I. Ulusal Akdeniz Orman ve Çevre Sempozyumu, Ekim 2011, Kahramanmaraş

Transkript

1 45 Farklı Dolgu Maddelerinin Tabakalanmış Kaplama Kerestelerin (LVL) Bazı Mekanik ve Yanma Özellikleri Üzerine Etkileri Ramazan KURT 1 *, Vedat ÇAVUŞ 1, Kağan ASLAN 1, Muhammet ÇİL 1 KSÜ, Orman Fakültesi, Orman Endüstri Mühendisliği Bölümü, 46100, Kahramanmaraş ÖZET: Hızlı gelişen İzmit kavak klonundan ( Populus deltoides) elde edilen soyma kaplama levhalar ve iki farklı oranda (%5 ve %10) zeytin çekirdeği ve badem kabuğundan elde edilen unların dolgu maddesi olarak katıldığı fenol formaldehit tutkalı kullanılarak tabakalanmış kaplama keresteler (LVL) üretilmiştir. Dolgu maddesi türünün ve miktarının LVL lerin bazı mekanik ve yanma özellikleri üzerinde etkileri belirlenmiştir. Araştırma sonuçlarına göre, dolgu maddelerinin mekanik özellikler üzerindeki olumsuz etkilerinin sınırlı olduğu, yanma sonrasındaki ağırlık kaybını bir miktar arttırdığı tespit edilmiştir. Farklı artıkların, tutkal endüstrisinde dolgu maddesi olarak değerlendirilmesi imkânlarının araştırılması, bu artıkların katma değeri yüksek alanlarda kullanılmasına öncülük edeceği için önemli bulunmuştur. Anahtar kelimeler: Kavak, Populus deltoides, zeytin, badem, fenol formaldehit The Effects of Different Filler Materials On Some of The Mechanical and Combustion Properties of Laminated Veneer Lumber (LVL) ABSTRACT: Laminated veneer lumbers (LVLs) were manufactured from rotary peeled veneers of fast-growing hybrid Izmit poplar clone ( Populus deltoides) using a phenol formaldehyde adhesive that was filled with olive stones and almond shell flours in two different rates (5% and 10%). The effects of types and amount of filler materials on some of the mechanical and combustion properties of were determined. According to the research results, the negative effects on the mechanical properties of filler materials were limited, but weight loss ratios after the combustion were increased to some extent. Investigation of possible utilizations of different residues as a filler material in the adhesive industry was found important since this would lead to the use of the residues in high value-added areas. Keywords: poplar, Populus deltoides, olive, almond, phenol formaldehyde 1. GİRİŞ Dünya nüfusu hızlı bir şekilde artış göstermektedir. Bu artışa paralel olarak mevcut orman varlığında azalma ve orman endüstrisi ürünlerine karşıda bir talep artışı söz konusudur. Artan odun hammaddesi ihtiyacına cevap vermek, yüksek kaliteli malzeme ihtiyacını karşılamak, üretim tekniklerindeki yeniliklere uygun olarak, yeni malzemelerin standart bir şekilde üretilmesi amacıyla orman endüstrisinde hızlı gelişen ağaç türlerinin ve ticari olarak değeri olmayan ve kullanılmayan küçük çaptaki ağaç türlerinin endüstride kullanılması zorunlu hale gelmiştir. Bunun sonucunda daha küçük çaplı ve ekonomik anlamda pek fazla değeri olmayan ağaçların, orman endüstrisine mühendislik ürünü ağaç malzemeler (MAM) olarak kazandırılması sağlanmıştır (Mengeloğlu ve Kurt, 2004). Bu ürünler yapısal kompozit keresteler, yapısal odun levhalar, tabakalanmış ağaç malzeme ve I-kirişler olmak üzere * Sorumlu Yazar: Ramazan KURT, rkurt@ksu.edu.tr dört ana gruba ayrılabilir (Kurt ve ark. 2003). Yapısal kompozit keresteler Amerikan Kontraplak Derneği tarafından tanımlandığı gibi bu ürünler; odun liflerinin, kaplamalarının, kerestelerin son ürünün boyuna paralel olacak şekilde suya dayanıklı tutkallar kullanılarak sıcaklık ve basınç altında yapıştırılmasıyla elde edilen kompozitlerdir (Mengeloğlu ve Kurt 2004). MAM ın son zamanlarda yaygın bir şekilde kullanılan türlerinden olan tabakalanmış kaplama kereste veya kaplamalı tabakalı kereste (LVL), soyma kaplamalardan üretilmektedir. LVL üretimindeki ve kullanım alanındaki genişlemeler orman endüstri sektöründe hızlı bir değişim meydana getirmiştir. Özellikle İkinci Dünya Savaşından sonraki termoset tutkallar alanındaki gelişmeler LVL nin dış ve iç mekanlara uygun bir yapı elemanı olarak kullanımının artmasında etkili olmuştur. Laminasyonda kullanılan tutkallar, ağaç malzemeden sonra en önemli etkendir. Yapıştırmada kullanılan tutkal, lamine elemanların kullanım alanında ve direnç özellikleri üzerinde etkili olmaktadır (Uysal ve ark. 2005).

2 46 MAM ürünlerinin üretimi yapıştırma işlemine dayanmaktadır (Hass ve ark. 2010). Bu durum, orman endüstrisinde sentetik tutkalların yaygın olarak kullanılmasını zorunluluğunu ortaya çıkmıştır. Günümüzde orman endüstrinde elde edilen ürünlerin %80 veya daha fazlasında tutkal kullanılmaktadır. Aynı zamanda dünyada üretilen bütün yapıştırıcıların hacimce yaklaşık %70 i orman endüstrinde tüketilmektedir (Wålinder 2000). TS EN 301 e göre sentetik reçineli yapıştırıcılar, bileşiminde esas olarak fenolik ve aminoplastik tipi sentetik reçinelerden birisini veya her ikisini içeren ve kullanılmadan önce üreticinin talimatlarına uygun olarak ilave edilmesi gerekli olabilen herhangi bir sertleştirici, dolgu maddesi, mukavemet kazandırıcı gibi katkı maddeleri bulunduran yapıştırıcılardır. Üretilen odun esaslı malzemelerin kalitesi, bu ürünlerin üretiminde uygulanan tutkallı birleştirmelerdeki tutkal bağı oluşumunun başarısına bağlıdır. Tutkal çözeltisinin viskozitesi, yapıştırma işleminin başarısını doğrudan etkileyen en önemli faktördür. Yapıştırma işleminde kullanılan tutkalın viskozitesi, odun ve tutkal arasında yeterli direnci sağlayacak bağ oluşumu üzerinde çok etkilidir. Viskozite ile bağlantılı olan yapışma problemlerinin çözülmesi için, hazırlanan tutkal karışımına bazı dolgu ve katkı maddelerinin ilave edilmesi gerekmektedir (Aydın ve ark. 2010). Dolgu maddeleri hem organik hem de inorganik kökenli olmak üzere iki kategoride sınıflandırılabilir (Vick 1999). Organik dolgu maddeleri selülozik tip (odun kabuğu tozu, odun tozu vb), protein tipi dolgu malzemeleri (soya proteini unu, kan tozu, vb) ve nişasta tipi dolgu maddeleri (buğday unu, vb) olarak üç kategoride incelenebilir (Vick 1999). Ceviz kabuğu unu en yaygın olarak kullanılan organik dolgu maddesidir (Selbo 1975). İnorganik dolgu maddelerinden kaolin, marlit, porselen ve kil en sık kullanılanlardır. Bazen, sodyum silikat, diamonyum fosfat, magnezyum da kullanılabilir (Lei 2009) Sentetik yapıştırıcılar ile dolgu maddelerinin kullanımı oldukça yaygındır. Dolgu maddeleri genellikle atıl malzemelerdir (Selbo 1975). Dolgu maddeleri terimi özellikle tutkalın içine çalışma özelliklerini kolaylaştırmak, tutkala kalıcılık ve güç sağlamak, maliyeti azaltmak, vizkositeyi ayarlamak ve diğer özellikleri geliştirmek için katılan yapıştırıcı olmayan maddeler anlamına gelir. Bunun yanında sıvı haldeki tutkala şekil vermek, tutkalın ağacın içine istenmeyen şekilde penetrasyonu engellemek, tutkalın sertliğini artırmak, soğutma