Geri Dön

Crafting wooden-framed bioplastic composite panels through a diy materials design approach

Kendin-yap malzeme tasarımı yaklaşımıyla ahşap çerçeveli biyoplastik kompozit panellerin üretimi

  1. Tez No: 909009
  2. Yazar: DENİZ TÜMERDEM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LEMAN FİGEN GÜL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mimarlık, Architecture
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilişim Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mimari Tasarımda Bilişim Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 416

Özet

Petrokimyasal bazlı plastiklerin çevreye olan olumsuz etkilerinden dolayı son yıllarda biyo-bazlı malzemelere olan ilgi gittikçe artmaktadır. Dolayısıyla, geleneksel plastiklere alternatif olarak doğada çözünebilen ve biyokütleden üretilen biyoplastikler, döngüsel ekonomiye geçişin hedeflendiği sürdürülebilir bir gelecek için önem teşkil etmektedir. Ambalajlama gibi çok sayıda tek kullanımlık plastiğin üretildiği sektörlerin çevre kirliliğine etkisinin aciliyeti nedeniyle, biyoplastik çalışmalar bu alana yoğun olarak odaklanmaktadır. Yapı endüstrisinde ise, biyopolimerler yapı malzemeleri içeriklerinde jelleştirici, seyreltici, emülgatör, vizkozite artırıcı gibi katkı maddeleri olarak kullanılmaktadır. Biyopolimerin katkı maddesi değil, plastik üretiminde ana malzeme olarak kullanılarak üretilen biyoplastik yapı malzemesi, elemanı veya bileşeni üretiminde kullanımı ise oldukça yeni ve güncel bir araştırma konusudur. Biyoplastiklerin, mimari ve tasarımda sentetik plastiklerin kullanıldığı alanlarda uygulanma potansiyeli bulunmakta olup, polimer üretim metotlarının birçoğu biyopolimerler için de kullanılabilmektedir. Biyopolimer kimyasının gelişmesi ve piyasa fiyatlarının dengeli olmasıyla mimaride ve tasarımda biyoplastik kullanımının hızla artacağı öngörülmektedir. Mimarlar ve tasarımcılar, endüstrinin karbon ayak izinin azaltılmasına ve biyolojik olarak parçalanamayan fosil bazlı plastiklerin bertaraf edilmesinde önemli bir rol oynayabilirler. Doktora tez çalışması kapsamında, ekoloji odaklı tasarım stratejileri geliştirilerek ahşap çerçeveli biyoplastik kompozit panel tasarımına yönelik malzeme deney setleri tasarlanmış, bir biyoplastik reçete kütüphanesi oluşturulmuş ve biyokompozit prototiplerinin üretimi gerçekleştirilerek mimari potansiyelleri araştırılmıştır. Çalışma, şu soruyu sorarak başlamıştır: Biyoplastiklerin doğasında var olan ancak seri üretimde engel olarak görülen çekme ve bükülme davranışlarının üstesinden gelmeye çalışmak yerine, bunları bir tasarım ve üretim yöntemi olarak kullanırsak ne olur? Bu tez; malzeme davranışlarından yola çıkarak geliştirilen biyoplastik tariflerini ve bu tariflerin uygulandığı ahşap çerçeve sistemlerini içeren bir araştırma metodolojisi önerir. Ev mutfağında ve elde pişirilen kendin-yap biyoplastik tarifleriyle başlayan deneyler, biyoplastik mühendisliği, gıda mühendisliği, biyofilm mühendisliği ve polimer kimyasından beslenerek, tez çalışması süresince geliştirilen kendin-yap biyoplastik laboratuvarında tezgah-üstü ölçekli malzeme deneylerine evrilmiştir. Tez çalışması, mevcut çevresel krizi sürdürülebilir gelecekleri öngörmek için bir fırsat olarak değerlendirerek, biyo-bazlı malzeme odaklı, ölçekler arası bir mimari tasarım yaklaşımı sunmaktadır. Geçmişi göz önüne bulundurarak ve tarihin doğrusal, geleceğin ise önceden belirlenmiş olduğu düşüncesine meydan okuyarak, araştırma polimerlerin zamansallığını