büyümesini sağlayacağı tahmin ediliyor. Asya-Pasifik bölgesinde önümüzdeki yıllarda artan gelir seviyesi ve yaşam standardının da sayesinde spor malzemeleri, elektronik ürünleri ve otomotiv endüstrisi alanında ciddi artış beklentisi hâkim. Asya-Pasifik bölgesinde Çin belirleyici konumunu koruyor ve bu trendin önümüzdeki dönemde de devam etmesi bekleniyor.”

Source: Issue 136, September – October 2020 / JEC COMPOSITES MAGAZINE