sırasında oluşabilecek gerilimleri azaltmak (Frihart 2005), ısı ve elektrik iletkenliğini, ısıl genleşmesini artırmak (Flores 2006), tutkalın tiksotropik özellikleri kontrol etmek, tutkal karışımına kıvam vermek için (Pizzi 2003) eklenir. Daha önce yapılan benzer bilimsel çalışmalarda dolgu/katkı maddesi olarak; meşe palamudu unu (Tan ve Çolakoğlu 2010), ceviz, kestane, göknar, ladin ağacı kabuğu (Aydın ve ark. 2010), sarıçam kabuğu unu (Eberhardt ve Reed, 2006), ceviz, çam ve gingo fıstığı kabuğu unu (Oh ve Sellers 1999), pekan cevizi kabuğu unu (Sellers ve ark. 2005) ve mısır koçanı unu (Ellis ve Paszner 1994) kullanılmıştır. Bu çalışma kapsamında, hızlı gelişen İzmit kavak klonundan ( Populus deltoides) soyma metoduyla üretilen kaplama levhalar ve iki farklı oranda (%5 ve %10) zeytin çekirdeği ve badem kabuğundan elde edilen unların dolgu maddesi olarak katıldığı fenol formaldehit tutkalı kullanılarak LVL üretilmiş, dolgu maddesi türünün ve miktarının LVL lerin bazı mekanik ve yanma özellikleri üzerinde etkileri belirlenmiştir. Araştırma konusunun, farklı artıkların, tutkal endüstrisinde dolgu maddesi olarak değerlendirilmesi imkânlarının araştırılması, bu artıkların katma değeri yüksek alanlarda kullanılmasına öncülük edeceği umulmaktadır. 2. MATERYAL ve METOT LVL üretimi için kullanılan, 600 mm x 600 mm x 3 mm boyutlarında ve %6 8% rutubetindeki hızlı gelişen İzmit kavak klonundan ( Populus deltoides) klonundan elde edilen soyma kaplama levhalar, Sakarya daki bir kontrplak firmasından temin edilmiştir. Çizelge 1. FF tutkalının bazı özellikleri (POLİSAN 2011) Özellik Kabul Kriteri Değer Yoğunluk (20 C, Dansimetre) Viskozite (20 C, 20D 1A), cps Su Toleransı (20 C) Sonsuz Sonsuz PH (20 C) Katı Madde (2 Saat 120 C), % Akma Zamanı (20 C, Dincup4), sn Görünüş Kırmızı Kırmızı

3 47 LVL üretiminde Polisan firmasınca üretilen fenol formaldehit (Polifen 47) tutkalı kullanılmıştır. FF tutkalının özelikleri Çizelge 1 de verilmiştir. FF tutkalına iki farklı oranda (%5 ve %10) zeytin çekirdeğinden (ZU) ve bad em kabuğundan (BU) elde edilen unlar dolgu maddesi olarak kullanılmıştır. Zeytin çekirdekleri ve badem kabukları willey tipi değirmende öğütülmüş, daha sonra 40 ve 60 mesh lik eleklerde kademeli olarak elenmiştir. Elde edilen unlar, fenol formaldehit tutkalına dolgu maddesi olarak ilave edilmiş ve homojen bir çözelti elde edilinceye kadar karıştırılmıştır. Kullanılan farklı tutkal birleşimleri Çizelge 2 de verilmiştir. Hazırlanan tutkal çözeltilisi, kaplama levhalarına silindirli tutkallama makinesi yardımı ile yüzeye 200 g m 2 olarak uygulanmıştır. Sürülecek tutkal miktarı ASTM D899 a (1994) göre hesaplanmıştır. Tutkal uygulanan kaplama levhaları taslak haline getirilerek hidrolik sıcak preste LVL üretilmiştir. LVL üretimindeki presleme şartları; pres sıcaklığı 140ºC, pres basıncı 10 kg/cm 2 ve pres süresi 30 dakika olarak uygulanmıştır. Elde edilen LVL örnekleri 20 C ve %65 bağıl nem koşullarında bekletilmiştir ve deney numuneleri elde edilmiştir. Çizelge 2. Kullanılan tutkal karışımları Karışım No Dolgu Türü Dolgu Oranı (%) Kontrol Yok Yok ZA ZA %5 ZB ZB %10 BA BA %5 BB BB %10 ZA: %5 oranında zeytin çekirdeği unu ZB: %10 oranında zeytin çekirdeği unu BA: %5 oranında badem çekirdeği unu BB: %10 oranında badem çekirdeği unu Elde edilen deney numunelerinin tam kuru yoğunluk (TKY), rutubet, eğilme direnci (ED), elastikiyet modülü (EM), liflere paralel basınç direnci (LPBD) ve yanma sonrasında ağırlık kaybı (AK) özellikleri; sırasıyla TS 2472 (1976a), TS 2471 (1976b), TS 2474 (1976c), TS2478 (1976d), TS 2595 (1977) ve ASTM E69 (2002) standartları kullanılarak belirlenmiştir. Farklı dolgu maddelerinin tabakalanmış kaplama kerestelerin (LVL) bazı mekanik ve yanma özellikleri üzerine etkilerini ortaya koymak için F testi yapılmıştır. Sonuçlar varyasyon analizi kullanılarak değerlendirilmiştir. Analizler, SAS programı kullanılarak yapılmıştır. Gruplar arasında farklılığın önemini ve etki derecesini belirlemek için sonuçlar Bonferroni testi ile karşılaştırılmıştır. 3. BULGULAR ve TARTIŞMA Fenol formaldehit tutkalı içerisine %5 ve % 10 oranlarında ZU ve BU katılarak üretilen LVL ve kontrol örneklerine ait TKY, ED, EM, LPBD ve AK ait elde edilen değerler Çizelge 3 te verilmiştir. Çizelge 3. Deney numunelerinin bazı fiziksel, mekanik ve yanmada ağırlık kaybı değerleri Özellikler Tutkal Karışım No Kontrol ZA ZB BA BB TKY (g cm B 0.50 B 0.49 B 0.55 A 0.48 B ) (0.02) (0.01) (0.03) (0.03) (0.01) ED (MPa) A A A A A (6.68) (4.78) (5.55) (7.12) (7.01) EM (MPa) C A AB BC BC (423.53) (421.92) (374.85) (490.73) (235.48) LPBD (MPa) 55.59B (1.65) A C A BC (1.24) (1.65) (2.13) (2.14) AK (%) B A A A A (1.00) (1.24) (1.45) (1.92) (3.78) Bonferroni t-testi (Bon) grupları, büyük har flerle verilmiştir. Aynı harfi taşıyan gruplar arasında anlamlı derecede farklılık yoktur. Standart sapmalar parantez içinde verilmiştir. TKY: tam kuru yoğunluk, ED: eğilme direnci, EM: elastikiyet modülü, LPBD: liflere paralel basınç direnci, AK: yanma sonrasında ağırlık kaybı.

4 48 Farklı gruplara ait TKY değerlerinin birbirlerine oldukça yakın aralıklarda 0.48 ile 0.55 gr/cm3 olduğu tespit edilmiştir (Çizelge 3). TKY en yüksek olarak BA, en düşük olarak Kontrol ve BB gruplarında bulunmuştur. Bonferroni t-testi sonuçlarına göre BA ve diğer gruplar arasında anlamlı bir farklılık tespit edilmiştir. Bu farklılıkta kullanılan ağaç malzemenin anatomik özeliklerinin etkili olduğu varsayılmıştır. Rutubet miktarı %10±2 olarak bulunmuştur. FF tutkalı içerisine dolgu maddesi katılarak üretilen LVL lerin ED değerlerinin ile MPa aralığında olduğu ve kontrol grubunun ED değerlerinden düşük oldukları tespit edilmiştir (Çizelge 3). En düşük ortalama değer % 10 oranlarında ZB ile üretilen grupta bulunmuştur. Bu düşüşe rağmen, F testi sonuçlarına göre gruplar arasında anlamlı bir fark bulunmamıştır. LVL lerin EM değerlerinin kontrol grubu EM değerlerine göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. EM değerleri karşılaştırıldığında en düşük ortalama değer kontrol örneklerinde MPa ve en yüksek ortalama değer MPa olarak ZA da bulunmuştur. Elde edilen sonuçlara göre belirli oranda dolgu maddelerinin katılmasının EM değerleri üzerinde olumlu bir etki yaptığı ancak dolgu maddesi oranının artmasıyla olumlu etkinin bir miktar azaldığı ve ZU nun dolgu maddesi olarak daha iyi performans gösterdiği belirlenmiştir. Sonuçlar Tan ve Çolakoğlu (2011) ve Aydın ve ark. (2011) tarafından yapılan araştırma sonuçlarıyla benzerlik göstermektedir. Bonferroni t-testi sonuçlarına göre, ZA-ZB ve kontrol gruplarının EM değerleri arasında anlamlı bir farklılık tespit edilmiştir. LPBD değerleri yapılan test sonuçlarına göre ile MPa arasında bulunmuştur. En yüksek ortalama değer MPa ile BA da en düşük ortalama değer ise MPa olarak ZB de tespit edilmiştir. Bonferroni t-testi sonuçlarına göre, ZA-ZB- BB ve kontrol gruplarının LPBD değerleri arasında anlamlı bir farklılık tespit edilmiştir. Dolgu maddelerinin oranı LPBD değerleri üzerinde etkili olmuştur ve oranının artmasıyla LPBD değerlerinde azalma olduğu belirlenmiştir. Dolgu maddesi katılan FF ile üretilen LVL lerin direnç değerlerinde önemli bir azalma olmamasının önemli nedeni, katılan dolgu maddesi oranının düşük oranda olmasından kaynaklanmaktadır. Katı ve sıvı maddelerin kendi molekülleri arasındaki bu çekim kuvveti olarak tanımlanan kohezyon kuvvetinin büyüklüğü, yapıştırıcının kimyasal yapısına bağlı olup ortalama %30 dan fazla dolgu maddesi kullanılması kohezyon kuvvetini olumsuz yönde etkiler (Altınok ve ark. 2009). Kullanılabilecek maksimum dolgu maddesi oranı, tutkal türü, tutkallama koşulları ve teknolojisi, tutkallanan malzeme ile ilgili özellikler, kullanım sırasında istenen direnç ve dayanıklılık özelliklerine ve dolgu maddesinin türü gibi pek çok faktöre göre değişiklik gösterebilir. Araştırma sonuçları daha önce yapılan bilimsel çalışma sonuçlarıyla (Tan ve Çolakoğlu 2010, Aydın ve ark. 2010, Eberhardt ve Reed 2006, Oh ve Sellers 1999, Sellers ve ark. 2005) benzerlik göstermektedir. Yanma testi sonrasında ağırlık kaybı (AK) oranları esas alınarak yapılan karşılaştırmada en düşük ortalama AK değeri kontrol örneklerinde (%84.52) tespit edilmiştir. Bonferroni t-testi sonuçlarına göre kontrol ve dolgu maddesi ilave edilen grupların AK değerleri arasında anlamlı bir farklılık tespit edilmiştir. AK değerlerinin dolgulu gruplarda daha yüksek olması, dolgu maddesi ilavesinin, yanma özelliklerini olumsuz olarak etkilediği sonucunu ortaya koymuştur. Bundaki önemli etken, FF tutkalının yanmaya karşı dirençli olması olarak gösterilebilir. Dolgu maddesi ilavesiyle bu etkinin belirli oranda azaldığı ortaya konulmuştur. 4. SONUÇ Bu çalışmada dolgu maddesi türünün ve oranının LVL lerin bazı mekanik ve yanma özellikleri üzerinde etkileri belirlenmiştir. Araştırma sonuçlarına göre, LVL lerin TKY değerlerinin yaklaşık olarak aynı, dolgu maddelerinin ED değerlerinde küçük bir azalmaya neden olduğu, EM değerlerini arttırdığını ve LPBD değerlerinde ise bir miktar değişikliğe neden olduğu tespit edilmiştir. Dolgu maddelerinin, LVL lerin mekanik özellikleri üzerindeki olumsuz etkilerinin sınırlı olduğu, yanma sonrasındaki ağırlık kaybı oranını arttırdığı belirlenmiştir. Farklı artıkların, düşük oranlarda tutkal endüstrisinde dolgu maddesi olarak değerlendirilmesi imkanlarının araştırılması, bu artıkların katma değeri yüksek alanlarda kullanılmasına öncülük edeceği için önemli bulunmuştur. KAYNAKLAR Altınok, M., Özalp, M., Karaaslan, A., Perçin, O Borla modifiye edilmiş tutkalların kestane (Castenea sativa Mill.) odununun yapışma direncine etkileri. Bartın Orman Fakültesi Dergisi 2009, 11(15): Aydın, Ġ., Demirkır, C., Çolak, S., Çolakoğlu, G Çeşitli ağaç kabuğu unlarının kontrplaklarda dolgu maddesi olarak değerlendirilmesi. III. Ulusal Karadeniz Ormancılık Kongresi Mayıs Artvin. Eberhardt, T.L., Reed, K.G Strategies for improving the performance of plywood adhesive mix fillers from southern yellow pine bark. Forest Products Journal, 56(10):

5 49 Ellis, S., Paszner, L Activated self-bonding of wood and agricultural residues. Holzforschung, 48, Flores. J.D Chemical characterization and twostep cure kinetics of a high performance epoxy adhesive system. Master of Science. University of San Carlos (Cebu, Philippines), July Frihart, C Wood Chemistry and wood composites. Edited by Roger M. Rowell CRC Press Boca Raton London New York Washington, D.C. p Hass, F.K. Wittel, M. Mendoza, M. Stampanoni, H.J. Herrmann, P.N Adhesive penetration in beech wood Part I: Experiments, accepted for Wood Science and Technology, arxiv:1007,0762. Kurt, R. Mengeloğlu, F., Bektaş, Ġ The Introduction Of Engineered Wood Products (EWPs) For The Earthquake Resistant Building Construction in Turkey. Beşinci Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, Mayıs İstanbul. Lei, H Synthetic and Natural Materials for Wood Adhesive Resins. Nanjing Forestry University Wood science the degree of doctorate page: Mengeloğlu, F. Kurt, R Mühendislik Ürünü Ağaç Malzemeler Tabakalanmış Kaplama Kereste (LVL) ve Tabakalanmış Ağaç Malzeme (TAM). KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 7 (1): 39. Oh, Y.S., Sellers, T Korean filler raw materials for plywood adhesives. Forest Products Journal, 49(3), Pizzi, A Handbook of Adhesive Technology, Revised and Expanded Marcel dekker inc. Newyork Basel USA p Selbo, M. L Adhesive bonding of wood. U.S. Department of Agriculture Forest Service Technical Bulletin No Washington, D. C. August 10 p. Sellers, T., Miller, G., Smith, W Tool wear properties of five extender/ fillers in adhesive mixes for Plywood. Forest Products Journal Vol. 55, No Tan, H., Çolakoğlu, G Dolgu maddesi olarak meşe palamut unu kullanımının okume kontraplak levhalarında bazı mekaniksel ve fiziksel özellikleri üzerine etkisi. III. Ulusal Karadeniz Ormancılık Kongresi Mayıs Artvin. TS EN Yapıştırıcılar Fenolik ve Amino plastik Yüke dayanımımın gerekli olduğu Ahşap yapılar için - Sınıflandırma ve performans özellikleri. s.1 5. TS Yapıştırıcılar Sentetik reçineli (Fenolik ve Aminoplastik)- Rutubete dayanıklı (MR) Ahşap malzemeler için s.1 5. Vick, C Wood handbook Wood as an engineering material. Gen. Tech. Rep. FPL GTR 113. Madison, WI: U.S. p Wålinder, M Wetting Phenomena on Wood Factors Influencing Measurements of Wood Wettability. Doctorate Thesis, Stocholm. p. 2.