teorik bir bakış açısıyla incelemektedir. Zamansallık, bu çalışma kapsamında hem tezin strüktürü hem de tarif edilen problemi ele alış anlamında, bir anahtar kavram olarak kullanılmıştır. Çalışma, öncelikle polimerler ve biyopolimerlerle ilişkili olarak“malzemelerin zamanı”kavramını ortaya atıyor ve malzemeler, müelliflik ve mimarlık arasındaki doğrusal olmayan ilişkiyi vurguluyor. Ekolojik gerçekçi görüş ve derin zaman düşüncesine dayanarak,“krizin zamanı”biyostratejiler önermek için bir fırsat olarak değerlendirilmektedir. Geleceğin açıklığı,“reçetenin zamanı”ile yerel veya kişiselleştirilmiş doğal hidrokolloid bazlı biyoplastik formülasyonların potansiyeli arasındaki paralellikler aracılığıyla vurgulanıyor. Son olarak, biyo-bazlı malzeme üretiminin“zanaatkâr aşaması”nda olduğumuzu öngörerek,“deneyin zamanı”na odaklanıyor. Mimari üretimde yerleşik olan hassas ve kesin üretim yöntemlerine alternatif olarak, bu tez“işçiliğin riski”kavramı üzerinden malzeme davranışı odaklı tasarımı ve prototiplemeyi bir tasarım ve üretim metodu olarak önermektedir. Post-antroposentrik anlatılarla uyumlu bir mimari üretim yaklaşımı sergileyen bu tez çalışması, biyo-bazlı malzeme araştırması aracılığıyla zamansallık ve mimarlık arasında ölçekler arası bir ilişki kurulmasını teşvik etmektedir. Araştırma, malzeme kültüründeki değişimi ve bunun tasarım pratikleri üzerindeki etkisini ele alarak, yeni mimari tektonikler hayal etme amacıyla malzeme zanaatinin potansiyelini vurgulamaktadır. Halihazırda mühendisler ve bilim insanları, geleneksel plastiklerin yerini almak üzere çeşitli kaynaklardan biyoplastikler geliştirmektedir. Ancak bu tez, ekolojik, yerelleştirilmiş ve özelleştirilmiş malzemelerin geliştirilmesinde kendin-yap uygulamalı deneylerin önemine ve malzeme kimyasının sağladığı heterojenlikle tasarımın potansiyeline işaret etmektedir. Tezin amaçlarından biri, doğal malzeme davranışlarını keşfederek malzeme araştırmalarına katkıda bulunmaktır. Seri üretimde genellikle engel olarak görülen malzemede çekme ve bükülme davranışları, bu çalışmada bir fırsat olarak değerlendirilerek, biyoplastik yüzey ve ahşap çerçeveden oluşan ikili ilişkisel sistemi oluşturmak için kullanılmıştır. Bu tez çalışması çerçevesinde kendin-yap biyoplastiklerin kuruma sürecinde suyun buharlaşmasıyla oluşan çekme davranışına odaklanmaktadır. Suda çözünerek üretilen biyoplastiklerin yapışkanlık değeri ahşap gibi lifli malzemelerde oldukça yüksektir. Bu iki malzeme davranışından yola çıkarak bir biyoplastik üretim sistemi önerilmektedir. Farklı geometri, boyut ve esneklikteki ahşap çerçevelerin içerisine dökülerek üretilen bu sistem, kuruma sürecinde biyoplastiğin çerçevelere tutunup gerilmesiyle bükülme davranışını oluşturur. Böylelikle yüzeysel olarak çerçevelere dökülen malzeme kurudukça üç boyutlu hale gelerek minimal yüzeyler oluşturur. Aynı biyoplastik karışım ve ahşap çerçevelerle yapılan deneyler ve ölçümlerde, yalnızca düşük bir hata payıyla tutarlı malzeme davranışı gözlemlenebilmiştir. Kalıp kullanımını ortadan kaldırarak, çift eğrilikli yüzeyler elde etmek için farklı çerçeveler ve karışımlar tasarlanmıştır. Bir dizi malzeme deneyi aracılığıyla, çerçeve geometrisi, biyoplastik reçeteler, biyoplastik karışımın ahşaba tutunması ve bükülme davranışı arasındaki ilişkiler gözlemlenmiştir. Farklı parametrelerin girdisine dayanan bu gözlemlerin dijital ortama aktarımı zamana bağlı olarak yüzey oluşum geometrilerinin toleranslar dahilinde hesaplanabilmesi ve modellenmesini mümkün kılar. Metodoloji, tez araştırma sürecinde biyoplastik formülasyonlarıyla paralel olarak gelişmeye devam etmiştir.“Biyoplastikler, mutfağa girdiklerinde plastikleri taklit etmenin ötesinde neler sunabilir?”sorusuyla başlayan bu araştırma, zamanla mutfakta kendin-yap stratejilerinden, tezgah üstü üretime odağını kaydırmıştır. Tezin araştırma konusu, plastiklerin yerini alacak en uygun biyoplastiği üretmek değil, biyoplastiklerin malzeme davranışını odağına alan diğer potansiyelleridir. Doğal hidrokolloidlere dayanan biyoplastik reçeteleri ise, biyoplastik mühendisliği, gıda bilimi, polimer bilimi ve kimya mühendisliği gibi çeşitli alanlardan beslenerek multidisipliner bir yaklaşımla formüle edilmiş ve tezin son halini oluşturmuştur. Doğal hidrokolloidler bu tezde önemli bir yer kaplamaktadır. Suda çözündüklerinde jel oluşturan bu maddeler, istenen biyoplastik özelliklerin oluşturulması için gereklidir. Deniz yosunu polisakkaritleri, sürdürülebilir kaynaklardan elde edilmeleri ve gıda kaynaklarıyla minimum rekabet içinde olmaları nedeniyle bu tezde birincil biyopolimerler olarak belirlenmiştir. Keçiboynuzu ağacı gibi kaynaklardan elde edilen galaktomannanlar ise sinerjik etkileri nedeniyle sürece dahil edilmiş ve ekolojik dağılım ile çevresel etkileri açısından değerlendirilmiştir. Ek olarak, aljinat ve karragenan gibi yosun bazlı hidrokolloidler, biyoplastiklerin dokusunu, kıvamını ve mekanik davranışını etkileyen benzersiz jelleşme, koyulaşma ve stabilizasyon özellikleri nedeniyle seçilmiştir. Tez, farklı hidrokolloidlerin harmanlanmasının biyoplastik malzemelerin performansını ve işlevselliğini nasıl optimize edebileceğini araştırır ve yenilikçi malzeme çözümleri oluşturmak için bu doğal davranışlardan yararlanan biyoplastik reçeteleri geliştirir. Koruyucular, takviye dolgu maddeleri ve plastikleştiriciler gibi doğal katkı maddeleri ile reçeteler denenerek bir malzeme kütüphanesi oluşturulmuş ve nihayetinde biyokompozit paneller geliştirilmiştir. Tezin ilerleyen bölümlerinde, minimal biyokompozit panel yüzeyi geometrileri elde etmek amacıyla hidrokolloid karışımları ve çentikli ahşap çerçeveler kullanılarak deneyler yapılmıştır. Çeşitli biyopolimerler ve katkı maddeleri içeren biyoplastik reçeteleri, farklı malzeme özelliklerine sahip paneller üretmek ve mekanik dayanım, su direnci, UV stabilitesi, antibakteriyel özellikler gibi performansları artırmak için formüle edilmiştir. Numuneler daha sonra gözlem, kendin-yap test yöntemleri ve laboratuvar analizleri ile değerlendirilmiş ve potansiyel mimari uygulamalar için nihai bir panel prototipi ile bir modül önerisi sunulmuştur. Sonuç olarak, bu tez, biyo-bazlı malzemelerin sürdürülebilir mimari senaryolar şekillendirme potansiyelini vurgulayarak malzeme tasarımına eko-merkezli bir yaklaşım çağrısında bulunmaktadır. Mimarların rolünü malzeme inovasyonuna yeniden genişletmek amacıyla, endüstri ve akademik çabalarla iş birliğini desteklemektedir. Mevcut üretim laboratuvarlarının, disiplinler arası iş birliği yoluyla biyo-bazlı malzeme araştırmalarını ve tezgah üstü üretim ölçeğini desteklemesi önemlidir. Bu yaklaşım, tasarım öğrencilerini ölçekler arasında düşünmeye teşvik ederek bu laboratuvarların mimarlık eğitimine entegrasyonunu vurgulamaktadır. Biyo-bazlı malzemelerin üretimi, malzeme davranışlarının mimari keşfi ve hesaplamalı düşünce ile birleştiğinde, yeni üretim teknikleri ile tasarım fikirlerinin ortaya çıkmasını teşvik eder ve ekolojik gelecek anlatıları oluşturur.

Özet (Çeviri)

In recent years, interest in bio-based materials has grown due to the negative environmental impacts of conventional petrochemical plastics. Bioplastics, which are typically biomass-based and biodegradable, are seen as crucial alternatives for a sustainable future and a circular economy. While bioplastics are mainly used for disposable items like packaging, their application in design, architecture, and the building industry remains relatively understudied. Architects and designers can play a significant role in reducing the industry's carbon footprint and dependence on non-biodegradable fossil-based plastics. This PhD thesis explores potential architectural applications of bioplastics by formulating innovative recipes and posing a critical question: What if, instead of attempting to overcome the inherent behaviors of shrinkage and warpage in bioplastics—which are seen as obstacles in mass production—we embrace them as a design and production method? The study aims to develop a material library and a biocomposite panel prototype that integrates both bioplastic recipes and customized wooden frame systems, each tailored to these materials' unique behaviors. To achieve this objective, a series of material experiments with specific parameters was developed, forming the core methodology of this thesis. Considering the current environmental crisis as an opportune time to envision sustainable futures, this work presents ans alternative design approach focusing on crafting bio-based materials. By recognizing the past and challenging the notion of history as linear and the future as predetermined, the research explores the temporal aspects of polymers from a theoretical standpoint. Temporality serves as both a key element in the structure of this thesis and as an integral part of how it addresses the core issues. Initially, the thesis introduces the concept of“materials' time”in relation to polymers and biopolymers, highlighting the nonlinear relationship between materials, authorship, and architecture. Building on an ecological realist view and deep-time thinking, the“crisis' time”is seen as a chance to propose biostrategies. The openness of the future is emphasized through parallels between“recipes' time”and the potential for local or customized natural hydrocolloid-based bioplastic formulations. Lastly, the“artisan phase”of crafting materials is proposed with a focus on“experiments' time”. The discussion in this last phase is further developed through prototyping with inherent material properties in relation to“workmanship of risk”. The research showcases an alternative mode of architectural production aligned with post-anthropocentric narratives, encouraging a cross-scale relationship between time and architecture through bio-based material research. It addresses the shift in material culture and its impact on architectural practice, emphasizing the potential of crafting materials to imagine new architectural tectonics. Material engineers, chemists, and scientists are developing bioplastics from varied resources to replace conventional plastics. However, this thesis proposes a DIY materials design approach, inviting designers to actively participate in discussions and contribute their expertise in developing ecological, localized, or customized materials through hands-on experimentation. One of the thesis's goals is to encourage exploration of intrinsic material properties. The shrinkage and warpage behavior of bioplastics, along with their adhesion to wood, form a dichotomous interrelationship between bioplastic surfaces and wooden frames. Bioplastic mixtures are cast within planar, laser-kerfed wooden frames, to which they adhere due to the hydrophilic properties of wood; as they dry, they shrink and warp to form double-curvature biocomposite panels. Thus, casting onto a planar surface is sufficient to create complex surface geometries without the need for a three-dimensional mold. Through a series of experiments, the relationship between frame geometry, bioplastic recipes, and warpage behavior is observed, suggesting that the warpage behavior and surface geometry formation over time can be computable within tolerances. The methodology of the thesis evolved throughout the bioplastic formulation process. Initially motivated by the question,“what could bioplastics offer beyond mimicking plastics once they enter people's kitchens?”, the research began at a DIY, kitchen-scale level and transitioned to benchtop production through the design of a DIY bioplastic laboratory. The aim was not to create an ideal bioplastic replacement for conventional plastics but rather to explore untapped possibilities with a continued focus on inherent material properties. The bioplastic recipes, based on natural hydrocolloids, were formulated using a multidisciplinary approach, drawing insights from various fields including bioplastics engineering, food science, polymer science, and chemical engineering. Hydrocolloids play a crucial role in this PhD study. These substances can form gels when dispersed in water or function as thickeners, emulsifiers, or stabilizers, which are essential for achieving desired bioplastic properties. Seaweed polysaccharides are determined as primary biopolymers in this thesis due to their sustainable sourcing and minimal competition with food resources, while galactomannans, specifically from sources like the carob tree, are incorporated for their synergistic effects and evaluated in terms of ecological distribution and environmental impact. Additionally, seaweed-based hydrocolloids such as alginate, and carrageenan that can form hydrogels, and plant-based gums were selected for their unique properties which influence the texture, consistency, and mechanical behavior of bioplastics. The thesis examines how blending different hydrocolloids can enhance the performance and functionality of bioplastic materials. Various additives, including preservatives, reinforcement fillers, and plasticizers, were incorporated into the recipe formulations to build a material library and ultimately develop a biocomposite panel. To achieve complex surface geometries, material experiments were conducted using hydrocolloid blends and laser kerfed wooden frames. Bioplastic recipes incorporating diverse biopolymers and additives were formulated to produce panels with distinct material properties and to enhance performance by improving mechanical strength, water resistance, UV stability, antibacterial activity, and more. The hands-on material experimentation, documented as a material library within this study along with the biocomposite prototypes, demonstrates the potential outcomes of kitchen-scale to benchtop production. The samples are then evaluated through observations, DIY testing methods, and laboratory analysis, leading to the proposal of a final panel prototype and a module for potential architectural applications. In conclusion, this dissertation presents a DIY materials approach alongside eco-centric strategies to design a biocomposite panel that forms minimal surfaces, driven by inherent material properties and production processes. It advocates for bio-based materials design to become an integral part of architectural education and practice. Collaboration with industry and academic efforts is essential for shifting the role of architects towards material innovation, fostering the emergence of novel production techniques and innovative ideas. This thesis underscores the importance of integrating bio-based material laboratories into architectural education, with existing fabrication labs offering significant potential to support bio-based material research and biofabrication through interdisciplinary collaboration while encouraging design students to think between scales. Crafting bio-based materials, combined with architectural exploration of material properties and computational thinking, fosters the emergence of novel production techniques and innovative ideas, contributing to the extrapolation of ecological future narratives.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    544796

    Somut olmayan kültürel mirasın taşıyıcıları: Karaman el sanatı ustaları üzerine bir inceleme

    Carriers of intangible cultural heritage: A reviewon Karaman handicrafts master

    MELTEM ÖKSÜZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    El SanatlarıKaramanoğlu Mehmetbey Üniversitesi

    Türk Dili ve Edebiyatı Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR AYKAÇ

  2. Tez No

    551731

    Antalya yöresi mimarisinde ahşap malzemenin kullanımı

    The use of wood materials in Antalya region architecture

    ASLI BÜYÜKKAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Sanat TarihiMarmara Üniversitesi

    İslam Tarihi ve Sanatları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLHAMİT TÜFEKÇİOĞLU

  3. Tez No

    335806

    Crafting mass customization: A study on integrating craft customization attributes into user co-design toolkits

    Kitlesel özelleştirmeyi işlemek: Zanaatkar özelleştirmesi niteliklerinin kullanıcı ortak tasarım araçlarına uyarlanması üzerine bir çalışma

    KEREM ÖZCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    El Sanatlarıİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstri Ürünleri Tasarımı Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞEBNEM TİMUR ÖĞÜT

    DOÇ. DR. MİNE ÖZKAR KABAKÇIOĞLU

  4. Tez No

    808667

    Crafting an empire: The Hereke Factory Campus (1842-1914)

    Bir imparatorluğu zanaatle donatmak: Hereke Fabrika Kampüsü (1842-1914)

    DİDEM YAVUZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Eğitim ve ÖğretimRutgers, The State University of New Jersey-Newark Campus

    Şehir Çalışmaları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEYNEP ÇELİK

  5. Tez No

    867426

    Crafting sustainable careers: Exploring the interplay between contextual and individual determinants

    Sürdürülebilir kariyerler şekillendirmek: Bağlamsal ve bireysel faktörler arasındaki etkileşimin incelenmesi

    EREN KILIÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İşletmeGebze Teknik Üniversitesi

    İşletme Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN KİTAPÇI

    PROF. DR. MEHMET ŞAHİN GÖK

Geri Dön