MISIR SAPI UNLARININ DOLGU MADDESİ OLARAK POLİMER KOMPOZİT ÜRETİMİNDE DEĞERLENDİRİLMESİ ÖZET

Transkript

1 III. Ulusal Karadeniz Ormancılık Kongresi Mayıs 2010 Cilt: V Sayfa: MISIR SAPI UNLARININ DOLGU MADDESİ OLARAK POLİMER KOMPOZİT ÜRETİMİNDE DEĞERLENDİRİLMESİ Kadir KARAKUŞ 1, Türker GÜLEÇ 1, Alperen KAYMAKCI 1 Fatih MENGELOĞLU 1 1 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Orman Fakültesi, Orman Endüstri Mühendisliği Bölümü, Kahramanmaraş, kadirkarakus82@hotmail.com ÖZET Polimerler içerisine dolgu maddesi olarak odunsu veya odun dışı lignoselülozik dolgu maddeleri eklenerek polimer kompozitler üretilebilmektedir. Bu çalışmada geri dönüşüm yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) ve atık mısır saplarından elde edilen unlar kullanılarak polimer kompozitler üretilmiştir. Ekstrüzyon ve pres kalıplama işlemlerine tabi tutularak üretilen kompozitler üzerinde çekme, eğilme ve darbe direnci dayanımı testleri gerçekleştirilmiştir. Kompozit bünyesindeki mısır sapı unu miktarındaki artışın kompozitlerin çekme ve eğilmede elastikiyet modülü değerlerini iyileştirdiği ancak kompozitlerin çekme, eğilme ve darbe direnci değerlerinde azalmaya sebep olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak plastik atıkların polimer kompozit üretiminde değerlendirilmesi ile çevreye ve atık mısır unlarının değerlendirilmesi ile de çiftçilere yeni bir gelir kaynağı sağlayabilmesi ile katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Anahtar Kelime: Geri dönüşüm yüksek yoğunluklu polietilen, mısır sapı, mekanik özellikler, polimer kompozit. THE UTILIZATION OF CORNSTALK FLOUR AS FILLER IN THE MANUFACTURE OF POLYMER COMPOSITES ABSTRACT Polymer composites can be produed utilizing lignocellulosic filler in polymer matrices. In this study, polymer comcposites were manufactured using cornstalk flour as filler and recycled high density polyethylene (HDPE) as polymer matrix. The cornstalk flour filled polymer composites were used extrusion and compression method. Tensile, flexural and impact strength were determined on the manafuctured composites. The increased of cornstalk flour was improved modulus of tensile and flexural of polymer composites however was reduced tensile, flexural and impact strength. In conclusion, the evalution of waste plastic in the manufacture of polymer composites for environment and the utilize of cornstalk flour with a new source income for farmers is believed to contribute. Key Words: Mechanical properties, polymer composites, cornstalk, recycled high density polyethylene. 1. GİRİŞ Dünya nüfusunun artmasıyla doğal ya da sentetik materyal olarak büyük miktarlarda atıklar meydana gelmektedir. Bu atıklar çevre problemleri ortaya çıkarmaktadır. Çevre problemlerine neden olan atıklar genel olarak plastikler, metaller ve lignoselülozik esaslı materyallerdir. Nüfus artışına paralel olarak insanların ihtiyaç duyduğu orman ürünlerine olan talepler artmakta ve yeni kaynakların bulunması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Daha iyi bir yaşanılabilir çevre için bu atıkların etkili bir şekilde geri dönüşümü, yeniden kullanılması ve yeni kaynaklar ile çevre kirliliğini azaltmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Çevre problemlerine neden olan plastik atıklar ve tarımsal atıkların 2013

2 değerlendirilmesi ile kompozit malzemelerin üretilmesi ile yeni bir alternatif hammadde kaynağı olarak ağaç malzemeye ihtiyaç azalacağı için orman ürünleri endüstrisi için önemli olacağı düşünülmektedir. Türkiye de yaklaşık olarak 6 milyon ton geri dönüşüm plastik olduğu fakat bunların az bir miktarı yeniden değerlendirildiği söylenmektedir (Mengeloğlu, 2006). Dünya da ise verilerine göre mısır üretimi yaklaşık olarak 759 milyon ton olarak rapor edilmiştir (TMO, Hububat Bülteni, URL). Ülkemizde ise bu amaçla kullanılabilecek yaklaşık 47 milyon tarımsal atıklar bulunmaktadır (Korucu ve Mengeloğlu, 2007). Bu tarımsal atıklar içerisinde ise tahmini olarak ton hektar mısır ekim alanı mevcut olup ton mısır üretimi yapıldığı tespit edilmiştir (Şahin, 2001). Şekil 1. Mısır ekim alanından bir görünüş Plastikler, lignoselülozik materyaller, uyum sağlayıcılar ve katkı maddeleri kullanılarak oluşturulan malzemeler polimer kompozitler olarak adlandırılmaktadır. Polimer kompozitlerin üretilmesi esnasında polimer olarak geri dönüşüm plastikler, lignoselülozik materyal olarak ise orman endüstri atıkları ve tarımsal atıklar değerlendirilmektedir. Polimer kompozitler otomobillerin iç kısımlarında, dış cephe kaplamalarında, çitlerde, pencere çerçevelerinde ve taban döşemeleri gibi birçok uygulama alanı bulunmaktadır (Mengeloğlu ve Karakus, 2008a). Polimer kompozitlerin avantajları düşük yoğunluk, yüksek spesifik özellikler, doğada aşındırıcı olmaması ve fazla miktarda bulunması sayılabilir (Clemons, 2002; Mengeloğlu ve vd., 2000; Mengeloğlu ve vd., 2003; Panthapulakkal ve vd., 2006). Polimer kompozitlerin üretilmesi ile ilgili yapılan bazı çalışmalarda jüte, kendir, kenaf, şeker kamışı, buğday sapı unları veya lifleri kullanıldığı rapor edilmiştir (Chen ve vd., 1998; Gassan ve Bledzki, 1997; Mwaikambo ve vd., 2002; Joseph ve vd., 1996; Sain ve Li, 2003; Prasad ve Sain, 2003; Velde ve Keikens, 2001; Mengeloğlu ve Karakus, 2008b; Mengeloğlu ve Karakus, 2008c). Daha önce mısır sapı unu kullanarak polimer kompozitlerin üretilmesi yeterli olarak araştırılmadığı görülmüştür. Ülkemizdeki mevcut atık plastik miktarı ve mısır sapı unu miktarı göz önüne alındığında mısır sapı unlarının polimer kompozit üretiminde değerlendirilmesi çalışması cazip hale gelmiştir. Bu çalışmada ülkemizdeki mevcut geri dönüşüm plastik ile mısır sapı unlarının polimer kompozit üretiminde değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Üretilen polimer kompozitlerin mekanik özellikleri belirlenerek standartlara uygunlukları test edilmiştir. 2. Materyal ve Metot 2.1 Materyal Bu çalışmada geri dönüşüm yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) ve mısır sapı kullanılmıştır. Öncelikle geri dönüşüm YYPE boruları toplanmış ve üzerindeki kirlerin 2014

3 temizlenmesi amacıyla yıkanmıştır. Temizlenen geri dönüşüm YYPE şerit testere yardımıyla küçük parçalara kesilmiştir. Elde edilen küçük parçalar kırıcı makinesi yardımıyla öğütülmüştür. Mısır sapları ise Mersin ilindeki mısır ekim alanlarından toplanmıştır. Toplanan bu mısır sapları öğütücü makinesi ile un haline getirilmiştir (Şekil 2, 3). Şekil 2. Öğütülmüş Mısır Sapı Şekil 3. Öğütülmüş Geri dönüşüm YYPE Daha sonra sarsak elek yardımıyla mesh arasında eleme işlemine tabi tutulmuş olup bu çalışmada 45 mesh boyutundaki unlar değerlendirilmiştir. Üretimde kullanılacak olan mısır sapı unlarının içerisinde mevcut olan rutubetin uzaklaştırılması için kurutma işlemine tabi tutulmuştur. Mısır sapı unları ve geri dönüşüm plastik arasında uyumsuzluğu gidermek amacıyla maleik anhidritle muamele edilmiş polietilen (MAPE) kullanılmıştır. 2.2 Kompozit Üretimi Polimer kompozitlerin üretilmesinde kullanılacak olan geri dönüşüm YYPE, mısır sapı unu, waks, çinko stearate ve maleik anhidritle muamele edilmiş polietilen (MAPE) Çizelge 1 de gösterilmiştir. Çizelge 1. Geri dönüşüm yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) ve mısır sapı unu kullanılarak polimerkompozit üretimi için deneme dizaynı. ÖRNEK GERİ DÖNÜŞÜM YYPE MISIR SAPI UNU WAKS ÇİNKO STEARATE MAPE ADI (%) (%) (%) (%) (%) MK ,5 2,5 3 M1 69,5 22,5 2,5 2,5 3 M ,5 2,5 3 Üretim reçetelerine bağlı olarak üretilecek olan polimer kompozitlerde, YYPE, mısır sapı unu ve MAPE Şekil 4 da gösterilen yüksek devirli bir karıştırıcı içerisinde homojen bir karışım haline getirilmiştir (Şekil 5). 2015

