ATIK DEĞERLENDİRMESİNDE BİR SEÇENEK; KAĞIT-PLASTİK KOMPOZİT ÜRETİMİ ÖZET

Transkript

1 III. Ulusal Karadeniz Ormancılık Kongresi Mayıs 2010 Cilt: V Sayfa: ATIK DEĞERLENDİRMESİNDE BİR SEÇENEK; KAĞIT-PLASTİK KOMPOZİT ÜRETİMİ Kadir KARAKUŞ 1, Hülya VARLIBAŞ 1, Fatih MENGELOĞLU 1, Arif KARADEMİR 1 ** Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Orman Fakültesi, Orman Endüstri Mühendisliği Bölümü, Kahramanmaraş, kadirkarakus82@hotmail.com ÖZET Günümüzde hammadde problemi ve atık değerlendirilmesi konusu çoğu endüstrilerde olduğu gibi kâğıt ve plastik sanayinde de oldukça önemli bir yer tutmakta ve konu üzerinde çok geniş araştırmalar yapılmaktadır. Atık plastik materyallerle, çok farklı çeşit, özellik ve oranlarda lifsel materyalin harmanlanarak yeni kompozit malzemelerin üretilmesi konusunda çok detaylı çalışmalar bulunmakta ve halen devam etmektedir. Lignoselülozik malzemenin yonga, lif, un veya toz halinde kullanılması ile üretilen kompozitlerin hem üretim performansı hem de mekanik özelliklerinde ciddi farklar oluşmaktadır. Plastik ile bitkisel malzemeden kompozit üretiminde karşılaşılan önemli problemlerden birisi karışımın homojenliğinin sağlanmasıdır. Konuya farklı bir yaklaşım olarak, bu araştırma da, yüksek yoğunluklu polietilen içerisine lignoselülozik malzemeyi lif olarak katmak yerine ince safiha (kağıt) şeklinde kullanabilme olanakları araştırılmıştır. Ayrıca bu kâğıtların özel desenlerde delikli ve deliksiz kullanılmalarının plastik-kâğıt kompozitlerin özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Anahtar Kelime: Lignoselülozik materyal, mekanik özellikler, kağıt-plastik kompozit, yüksek yoğunluklu polietilen THE MANUFACTURE OF PAPER PLASTIC COMPOSITES ABSTRACT Today, the problems of raw material and the evalution of wastes is very important in many industries including paper and plastics industry. Extensive researchs are made on this subject. There are many researches on the production of composite materials from waste plastic and lignocellulosic materials. The use of the lignocellulosic material in the composites as particle, fiber, flour or dust couses serious diffrences on the manufacturing process and mechanical properties. One of the important problems in the composite produced with plastic and lignocellulosic materials is the homogeneity of the mixture. As an alternative method, layered composite manufacturing by using thin layer of plastic and paper was studied. In addition, the effect of paper with hole on the composite performance was also investigated. Key Words: Lignocellulosic material, mechanical properties, paper-plastic composites, high density polyethylene. 1. GİRİŞ Plastik endüstrisi hızlı gelişen ve her geçen gün kullanım alanı biraz daha genişleyen bir sektördür. Hayatımızın her aşamasında plastiği bir şekilde kullanmak durumundayız. Bunun yanında orman kaynaklarımızın kısa sürede yenilenmemesi ve kullanım miktarındaki artış, doğanın dengesini olumsuz yönde etkilemektedir. Her yıl yenilenebilir olması ve düzgün bir yapıya sahip olması lignoselülozik liflerin kompozit malzemelerin üretiminde kullanılmasını gündeme getirmiştir. Bu amaçla da orman 1852

2 endüstrisi atıkları ve tarımsal atıkların polimer kompozit üretiminde değerlendirme araştırmalarının yapıldığı görülmüştür. Plastik materyal içerisine dolgu maddeleri olarak lifsel materyal veya unların kullanıldığı rapor edilmiştir (Winandy vd., 2004). Lifsel materyal olarak atık kağıtların kullanılması oldukça eski yıllara dayanmakla birlikte son yıllarda miktar ve oran bakımından artışlar görüldüğü rapor edilmiştir. Bu kaynakların kullanılması dolaylı yoldan orman kaynaklarının korunmasına, çevre kirliliğinin azaltılmasına katkı da bulunacağı düşünülmektedir (Karademir, A. 2002a; Karademir vd., 2002b; Karademir vd.,2002c; Karademir vd., 2006). Plastik materyal ve ince safiha şeklindeki çeşitli kâğıtların bir araya getirilmesiyle elde edilen malzemeler kâğıt-plastik kompozitler olarak adlandırılmaktadır. Plastik kompozitlerin üretilmesinde farklı türde lifsel maddelerden elde edilen unlar ya da lifler ile polietilen (PE), polipropilen (PP), polistiren (PS) ve polivinil klorür (PVC) gibi plastikler kullanılabilmektedir (Clemons, 2002; Caulfıeld, 2005). Plastik kompozitlerin üretilmesinde çeşitli ağaç türleri ve farklı tarımsal atıklar kullanılmıştır. Yapılan bu çalışmalarda akçaağaç (Li ve Matuana, 2003), kavak (Rachtanapun vd., 2003), çam türleri (Kim vd., 2006), ladin (Bengtsson ve Oksman, 2006),, buğday sapları (Sanadi vd., 1994; Panthapulakkal vd., 2006; Mengeloğlu ve Karakus, 2008a; Mengeloğlu ve Karakus, 2008b; Mengeloğlu ve Karakus, 2008c; Mengeloğlu ve Kabakcı, 2008) vb. değerlendirilmiştir. Bununla beraber epolene E 43 (bir tür düşük molekül ağırlıklı MAPP) termomekanik kağıt hamuru ve polipropilen (PP) kompozitlerinde birleştirici madde olarak başarılı bir şekilde kullandığı görülmüştür (Woodhams vd., 1984). Kağıt lifi ile güçlendirilmiş plastik kompozitlerin mekanik özellikler üzerinde etkisini inceleyen çalışmalar görülmektedir (Lundquist vd., 2002). Kağıt fabrikası elek altı lif kırıntılarını polipropilen, yüksek yoğunluklu polietilen ve düşük yoğunluklu polietilen kullanarak termoplastik kompozitlerin üretilmesinde kullanıldığı rapor edilmiştir (Son vd. 2004). Daha önce yapılan çalışmalar incelendiğinde plastik materyaller içerisinde kullanılacak olan kâğıtların lif haline getirilip karıştırılmasıyla kompozit malzemelerin üretilmesi konusunda çalışmalar yapıldığı bilinmektedir. Ancak farklı türdeki kâğıtların ince safiha şeklinde plastik kompozitlerin içerine konularak tabakalı şekilde üretilmediği gözlemlenmiştir. Ülkemizdeki yüksek yoğunluklu polietilen gibi plastiklerin ve pamuk, buğday sapı, kraft gibi farklı türdeki kâğıtların plastik-kağıt kompozit üretiminde kullanılma potansiyeli olduğu görülmektedir. Ülkemizde bu amaçla kullanılabilecek yaklaşık olarak yaklaşık 6 milyon ton geri dönüşüm plastik olduğu fakat bunların az bir miktarı yeniden değerlendirildiği rapor edilmiştir (Mengeloğlu, 2006). Ayrıca ülkemizdeki kâğıt miktarlarının yaklaşık olarak 2 milyon ton olduğu belirlenmiştir (Anonim, 2006). Ülkemizdeki mevcut plastik miktarı ve kâğıtlar göz önüne alındığında plastik ve farklı kâğıt kompozitlerin üretilmesinde değerlendirilmesini mümkün kılmaktadır. Bu çalışmada plastik materyal ile farklı türdeki kâğıtların plastik kompozitler üzerinde değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Üretilen plastik kağıt kompozitlerin mekanik özellikleri belirlenerek testleri yapılmıştır. 2. Materyal ve Metot 2.1 Materyal Bu çalışmada polimer malzeme olarak yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) ve pamuk telefi kağıdı, buğday saplarından elde edilen kâğıt ve kraft kâğıdı gibi üç farklı lifsel materyal kullanılmıştır. Polimer matrisi olarak kullanılan YYPE, PETKİM A.Ş. sanayiden temin edildiği şekilde değerlendirilmiştir. Lifsel materyal ise Kahramanmaraş ili içerisinden 1853

3 temin edilmiştir. Plastik kağıt kompozitlerin üretilmesinde kullanılan ürünlerin kodları ve içeriği Çizelge 1 de gösterilmiştir. Çizelge 1. Örneklerin kodları ve içeriği Örnek Kodları HDPE HTK HP HS HK Örnek İçerikleri Saf Yüksek Yoğunluklu Polietilen (HDPE)+MAPE HDPE + Deliksiz (Tüm) Kraft Kağıdı HDPE + Pamuk Kağıt HDPE + Saman Kağıt HDPE + Kraft Kağıt 2.2 Plastik- Kağıt Kompozitlerin Üretimi Plastik kağıt kompozitlerin üretilmesi iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) pres kalıplama yöntemi kullanılarak 2x160X170 mm boyutlarında levhalar üretilmiştir. Üretim esnasında 180 ºC lik sıcaklık ve 15 dk lı presleme süresi kullanılmıştır. İkinci aşamada çalışmada kullanılacak olan üç farklı kağıdın üretimi gerçekleştirilmiştir. Önce pamuk telefleri sulandırılarak hamur süspansiyonu haline getiril, sonra buğday saplarının soda oksijen yöntemiyle pişirilmesi ile kağıt hamurları üretilmiştir. Son olarak kraft kağıdı sulu süspansiyon haline getirilerek uygun kesafet hesaplamaları yapıldıktan sonra kullanıma hazır hamur haline getirilmiştir. Daha sonra ise hazırlanmış olan pamuk, saman ve kraft hamurları Rapid-Köten kağıt makinesi kullanılarak 60 gr/m 2 gramajda kağıtlar üretilmiştir. Üretilen pamuk kağıdı, buğday saplarından elde edilen kağıtlar ve kraft kâğıtları sıcaklık ve nem kontrollü odada en az 48 saat bekletilerek kompozitlerin üretilmesinden önce çekme, patlama direnci ve hava geçirgenliği gibi mekanik özellikleri Çizelge 2 de verilen ilgili standartlara göre testleri yapılmıştır. Çizelge 2. Çalışmada takip edilen metot ve standartlar (Anonim, 1998) Deney ve Testler Test kağıtları yapımı Çekme direnci Patlama direnci Hava geçirgenliği Gramaj Kalınlık değeri 95 Standartlar TAPPI T 205 sp- TAPPI T 494 om-88 TAPPI T 403 om-91 TAPPI T 547 cm-85 TAPPI T 410 om-88 TAPPI T 412 om-89 Bu çalışmada yaklaşık 4 cm kalınlığında Kağıt-plastik kompozitler üretilmiştir. Kompozit malzemenin yaklaşık % 95 i (90 gr) yüksek yoğunluklu polietilenden ve geriye kalan yaklaşık %5 i (5,4 gr) ise pamuk, buğday sapları veya kraft kâğıtlarından oluşmuştur. İlk olarak üretilen kâğıt safihalar plastik katmanlar arasına tüm olarak yerleştirilirken, ikincisinde ise kâğıtların ortalarından 5 mm çapında ve 10 mm aralığında delikler açılarak kağıt-plastik kompozitlerin üretilmesi gerçekleştirilmiştir. Üç adet plastik 1854

4 katman ve bu katmanlar arasına 2 adet kâğıt safihalar konulacak şekilde plastik-kâğıt kompozit levhalar elde edilmiştir. 2.3 Örneklerin Test Edilmesi Üretilen polimer kâğıt kompozit örneklerinin çekme ve darbe direnci gibi mekanik özellikleri incelenmiştir. Bu amaçla çekme direnci testleri 10 KN lik Üniversal test makinesinde, darbe dayanımı testleri ise Zwick marka HIT 5.5P test makinesinde gerçekleştirilmiştir. Çekme direnci testleri ASTM D 638 e göre gerçekleştirilmiştir. 7 adet örnek 5.0 mm/dk test hızında test edilmiştir. 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. 3. Bulgular ve Tartışma Çalışmada kullanılan üç farklı kağıt ve bu kağıtlar kullanılarak üretilen kağıt-plastik kompozitler üzerinde mekanik özellikleri belirleme çalışması yapılmıştır. Pamuk telefi, buğday sapı ve kraft kağıtların mekanik özellikleri Çizelge 3 de verilmiştir. Çizelge 3. Pamuk, buğday sapı ve kraft kağıtlarının mekanik özellikleri PAMUK SAMAN KRAFT ÖRNEK ADI Gram aj (gr/ m 2 ) Kalınlı k (mikron) Yoğu 0,23 0,55 0,50 nluk (gr/m 3 ) Hacim 4,33 1,83 2,00 lilik (m 3 /g r) Patla ma indis(kpa m 2 /g) 0,98 5,07 3,43 Kopm a İndis (Nm/g) Hava Geçirgenliği (ml/d k.) 2,32 44,78 29,42 2,00 7,85 3,07 Çizelge 3 incelendiğinde aynı gramajda olmalarına rağmen patlama ve kopma indislerinde en iyi sonucu saman kâğıdı ile yapılan örneklerde gözlemlenmiştir. Buğday saplarından elde edilen kağıtların, pamuk ve kraft kağıt türlerine göre daha düzgün formasyon sağladığından dolayı hava geçirgenliği değerinin daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bununla beraber pamuk telefi kağıtların hacimlilik değeri fazla olmasına 1855

5 rağmen kraft kağıdın patlama ve kopma indisi değerlerinden daha az olduğu gözlemlenmiştir. Farklı türdeki kâğıtlardan üretilen plastik kağıt kompozitlerin mekanik özellikleri ise Çizelge 4 de verilmiştir. Üretilen örnekler üzerinde çekme ve darbe direnci testleri uygulanmıştır. Çizelge 4. Üretilen plastik kağıt kompozitlerin mekanik özellikleri Örnek Çekme Çekmede Adı Direnci Elastkiyet Modülü (MPa ) (MPa ) HDPE 21,92 309,77 (1,27) (15,90) HTK 16,69 275,36 (1,16) (13,75) HK 20,89 283,90 (0,74) (15,48) HS 20,08 219,48 (1,83) (18,57) HP 20,46 (1,35) : Parantez içinde standart sapma değerleri verilmiştir 334,96 (23,48) Darbe Direnci (J/m) 355,59 (90,04) ,10 (33,64) 517,76 (87,24) 359,48 (53,85) Öncelikli olarak kraft kağıtlarından üretilen plastik kağıt kompozitler deliksiz olarak üretilmiştir. Deliksiz olarak üretilen kompozitlerin mekanik özelliklerine bakıldığında delik açılarak üretilen plastik kağıt kompozitlerden daha az çekme ve darbe direnci değerlerine sahip olduğu tespit edilmiştir. Bu durumun kağıtlar üzerinde açılan deliklerin erimiş haldeki plastik malzemen delikler arasından geçerek daha iyi bir yapışma sağlamış olmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Delikli olarak üretilen malzemelerin çekme değerleri incelendiğinde, üretilen bütün plastik kağıt kompozitlerinde kontrol örneğine göre çok az bir düşüş meydana geldiği belirlenmiştir. Çekmede elastikiyet modüllerinde ise pamuk teleflerinden yapılan plastik kağıt kompozitlerinin değerlerinin yüksek olduğu, diğer kompozit örneklerinde ise azalma olduğu görülmüştür. Kopma direncine bakıldığında ise kullanılan kağıtların saf plastiğe göre çok daha düşük kopmada uzama değerlerine sahip olması dolayısıyla üretilen kağıtplastik kompozitlerin kopmada uzama değerleri daha düşük bulunmuştur. plastiği daha sert bir hale getirmesinden dolayı üretilen örneklerin uzamasını da azaltığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, üretilen bütün kağıtların plastik kağıt kompozitlerinin darbe direnci değerlerini artırdığı tespit edilmiştir. 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) ve üç farklı kağıt (pamuk, buğday sapı ve kraft kâğıtları) kullanılarak kâğıt-plastik kompozitler üretilmiştir. Üretilen kâğıt- plastik kompozit malzemelerin çekme, kopma ve darbe direnci gibi mekanik özellikleri belirlenmiştir. Bu özellikler göz önüne alındığında delikli kâğıtların deliksiz olarak üretilen plastik kâğıt kompozitlere göre çekme, kopma ve darbe direncini arttırdığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma ile kâğıtların ve yüksek yoğunluklu polietilenin, plastik kâğıt kompozitlerin üretilmesinde kullanılabileceği düşünülmektedir. 1856

6 5. KAYNAKLAR Anonim, TAPPI Test Methods, Tappi Press, Atlanta, Georgia, USA Tappi T 402 om- 88, Test Kağıtlarının Kondisyonlanması Metodu, Tapi Test Metotları. Anonim, Selüloz ve Kağıt Sanayi Vakfı Sektör Görüşü. Caulfıeld, D. Clemons, C. Jacobson, R. Rowell, R Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites, Chapter 13, Usda Forest Service. Forest Products Laboratory. Madison. Wı. S Clemons, C Wood Plastic Composites in The United States, the Interfacing of Two Industries. Forest Product Journal, 52 (6): Gassan, J. and A.K. Bledzki The influence of fiber surface treatment on the mechanical properties of jute-pp composites. Composites Part. A-Appl. S. 28, Hornsby, P.R., E. Hinrichsen and K. Triverdi Preparation and properties of polypropylene composites reinforced with wheat and flax straw fibers. Part II. Analysis of composite microstructure and mechanical properties. J. Mater. Sci. 32, Karademir, A. 2002a. Quantitave Determination of Alkyl Ketene Dimer (AKD) Retention in Paper Made on a Pilot Paper Machine. Turkish Journal, of Agiculture and Forestry, 26 (5): Karademir, A., Akgül, M., Tutuş, A. 2002b. Kağıt Endüstrisinde Enzim KullanımınaGenel Bir Bakış, Bölüm 1. Enzimlerin Kabuk Soyma, Liflerin Modifikasyonu ve Çözünebilir Hamur Üretiminde Kullanımı. KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, 5(1): Karademir, A., İmamoğlu, S., Tutuş, A. 2002c. Situation of Paper Based Waste in Turkey, Proceeding of international Waste Management Association (ISWA) Conference, July 8-12, 1, İstanbul, Turkey. Karademir, A., Özdemir, F., İmamoğlu, S Effects of Alum-Rosin Sizing on the Properties of Some Wastepaper Gades. Biotechnology, 6(1): Li, Q., Matuana, L. M Effectiveness of Maleated and Acryclic Acid-Functionalized Polyolefin Coupling Agents for HDPE-Wood Flour Composites. J. Thermoplast. Compos., 16: Lundquist, L., Marque, B., Hagstrand, P.O., Leterrier, Y., Manson, J.A.E Novel Pulp Fibre Reinforced Thermoplastic Composites, Composites Science and Technology 63, Mengeloglu, 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, Mengeloglu, F., Kabakcı, A Determination of Thermal Properties and Morphology of Eucalyptus Wood Residue Filled High Density Polyethylene Composites. Int. J. Mol. Sci., 9:

7 Panthapulakkal, S., Zereshkıane, A., Saın, M Preparation And Caracterization of Wheat Straw Fibers Reinforcing Application in Injection Molded Thermoplastic Composites. Bioresource Technology 97: Rachtanapun, P., S.E.M. Selke and L.M. Matuana Microcellular foam of polymer blends of HDPE/PP and their composites with wood fiber. J. Appl. Polym. Sci. 88, Sanadi, A.R.; Caulfield, D.F.; Rowell, R.M Reinforcing Polypropylene With Natural Fibers, Plast. Eng. 4, Son, J., Yang, H.S., Kim, H.J Physico-mechanical Properties of Paper Sludge Thermoplastic Polymer Composites, Journal of Thermoplastic Composite Materials, 17. Winandy, J.E., Stark, N.M., Clemons, C.M Considerations Recycling of Wood Plastic Composites, 5th Global Wood and Natural Fiber Composites Symposium, Kassel, Germany. Woodhams R. T., G. Thomas and D.K. Rodgers Wood fibers as reinforcing fillers for polyolefins. Polym. Eng. Sci. 24: