Kağıt Atıklarından Gözenekli Malzemelerin Üretimi Atilla EVCİN a*, Abdullah KÜÇÜK a, Selma ÖZMIHÇI a ve Deniz B. KEPEKÇİ a a* Afyon Kocatepe Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, Afyonkarahisar, 03200 evcin@aku.edu.tr ÖZET Gözenekli malzemeler düşük yoğunluk, mekanik, ısıl, elektriksel ve akustik özelliklerine sahip yeni bir malzeme grubudur. Bu özelliklerinden dolayı kullanışlı, farklı uygulama alanlarında tercih edilen malzeme türlerindendir. Bu çalışmada kil ve kağıt atığı kullanılarak çeşitli reçeteler elde edilmiş ve bunların teknik özellikleri araştırılmıştır. Çalışmanın temel amacı atıkları değerlendirerek gözenekli malzemeler elde etmektir. Yapılan çalışmalar dört aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada üç farklı oranlarda reçeteler hazırlanmıştır. İkinci aşamada hazırlanan karışımlar 2 hafta bekletilip yaşlandırıldıktan sonra kurutulup, öğütüldükten sonra tek eksenli hidrolik preste şekillendirilmiştir. Üçüncü aşamada ise şekillendirilmiş numuneler normal fırın atmosferinde 1000-1050 ve 1100 C de 1 saat sinterlenmiştir. Dördüncü aşamada elde edilen numunelerin, fiziksel, mekanik ve içyapı özelliklerinin belirlenebilmesi için % kuru küçülme, % pişme küçülmesi, % toplam küçülme, % su emme, birim hacim ağırlıkları, % gözeneklilik, mukavemet ve morfolojik analizleri yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Gözenekli malzemeler, atıklar, kağıt, çevre GİRİŞ Yüksek oranda gözeneklilik ihtiva eden metal, seramik ve polimerlerin kullanımı günümüzde gittikçe yaygınlaşmakta, bu tür malzemeler üzerinde, özellikle mikroyapı ile malzeme özellikleri arasındaki ilişkiye yönelik araştırma faaliyetleri de artmaktadır. Bu malzemelerden gözenekli seramikler düşük yoğunluk, termal iletkenlik ve dielektrik sabiti ile birlikte yüksek termal şok dayanımı, geçirgenlik ve özgül yüzey alanı gibi özelliklerinin eşsiz kombinasyonu ile bazı mühendislik uygulamalarında vazgeçilmez olmakla birlikte metal ve polimerlere kıyasla yüksek sıcaklık dayanımı ve çevresel kararlılık gerektiren uygulamalarda avantajlar sunmaktadır. Gözenekli seramikler, kendine has özelliklerinden dolayı sıvı metal ve egzoz filtrelerinde, brülor ısıtıcılarda, ısı değiştiricilerde, katalizör taşıyıcı ve kemik yerini alan bio malzemelerde, termal yalıtım malzemelerinde, polimer ve metal matriksli kompozit malzemeler gibi birçok uygulama alanında son zamanlarda büyük ilgi çekmektedir. Ayrıca hafif zırh malzemelerinin matriks yapısında ve bio-malzemelerin üretiminde son zamanlarda büyük araştırmalar yapılmaktadır. Savunma sanayi, bioteknoloji alanlarında yeni gelişmelere ışık tutacak bu tür araştırmalar ülkemiz açısından da büyük önem taşımaktadır. Gözenekli seramiklerin uygulama alanları por yapılarına (porozite, por çapı ve tipi) bağlı olarak değişmektedir. Por yapıları açık ve kapalı porlar olmak üzere iki temel sınıfa ayrılmaktadır. Kapalı por yapısına sahip gözenekli seramikler refrakter astarları, termal yalıtım malzemeleri ve hafif yapı malzemeleri olarak kullanılırken, açık gözenekli seramik malzemelerin başlıca kullanım alanlarını sıvı metal ve gaz filtreleri teşkil etmektedir [1]. Kağıt atıklarını üzerine birçok bilimsel çalışma yapılmıştır [2-7].
Yeni prosesler ve uygulamalarla birlikte, gözenekli seramiklere son yıllarda sahip olduğu özellikler şunlardır: Düşük yoğunluğa sahiptirler. Düşük termal iletkenlik gösterirler. Yüksek geçirgenliğe sahiptirler. Yüksek yüzey alanına sahiptirler. Yüksek termal şok rezistansı gösterirler. Yüksek spesifik dayanıklılık gösterirler. Doğal bir görünüme sahiptirler. Genel olarak inerttirler. Kabarcık basıncında oksitlenmezler. Kolaylıkla temizlenebilirler. [8] Bu karakteristikler gözenekli seramiklerin, filtreler, katalizörler, izole ediciler, membranlar, fırınlar için refrakter hatlar ve biyolojik materyallerin yüzeylerindeki implantlar gibi hem yapısal hem de fonksiyonel uygulamalarda kullanılmalarını sağlar. Endüstriyel pazarda; filtre, katalizör ve membran olarak kullanımları bu amaçla kullanılan diğer materyaller içindeki doğal görünümleri sayesinde hızla artmaktadır. Gözenekli seramikler, kullanım alanlarına göre çeşitli porozite % lerinde ve gözenek büyüklüğünde üretilirler. Gözenekli Seramiklerin Üretiminde Kullanılan Prosesler Polimer köprülerinin seramik çamurlarıyla doyurularak kopyalanması Seramik çamurlarının ya da sol-jel çözeltilerinin doğrudan köpüklenmesi Seramiklerin sinterlenmesi Sonradan yakma sırasında elimine edilen organik fazların dahil edilmesi Piroliz basamağını takiben, CO 2 kullanılarak preseramik polimerlerin köpüklenmesi [8] DENEYSEL ÇALIŞMALAR Karışımlarda Dalaman Mopak Selüloz-Kağıt-Karton Entegre Tesisleri atıkları ile Çanakkale Seramik A.Ş. den temin edilen kil kullanılmıştır. Kilin kimyasal bileşimi Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Kilin kimyasal bileşimi SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O K 2 O TiO 2 A.Z. 58,79 27,91 0,81 0,27 0,51 0,47 2,03 1,26 7,85 Çalışmada kullanılan kağıt atıklarının XRD paternleri Şekil 1 de verilmiştir. Atıklar % 3 nemli olup, ilk aşamada 1/3 oranında suyla karıştırılarak hamur haline getirilmiş ve bir gün bekletilmiştir. Kağıt atıkları hamur haline getirildikten sonra Çizelge 2 de belirtilen reçeteler dahilinde kil ile karıştırılmıştır. Çizelge 2. Reçete bileşimleri Reçete 1 Reçete 2 Reçete 3 Kağıt Atığı 70 60 50 Kil 30 40 50
Şekil 1. Kağıt atıkları XRD analizi. Şekil 1 den görülebileceği gibi atığın XRD analizinden büyük oranda kalsit ve selüloz içerdiği görülmektedir. Deney akım şeması Şekil 2 de görülmektedir. Şekil 2. Deney akım şeması Kil Kağıt atığı Su Yaşlandırma Kurutma (105+/-5 ºC) Öğütme Şekillendirme Sinterleme (1000ºC-1050ºC -1100ºC, 1 saat) Karakterizasyon Kil ve hamur halindeki kağıt atıkları su ilavesi ile homojen bir şekilde karıştırıldıktan sonra 2 hafta yaşlandırma amacıyla dinlendirilmiştir. (Şekil 3) Dinlendirme süresi boyunca reçeteler ara sıra hava alabilmeleri amacıyla teker teker karıştırılmış ve suyun buharlaşmaması için 1 hafta boyunca üzerleri poşet ile kapatılarak muhafaza edilmiş son 1 hafta açılarak kurumaları sağlanmıştır. Reçeteler önce 100 ºC lik etüvde kurutulduktan sonra öğütme uygulanmıştır.
Şekil 3. Kağıt atığı - Kil karışımları Kurutulup öğütülen reçeteler toz haline getirildikten sonra her reçeteden 5 er gramlık 30 adet numune tartılmıştır. Bu numuneler yaklaşık 40 bar basınçta altında 5x5x10 cm ebatlarında, dikdörtgenler prizması şeklinde şekillendirilmiştir. Şekillendirilen numunelerden; her reçeteden 10 numune olacak şekilde numuneler 1000-1050 ve 1100ºC de 1 er saat bekletilerek sinterlenmiştir.(şekil 4)
(a) (b) (c) Şekil 4. Sinterlenen numuneler (a : 1000 C, b : 1050 C, c : 1100 C) Sinterlenen numunelere % ağırlık kaybı, su emme, gözeneklilik, bulk yoğunluk ve basma mukavemeti testleri yapılmıştır.
SONUÇLAR Numunelerin % ağırlık kayıpları, su emme, gözeneklilik, bulk yoğunluk ve basma mukavemeti test sonuçları sırasıyla Şekil 5-9 de verilmiştir. Reçete I Reçete II Reçete III 80 75 % Ağırlık Kaybı 70 65 60 55 50 Şekil 5. Numunelerin % ağırlık kayıplarının sıcaklıkla değişimi.. Ağırlık kaybı; kağıt atığı miktarının artmasıyla beklenen şekilde artış göstermiştir. En yüksek ağırlık kaybı % 70 kağıt atığı katkılı reçetede 1100 ºC de % 76,52 ile elde edilmiştir. Katkı miktarı yüksek olduğu için ağırlık kaybı değeri de yüksek çıkmıştır. Kağıt atığını yanması sonucu çok az miktarda kalıntı bıraktığından ağırlık kayıplarının yüksek çıkmasına neden olmuştur. Reçete I Reçete II Reçete III 80 75 70 % Su emme 65 60 55 50 45 40 Şekil 6. Numunelerin % su emme değerlerinin sıcaklıkla değişimi.
Reçete I Reçete II Reçete III 80 75 % Gözeneklilik 70 65 60 55 50 45 40 Şekil 7. Numunelerin % gözeneklilik değerlerinin sıcaklıkla değişimi. % Su emme ve gözeneklilik değeri, kağıt atığı miktarı ve sıcaklık ile doğru orantılı bir şekilde artmıştır. Ağırlık kaybının en yüksek olduğu şartlarda su emme yüzdesi % 79,08 ve gözeneklilik % 73,5 gibi en yüksek değere ulaşmıştır. Sıcaklık etkisiyle ortamdan uzaklaşan kağıt atığı ve su yapıda gözenek meydana getirmiştir. Su emme yüzdesinin yüksek çıkması yapının oldukça gözenekli olduğunu göstermektedir. Su emme ve gözenekliliğin aksine katkı miktarının artmasıyla pişmiş yoğunluk değeri azalmıştır. Reçete I Reçete II Reçete III 1,2 Pişmiş Yoğunluk 1,1 1 0,9 Şekil 8. Numunelerin bulk yoğunluk değerlerinin sıcaklıkla değişimi. En düşük yoğunluk % 70 kağıt atığı katkılı reçetede 1100 ºC de 0,97 gr/cm 3 ile elde edilmiştir. Yoğunluk birim hacmin kütlesi olduğuna göre, yapıdaki gözenekler nedeniyle birim hacimdeki kütle azalmakta ve bu da yoğunluğu düşürmektedir. Gözenekli malzemelerin üretiminde beklenen şekilde yapıdaki gözenek yapıcının miktarının artmasıyla su emme ve gözeneklilik miktarları artarken, bunun aksine yoğunluğu ise azalmıştır.
Reçete I Reçete II Reçete III 45 40 Basma Mukavemeti 35 30 25 20 15 10 Şekil 9. Numunelerin basma mukavemeti değerlerinin sıcaklıkla değişimi. Sinterlenmiş numunelerin basma mukavemeti değerleri kağıt atığı katkısının yüksek olmasından dolayı gözenekli numunelerin mukavemet değerleri düşük çıkmıştır. En yüksek mukavemet % 50 kağıt atığı katkılı 1100 ºC de sinterlenen numunelerde 40 kg/cm 2 olarak çıkmıştır. Genellikle gözenekli malzemelerde gözenek miktarının artması hem basma hem de eğme mukavemetini düşürmektedir. Çalışmamızda da yüksek miktarda kağıt atığı kullanıldığından yapıda gözenek oluşturmuş ve dolayısıyla mukavemeti düşürmüştür. Literatürde bu oranlarda kağıt atığı katkısı kullanılan bir çalışma bulunamadığından kıyaslama yapılamamıştır. Literatürde en yüksek % 30 kağıt atığı katkılı çalışmadaki numunelerin 1100 ºC de sinterlenmesi sonucu elde edilen pişmiş yoğunluk değeri 1,28 gr/cm 3, % gözeneklilik değeri % 52, % su emme değeri % 40,4 ve basma mukavemeti değeri 51 kg/cm 2 çıkmıştır. [2] Şekil 10. Numunenin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü. Şekil 10 dan görülebileceği gibi oldukça yüksek oranda gözenekliliğe sahiptir. SEM fotoğrafı da bunu desteklemektedir.
Endüstriyel atıkların bertarafı ve yeniden kullanımı çevre ve insan sağlığı kadar ekonomiye katma değer sağlaması açısından büyük önem arz etmektedir. Çalışmamızda büyük oranda kağıt atığı bulunduğundan % ağırlık kaybı, su emme ve gözeneklilik değerleri yüksek çıkmış, buna mukabil katkı oranının artmasıyla basma mukavemetinde düşüş görülmüştür. Katkısız kilden hazırlanmış numunenin yoğunluğu (1,97 g/cm 3 ) kıyaslandığında % 50,76 oranında azalma elde edilmiştir. Bu çalışmada 3 ayrı reçete ve 3 ayrı ısıl işlem sıcaklığı kullanılmış en iyi sonuçlar 1100 ºC de (%50 Kağıt atığı + % 50 kil) den oluşan reçetede elde edilmiştir. Daha mukavemetli numunelerin üretimi için, bu konuda değişik katkılar içeren çalışmalar yapılabilir. KAYNAKLAR [1] Köseler, A.T., Paperclay kağıt katkılı seramik bünyeler, DEU, Yüksek Lisans Tezi, 2004 [2] Sütcü, M., Akkurt, S. The use of recycled paper processing residues in making porous brick with reduced thermal conductivity, Ceramics International 35, 2625 2631, 2009 [3] Conesa J.A., Ga lvez A., Fullana A., Decomposition of paper wastes in presence of ceramics and cement raw material, Chemosphere 72, 306 311, 2008 [4] Li Y., Liu H., High-pressure binderless compaction of waste paper to form useful fuel, Fuel Processing Technology 67, 11 21, 2000 [5] Hojamberdiev M., Kameshima Y., Nakajima A., Okada K., Kadirova Z., Preparation and sorption properties of materials from paper sludge, Journal of Hazardous Materials 151, 710 719, 2008 [6] Oral J., Sikula J., Puchyr R., Hajny Z., Stehlik P., Bebar L., Processing of waste from pulp and paper plant, Journal of Cleaner Production 13, 509 515, 2005 [7] Earl D. A. and Sinton C., Utilization of Paper Mill Waste in Ceramic Products, Final Report, Alfred University, 2003-2005 [8] Özmıhçı S., Gözenekli Seramiklerin Üretimi, A.K.Ü. Lisans Tezi, 2006