4 Şekil 4. Karıştırıcı Şekil 5. Mikserden çıkan karışım Daha sonra oluşturulan bu karışım laboratuarda mevcut olan tek burgulu ekstruder içerisine besleme yapılarak eritilmiştir (Şekil 6, 7). Ekstruderin vida hızı 40 rpm ve sıcaklık ayarları C arasında ayarlanmıştır. Şekil 6. Ekstruder Şekil 7. Ekstruder besleme yapılması Ekstruderden çıkan örnekler soğuk su içerisinde soğutulduktan sonra plastik kırma makinesi yardımıyla küçük parçacıklar haline getirilmiştir. Son aşama olarak ise bu küçük parçacıklar Şekil 8 de gösterilen sıcak pres içerisinde 175 C sıcaklık ve 5 dakika pres süresi ile 7x150x160 mm boyutlarında polimer kompozit levhalara dönüştürüldü (Şekil 9). 2016

5 Şekil 8. Pres Şekil 9. Üretilen polimer kompozit örnekleri 2.3 Örneklerin Test Edilmesi Üretilen polimer kompozit örneklerinin eğilme, çekme direnci testleri Şekil 10 da gösterilen 10 KN lik Zwick Universal test makinesinde, darbe dayanımı testleri ise Zwick marka HIT 5.5P test makinesinde gerçekleştirilmiştir. Eğilme direnci değerlerinin belirlenmesi amacıyla uygulanan testler ASTM D 790 a göre yapılmıştır. 5x13x15 mm boyutlarında 7 adet test örneği hazırlanmıştır. Testler 80 mm lik dayanak açıklığı ve test hızı 2.0 mm/dk olarak yapılmıştır. Çekme direnci testleri ise ASTM D 638 e göre gerçekleştirilmiştir. 7 adet test örneği 5.0 mm/dk test hızında gerçekleştirilmiştir. Şekil 10. Universal test makinesi Şekil 11. Darbe direnci test makinesi Darbe direnci testleri ise ASTM D 256 ya göre gerçekleştirilmiş olup örnekler üzerinde Polytest RayRan çentik açma makinesi kullanılarak çentikleri açılıp darbe direnci testleri yapılmıştır (Şekil 11). 3. Bulgular ve Tartışma 3.1. Mekanik Özellikler Geri dönüşüm yüksek yoğunluklu polietilen ve mısır sapı unu kullanılarak üretilen polimer kompozitlerin mekanik özellikleri incelenmiştir. Üretilen örnekler üzerinde çekme, 2017

6 eğilme ve darbe direnci testleri uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar Çizelge 2 de özetlenmiştir. Çizelge 2. Üretilen polimer kompozitlerin mekanik özellikleri ÖRNEK ADI EĞİLME DİRENCİ MK 26,44 (0,73)* M1 23,79 (1,64) M2 24,25 (1,94) EĞ.ELAST. MODÜLÜ 712,80 (195,51) 1068,94 (147,41) 1459,13 (116,34) * : Parantez içinde standart sapma değerleri verilmiştir ÇEKME DİRENCİ 17,63 (0,18) 13,32 (0,25) 12,38 (0,54) ELASTİKİYET MODÜLÜ 186,66 (48,59) 317,34 (95,02) 501,19 (16,14) DARBE DİRENCİ (J/M) 90,23 (10,46) 61,75 (6,20) 39,79 (1,46) Eğilme direnci değerleri kontrol örneğine göre az bir düşüş meydana geldiği belirlenmiştir. Eğilmede elastikiyet modülüne baktığımızda ise odun unu miktarındaki artışın bunu artırdığını gözlemlemekteyiz. Bu durum basitçe karışım kuralıyla açıklanabilir (Matuana ve Balatinecz, 1998). Odun unu plastik malzemeye kıyasla daha yüksek elastikiyet modülüne sahiptir ve bu sebeple iki malzemenin karıştırılması esnasında odun miktarı arttıkça bu değerinde artması beklenmektedir. Bu durum bu tip kompozitlerin önemli avantajlarından bir tanesidir. Ayrıca polimer kompozitlerin kullanım alanları bakımından genelde plastik kerestelere alternatif olarak düşünüldüklerinden dolayı bunların ASTM D 6662 (2001) standardıyla kıyaslanmıştır. Bu standarda göre eğilme direnci değerlerinin en az 6.9 MPa ve elastikiyet modülünün ise 340 MPa olması istenmektedir. Çizelge 2 de görüldüğü gibi; mısır sapı unları ve geri dönüşüm YYPE kullanılarak üretilen polimer-kompozitlerin daha yüksek eğilme direnci ve eğilmede elastikiyet modülleri vererek, plastik kereste kullanım alanlarında değerlendirilmelerinin mümkün olduğunu göstermiştir. Çekme direnci değerleri incelendiğinde polimer kompozitler içerisindeki mısır sapı unu oranı arttıkça bu direncin azaldığı gözlemlenmiştir. Çekmede elastikiyet modülünde de karışım kuralına uygun olarak elastikiyet modülünün arttığı görülmüştür. Polimer kompozit içerisinde odun unu miktarının artırılması darbe direnci değerlerinin de düşmesine sebep olmuştur. Sonuç olarak, kompozit içerisinde mısır sapı unu miktarı artırıldıkça çekme, eğilme ve darbe direncin azaldığı ancak elastikiyet modüllerinde artma olduğu gözlemlenmiştir. 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada mısır sapı unu ve geri dönüşüm yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) kullanılarak polimer kompozitler üretilmiştir. Üretilen polimer kompozit malzemelerin çekme, eğilme ve darbe direnci gibi mekanik özellikleri belirlenmiştir. Bu özellikler göz önüne alındığında mısır sapı unu miktarının artırılması üretilen polimer kompozitlerin çekme, eğilme ve darbe direncini azalttığı ancak elastikiyet modüllerini arttırdığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma ile mısır sapı unu ve geri dönüşüm yüksek yoğunluklu polietilenin, polimer kompozitlerin üretilmesinde kullanılabileceği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında; tarımsal atıkların, orman endüstrisi için alternatif hammadde olarak kullanılma potansiyelinin değerlendirilmesi önerilebilir. Polimer kompozitlerin üretilmesinde kullanılabilecek olan tarımsal atıkların tarlalarda yakılması 2018

7 sonucu oluşan orman yangınlarının ve çevre kirliliğinin önüne geçilmesi sağlanabilecektir. Ayrıca tarımsal atıkların kullanılması yoluyla kompozit üretiminin gerçekleştirilmesi durumunda benzer malzemelerin üretimi için kullanılan ağaç malzemeye ihtiyaç azalacağı için orman kaynaklarımız üzerinde ki kesim baskısı azalabilecektir. 5. KAYNAKLAR Clemons, C Wood-Plastic Composites in the United States. The interfacing of two industries, Forest Prod. J., 52, 6, Chen, X.Y., Guo, Q.P., Mi, X.L., Bamboo Fiber Reinforced Polypropylene Composites, A Study of the Mechanical Properties, J. Appl. Polym. Sci., 69, Gassan, J., Bledzki, A.K The Influence of Fiber Surface Treatment on the Mechanical Properties of Jute-PP Composites. Composites Part A, 28A: Korucu, T., Mengeloğlu, F Potentials of Agricultural Residues as Raw Materials and Their Alternative Usage Possibilities in Turkey. 24 th National Agricultural Mechanization Congress, Kahramanmaras, s Matuana, L.M., Balatinecz, J.J., Effect of Surface properties on the Adhesion between PVC and Wood Veener Laminates, Polym. Eng. Sci., 38, 5, Mengeloglu, F, Matuana, L.M., King, J.A., Effects of Impact Modifiers on the Properties of Rigid PVC/Wood-Fiber Composites, Journal of Vinyl and Additive Technology, 6, 3, Mengeloglu, F., Matuana, L.M Mechanical Properties of Extrusion foamed Rigid PVC/Wood-Flour Composites. J. Vinyl. Addit. Techn., 9,1, Mengeloglu, F Wood/Thermoplastic Composites. I. Polimerik Kompozitler Sempozyumu ve Sergisi. TBMOB Kimya Mühendisleri Odası, İzmir, Mengeloğlu, F., Karakus, K. 2008a. Thermal Degradation, Mechanical Properties and Morphology of Wheat Straw Flour Filled Recycled Thermoplastic, Sensors ISSN s Mengeloglu, F., Karakus, K. 2008b. Polymer-Composites from Recyled High Density Polyethylene and Waste Lignocellulosic Materials. Fresenius Environmental Bulletin. 17 (2) s Mengeloglu, F., Karakus, K. 2008c. Some Properties of Eucalyptus Wood Flour Filled Recycled High Density Polyethylene Polymer-Composites, Turk J Agric For. 32, Mwaikambo, L.Y. and M.P. Ansell Chemical modification of hemp sisal jute and kopak fibers by alkalization. J. Appl. Polym. Sci. 84, Panthapulakkal, S., Zereshkiane, A., Sain, M., Preparation and Caracterization of Wheat Straw Fibers Reinforcing Application in Injection Molded Thermoplastic Composites. Bioresource Technology 97, Şahin, S., Türkiye de Mısır Ekim Alanlarının Dağılışı Ve Mısır Üretimi, G.Ü. Gazi Eğitim Fakültesi Dergisi 21,1, URL. 8.pdf Vande Velde, K., Keıkens, P Thermoplastic Polymers; Overview of Several Properties and Their Consequences in Flax Fiber Reinforced Composites. Polym. Testing., 20: