6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Emprenye Yapılmış Ağaç Malzeme Üzerine Uygulanan Üstyüzey İşlemlerinin Isı İletkenliklerinin Belirlenmesi B. Uysal 1, F. Yapıcı 1, H. Şahin Kol 1, C. Özcan 1, R. Esen 1, M. Korkmaz 1 1 Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Karabük, 78050, Türkiye Determination of thermal conductivity finished on impregnated wood material Abstract The objective of this research was to investigate the effects of impregnation materials and finished on the thermal conductivity of ash wood. Ammonium sulfate, borax, boric acid, zinc chloride, diammonium phosphate, and sodium silicate as impregnation chemicals and polyurethane, cellulosic, synthetic, acid born and cellulosic, synthetic, industrial paints as finishes were used. The wood materials were impregnated by using the vacuum-pressure method. Consequently, impregnated with boric acid, finished with industrial paint in wood can be used as a material according to the use of area and its purpose where the thermal conductivity is required. Impregnated with borax, finished with cellulosic varnish in wood can be used as a material according to the use of area and its purpose where the insulation is required. Keyword Thermal Conductivity, Ash, Varnish, Paint I. GİRİŞ İnsan yaşamı ve kültürünün gelişme sürecinde uzun ve mükemmel bir tarihe sahip olan ağaç malzeme; yapılarda taşıyıcı eleman, dış cephe kaplaması, döşeme ve çatı malzemeleri olarak kullanıldığı gibi, endüstriyel konstrüksiyonlar da köprü, iskele ve daha pek çok alanda da yoğun olarak kullanılmaktadır [1]. Dünya üzerindeki enerji kaynaklarının hızla tükenmesi üzerine gelişmiş ülkeler başta olmak üzere tüm ülkeler enerji ihtiyaçlarını kontrol altına alma ve enerjiyi etkin kullanma yöntemleri geliştirmişlerdir. Söz konusu bu enerjinin; etkin kullanılması, ısı yalıtımı ile sağlanabilir. Özellikle binanın iç ortamını dış ortamdan ayıran yapı elemanlarını kapsar. Isı iletkenliği, ısı transfer hızının belirlenmesinde önemli bir faktör olmasının yanında kurutma modellerinin geliştirilmesinde, tutkal sertleşme hızının belirlenmesi gibi endüstriyel işlemlerde ve materyalin yalıtkanlık kabiliyetinin tahmin edilmesinde kullanılır [2,3]. Bu çalışmanın amacı, Amonyum sülfat, Boraks, Borik asit, Çinko klorür, diamonyum fosfat ve sodyum silikat ile emprenye edilmiş, farklı ler (poliüretan, selülozik, sentetik, cam cila) ve farklı boyalarla (selülozik, sentetik, endüstriyel) üstyüzey işlemleri yapılmış ağaç malzemelerin ısı iletkenliklerinin belirlenmesidir. I. MATERYAL VE METOD A. Ağaç Malzeme Yapılan çalışmada, ağaç malzeme olarak; Dişbudak (Fraxinus excelsior L.) odunu kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan ağaç malzeme, piyasadan Rasgele Seçim yöntemi ile temin edilmiştir. Temin edilen ağaç malzemeler, hava kurusu hale gelinceye kadar kurutulmuştur. Daha sonra yapılacak olan deneylere göre ağaç malzemelerden kaba kesim yapılmıştır. Harmanlama işlemi kontrol grubunu ve diğer grupları temsil edecek şekilde yapılmıştır. Ağaç malzemenin budaksız, reçinesiz, büyüme kusurları bulunmayan, sağlam, düzgün lifli ve diri odun kısmı olmasına dikkat edilmiştir. Örneklerin hazırlanma işlemi Karabük Üniversitesi Safranbolu Meslek Yüksekokulu Uygulama Atölyesi, Ahşap Kültürünü Araştırma ve Uygulama Merkezi gerçekleştirilmiştir. II. EMPRENYE MADDESİ Amonyum sülfat, boraks, borik asit, çinko klorür, diamonyum fosfat ve sodyum silikat kullanılmıştır. Kullanılan bu malzemeler yangın geciktirici özelliktedirler. Emprenye maddeleri ile ilgili özellikler Tablo 1. de gösterilmiştir. A. Vernikler ve Boya Materyalleri Çalışma üst yüzey malzemesi olarak sentetik, poliüretan, cam cila, selülozik [4,5] ve sentetik boya, endüstriyel boya, selülozik boya kullanılmıştır [6]. B. Deney Örneklerinin Hazırlanması Diri odundan kesilmiş olan numuneler iklimlendirme odasında 3 ay boyunca 20 ± 2 C ve65± 3% bağıl nemde sabit ağırlığa ulaşıncaya kadar klimatize edilmiştir. Emprenye için numuneler 20x50x100 mm boyutlarında hava kurusu taslaklar arasından kesilmiştir. Emprenye işlemi için, 710 mm-hg lik 15 dakikalık vakum periyodunun ardından, emprenye maddesi çözeltisi kazana verilmiş ve 60 dakika süre ile 3 bar basınç uygulanmıştır. Basınç uygulaması bittikten sonra, atmosfer basıncına dönülerek emprenye maddesi dışarı alınmıştır. Daha sonra 10 dakika süre ile 710 mm-hg son vakum uygulanmıştır. Sonra örnekler emprenye kazanından alınmış ve ağırlıkları ölçülmüştür. 262
Emprenye Yapılmış Ağaç Malzeme Üzerine Uygulanan Üstyüzey İşlemlerinin Isı İletkenliklerinin Belirlenmesi Hazırlanan ler ve boyalar üretici firmaların direktifleri doğrultusunda örneklere püskürtme tabancası ile uygulanmıştır. % 12 rutubet için 20 ± 2ºC sıcaklık ve % 65 ± 5 bağıl nem şartlarında üç hafta süreyle kurumaya bırakılmıştır. Örneklerin yüzeylerine ve boya uygulaması, üretici firmanın uygulaması gereken ve boya miktarı önerilerine uyularak 0,01 hassasiyetli elektronik tartı ile tartılıp yapılmıştır. C. Deney Metodu Hava kurusu özgül ağırlıklarının belirlenmesi için 20x20x30 mm boyutlarında örnekler kullanılmıştır. Örneklerin rutubetleri TS 2471 [7]., özgül ağırlıkları TS 2472 [8] esaslarına uyularak belirlenmiştir. Buna göre; deney örnekleri 20 2 C sıcaklık ve % 65 3 bağıl nem şartlarındaki kabinde bekletilerek değişmez ağırlığa ve boyutsal stabiliteye ulaştıktan sonra 0.001 g duyarlıklı analitik terazide tartılmış, boyutları 0.01 mm duyarlıklı kumpas ile ölçülerek hacimleri belirlendikten sonra hava kurusu haldeki ağırlık (M 12 ) ve hacim (V 12 ) değerine göre hava kurusu özgül ağırlık ( 12 ); 12 = M 12 / V 12 g/cm 3 (1) eşitliğinden hesaplanmıştır. 20 mm kalınlık, 50 mm genişlik ve 100 mm boyundaki örnekler elde edilmiştir [9]. Emprenye maddesi, emprenye metodu ve üst yüzey işlemi maddesi göre her gruptan 10 örnek olmak üzere toplam 640 adet örnek hazırlanmıştır. Deneyde kullanılan Quick Thermal Conductivity -500 ısı iletkenliği test makinesinde PD-11 sensör probu kullanılmıştır. Tüm deneylerden önce kalibrasyon ölçümleri yapılmıştır. Her bir örneğin bir dakika süreyle otomatik olarak ölçümleri yapılmıştır [10]. Ölçüm zamanı standart olarak 100 120 saniyedir [11]. D. Verilerin Değerlendirilmesi Deneylerde elde edilen verilere çoklu varyans analizi uygulanmıştır. Varyans analizine göre gruplar arasındaki farklılıkların önem derecesini belirlemek amacıyla Duncan testi uygulanmıştır. III. BULGULAR VE TARTIŞMA Ortalama yoğunluk değerleri Tablo 2 de verilmiştir. En yüksek yoğunluk (0.685 g/cm³) borik asit ile emprenye edilmiş dişbudak odununda elde edilmiştir.en düşük yoğunluk (0.654 g/cm³) ise kontrol dişbudak odununda elde edilmiştir. Emprenye maddelerinin retensiyon miktarları Tablo 3. de verilmiştir. En yüksek retensiyon miktarı % 4.73 ile borik asitte emprenye maddesinde bulunurken, en düşük retensiyon miktarı ise %1.98 ile boraks emprenye maddesinde bulunmuştur. Verniklere ait katı madde miktarları Tablo 4. de verilmiştir. En yüksek tutunma miktarı 1.8 g sentetik ile lenmiş kontrol örneklerde bulunurken, en düşük tutunma miktarı ise 0.6 g selülozik ile lenmiş borik asit ile emprenye edilmiş örneklerde bulunmuştur. Ortalama ısı iletkenlik katsayı değerleri Tablo 5. de verilmiştir. En yüksek ısı iletkenliği katsayı değeri 0.1773 Kcal/mh C ile endüstriyel boya ile boyanmış, borik asit ile emprenye edilmiş dişbudak örneklerde bulunmuştur. En düşük ısı iletkenliği katsayı değeri ise 0.1425 Kcal/mh C ile kontrol örneklerinde bulunmuştur. Emprenye maddeleri ve üst yüzey maddelerinin ısı iletkenliği üzerine etkileri için çoklu varyans analizi tablo 6. da verilmiştir. Çoklu varyans analiz sonuçlarına göre, emprenye maddesi ve üstyüzey maddesi tek başına, emprenye maddesi - üstyüzey maddesi aynı anda, dişbudak örneklerinin ısı iletkenlik değerleri üzerinde etkileri anlamlı bulunmuştur. Emprenye maddelerinin ısı iletkenlik etkisine ilişkin Duncan testi sonuçları Tablo7. de verilmiştir. Emprenye maddelerinin istatistiksel olarak karşılaştırılmasının yapılması sonucu, ısı iletkenlik değerlerinde istatistiksel olarak fark görülmektedir. Etkileşimlerde amonyum sülfat örnek grupları ile borik asit örnek grupları arasında fark görülmemiştir. Diğer gruplar arasında istatistiksel olarak fark görülmektedir. En yüksek ısı iletkenliği değeri 0,1704 Kcal/mh C ile borik asit emprenye de elde edilmiştir. En düşük ısı iletkenliği değeri ise 0,1625 Kcal/mh C ile boraks emprenye de elde edilmiştir. Üstyüzey maddelerinin ısı iletkenlik etkisine ilişkin Duncan testi sonuçları Tablo 8. de verilmiştir. Emprenye maddelerinin istatistiksel olarak karşılaştırılmasının yapılması sonucu, ısı iletkenlik değerlerinde istatistiksel olarak fark görülmektedir. Etkileşimlerde poliüretan örnek grupları ile selülozik örnek grupları arasında fark görülmemiştir. Etkileşimlerde cam cila örnek grupları ile sentetik boya örnek grupları arasında fark görülmemiştir. Diğer gruplar arasında istatistiksel olarak fark görülmektedir. En yüksek ısı iletkenliği değeri 0.1708 Kcal/mh C ile endüstriyel boya işleminde elde edildi. En düşük ısı iletkenliği değeri ise 0.1645 Kcal/mh C poliüretan işleminde elde edildi. IV. SONUÇLAR 1.Yapılan çalışmada dişbudak ısı iletkenlik değerlerinin emprenye maddelerine göre karşılaştırılmasında emprenye edilmemiş kontrol örnekleri en düşük değerleri vermiştir. Kontrol örneklerine göre; boraks % 5, borik asit+boraks % 6, çinko klorür ve di-amonyum fosfat % 7, sodyum silikat ve amonyum sülfat % 9, borik asit ile emprenye edilen örneklerde % 10 ısı iletkenliğinde artış göstermiştir. Borik asidin yoğunluğu ve retensiyon miktarına bağlı olarak ısı iletkenlik değeri daha yüksek bulunmuştur. Emprenyesiz malzeme numuneleri oldukça düşük değerler vermiştir. 2.Yapılan çalışmada dişbudak ısı iletkenlik değerlerinin lere göre karşılaştırılmasında lenmemiş kontrol örnekleri en düşük değerleri vermiştir. Kontrol örneklerine göre; poliüretan % 7.1, selülozik % 7.2, cam cila % 8.7 ve sentetik % 9.6 ısı iletkenliğinde artış göstermiştir. Emprenye ve li ahşap malzemenin ısı iletkenlik değeri olarak, sentetik li malzemeler diğer li malzemelerle karşılaştırıldığında daha yüksek değer 263
B. Uysal, F. Yapıcı, H. Şahin Kol, C. Özcan, R. Esen, M. Korkmaz 1 verir. Bunun nedeni ise sentetik lerin yüzeyde daha fazla katman oluşturmasıdır. 3.Yapılan çalışmada dişbudak ısı iletkenlik değerlerinin boyalara göre karşılaştırılmasında boya yapılmamış kontrol örnekleri en düşük değerleri vermiştir. Kontrol örneklerine göre; selülozik boya % 8.1, sentetik boya % 9 ve endüstriyel boya % 11.2 ısı iletkenliğinde artış göstermiştir. 4.En önemli gözlemlerden biri de retensiyon miktarları arttıkça ısı iletkenlik değerleri artmakta fakat ve boyalarda yüzeyde oluşan katı madde miktarı azalmaktadır. 5.Sonuç olarak, dişbudak ağaç malzememizin kullanım alanına göre, ısı iletkenliğini gereken alanlarda borik asit ile emprenye edilen, endüstriyel boya ile üstyüzey işlemi yapılan ağaç malzeme kullanılabilir. Yalıtkanlık gereken alanlarda çinko klorür ile emprenye edilen, selülozik ile üstyüzey işlemi yapılan ağaç malzeme kullanılabilir. V. KAYNAKLAR [1] Erdin, N. (2003) Ağaç malzeme kullanımı ve çevreye etkisi, İnterteks İnşaat 2003 Fuarı, Ahşap Seminerleri, İstanbul. [2] Gu H.M., Zink-Sharp A. 2005. Geometric model for softwood transverse thermal conductivity. Part 1. Wood and Fiber Science, 37 (4), 699-711. [3] Sanyal, S.N.; Jain, V.K.; Dubey, Y.M.; Verma, P.C. (1991). A Preliminary note on relationship between dielectric properties and thermal conductivity of wood, Journal of Indian Academy of Wood Science, 22 (2), 45-49. [4] Özdemir, T., 2003, The investigations of varnishes features at some tree species grown in Turkey. PhD Thesis, Karadeniz Technical University, Turkey. [5] Kurtoğlu, A., Ağaç Malzeme Yüzey İşlemleri Ders Notu, İstanbul Üniversitesi Orman Fak. Orman End. Müh.Böl. İstanbul, (2000). [6] Disan Paint and Chemistry Company (2010). BOSB Tem Yan Yol 1. Cad. No: 3Tuzla, Istanbul. [7] TS 2471 (1976). Wood, Determination of Moisture Content for Physical and Mechanical Tests, TSE Standards, Turkey. [8] TS 2472 (1976). Wood - Determination of Density for Physical and Mechanical Tests, TSE Standards, Turkey. [9] ASTM C 177/C 518. 2004. Methots of Measuring Thermal Conductivity, Absolute and Reference Method. ASTM International: West Conshohocken, USA. [10] KYOTO Electronics, Thermal Conductivity Meter QTM-500, Instruction Manual Kem Kyoto-Electronics Manufacturing Co. LTD, Tokyo, 2004 [11] Sengupta, K. Das, R. and Banerjee, G. (1992). Measurement of thermal conductivity of refractory bricks by the nonsteady state hot-wire method using differential platinum resistance thermometry, J. Test. Eval., JTEVA 29 (6), 455 459. TABLOLAR Tablo 1. Emprenye maddelerinin özellikleri. Emprenye maddeleri Çözelti çözücü saflık ph yoğunluk (g/ml) oranı (%) (%) EÖ ES EÖ ES Amonyum sülfat 5 Saf su 97 6.47 6.5 1.05 1.08 Boraks 2.5 Saf su 98 9.10 9.02 1.08 1.09 Borik asit 5 Saf su 98 5.37 5.22 1.03 1.05 Boraks+Borik asit 5 Saf su 98 8.09 7.97 1.02 1.04 Çinko klorür 5 Saf su 99 5.93 5.75 1.06 1.07 Diamonyum fosfat 5 Saf su 97 7.83 7.73 1.06 1.00 Sodyum silikat 5 Saf su 98 11.09 11.03 0.94 0.97 EÖ:Emprenye Öncesi ES: Emprenye Sonrası Tablo 2. Ortalama yoğunluk değerleri (gr/cm³). Emprenye maddeleri Hava kurusu yoğunluk(gr/cm³) Amonyum sülfat 0.683 Boraks 0.667 Borik asit 0.685 Boraks+Borik asit 0.672 Çinko klorür 0.670 Diamonyum fosfat 0.679 Sodyum silikat 0.676 Kontrol 0.654 264
Borik asit+boraks Kontrol Borik asit Sodum silikat Boraks Diamonyumfosfat Amonyum sülfat Çinko klorür Emprenye Yapılmış Ağaç Malzeme Üzerine Uygulanan Üstyüzey İşlemlerinin Isı İletkenliklerinin Belirlenmesi Tablo 3. Retensiyon miktarları (%) Emprenye maddesi % Amonyum sülfat 4.43 boraks 1.98 Borik asit 4.73 Boraks+Borik asit 2.75 Çinko klorür 2.45 Diamonyum fosfat 3.82 Sodyum silikat 3.36 Emprenye maddesi Tablo 4. Vernik katı madde miktarları (gr) Poliüretan Selülozik Sentetik Renklendirici Amonyum sülfat 0.8 0.7 1.0 0.8 Boraks 1.3 1.2 1.6 1.3 Borik asit 0.7 0.6 0.9 0.8 Boraks+borik asit 1.1 1.0 1.3 1.2 Çinko klorür 1.2 1.0 1.3 1.3 Diamonyum fosfat 0.9 0.7 1.0 0.9 Sodyum silikat 1.0 0.8 1.1 1.1 Kontrol 1.5 1.3 1.8 1.6 Tablo 5. Ortalama ısı iletkenlik katsayı değerleri (Kcal/mh C). E.M. Üstyüzey maddesi Ortalama St. dev. E.M. Üstyüzey maddesi ortalama St. dev. Poliüretan 0.1684 0.0092 Poliüretan Vernik 0.1642 0.0035 Selülozik 0.1679 0.0050 Selülozik 0.1653 0.0037 Sentetik 0.1722 0.0098 Sentetik 0.1689 0.0100 Cam Cila 0.1710 0.0083 Cam Cila 0.1681 0.0091 Selülozik boya 0.1699 0.0073 Selülozik Vernik 0.1672 0.0035 Endüstriyel boya 0.1745 0.0100 Endüstriyel boya 0.1714 0.0069 Sentetik boya 0.1719 0.0090 Sentetik boya 0.1673 0.0052 Kontrol 0.1591 0.0017 Kontrol 0.1526 0.0017 Poliüretan Vernik 0.1620 0.0035 Poliüretan Vernik 0.1659 0.0064 Selülozik Vernik 0.1612 0.0071 Selülozik Vernik 0.1657 0.0052 Sentetik Vernik 0.1657 0.0081 Sentetik Vernik 0.1695 0.0087 Cam Cila 0.1636 0.0060 Cam Cila 0.1686 0.0010 Selülozik boya 0.1625 0.0087 Selülozik Vernik 0.1669 0.0035 Endüstriyel boya 0.1690 0.0071 Endüstriyel boya 0.1721 0.0091 Sentetik boya 0.1659 0.0046 Sentetik boya 0.1675 0.0050 Kontrol 0.1503 0.0052 Kontrol 0.1542 0.0035 Poliüretan Vernik 0.1688 0.0052 Poliüretan Vernik 0.1685 0.0087 Selülozik Vernik 0.1696 0.0035 Selülozik Vernik 0.1690 0.0071 Sentetik Vernik 0.1731 0.0069 Sentetik Vernik 0.1715 0.0087 Cam Cila 0.1715 0.0071 Cam Cila 0.1701 0.0017 Selülozik boya 0.1702 0.0035 Selülozik Vernik 0.1695 0.0087 Endüstriyel boya 0.1773 0.0030 Endüstriyel boya 0.1720 0.0041 Sentetik boya 0.1728 0.0080 Sentetik boya 0.1709 0.0069 Kontrol 0.1603 0.0052 Kontrol 0.1562 0.0035 Poliüretan Vernik 0.1640 0.0071 Poliüretan Vernik 0.1542 0.0035 Selülozik Vernik 0.1644 0.0060 Selülozik Vernik 0.1539 0.0030 Sentetik Vernik 0.1667 0.0020 Sentetik Vernik 0.1589 0.0069 Cam Cila 0.1649 0.0023 Cam Cila 0.1577 0.0067 Selülozik boya 0.1655 0.0019 Selülozik boya 0.1559 0.0030 Endüstriyel boya 0.1701 0.0017 Endüstriyel boya 0.1601 0.0080 Sentetik boya 0.1672 0.0017 Sentetik boya 0.1562 0.0035 Kontrol 0.1538 0.0057 Kontrol 0.1425 0.0035 E.M. : Emprenye Maddesi 265
B. Uysal, F. Yapıcı, H. Şahin Kol, C. Özcan, R. Esen, M. Korkmaz 1 Tablo 6. Emprenye ve üst yüzey maddelerinin ısı iletkenlik üzerine etkileri için çoklu varyans analizi. Varyans Kaynakları Kareler Serbestlik Ortalama Anlam F Hesap Toplamı Derecesi Kareler Düzeyi Düzeltilmiş Model 1.469E-02 63 2.332E-04 88.857 0.000 Sabit Terim 8.728 1 8.728 3326055.211 0.000 A:Emprenye maddesi 6.874E-03 7 9.821E-04 374.260 0.000 B:Üstyüzey maddesi 7.290E-03 7 1.041E-03 396.892 0.000 Etkileşim A*B 5.246E-04 49 1.071E-05 4.080 0.000 Hata 6.717E-04 256 2.624E-06 Toplam 8.743 320 Düzeltilmiş Toplam 1.536E-02 319 R: 0.946 Tablo 7. Emprenye maddelerinin ısı iletkenlik etkisine ilişkin Duncan testi sonuçları. Etkileşimler Ortalama Homojenlik Grubu Kontrol 0.1549 a Boraks 0.1625 b Boraks+borik asit 0.1646 bc Çinko klorür 0.1656 c Diamonyum fosfat 0.1663 cd Sodyum silikat 0.1685 de Amonyum sülfat 0.1693 e Borik asit 0.1704 e Tablo 8. Üstyüzey maddelerinin ısı iletkenlik etkisine ilişkin Duncan testi sonuçları. Etkileşimler Ortalama Homojenlik Grubu Kontrol 0.1536 a Poliüretan 0.1645 b Selülozik 0.1646 b Selülozik boya 0.1659 bc Cam Cila 0.1669 cd Sentetik boya 0.1675 cd Sentetik 0.1683 d Endüstriyel boya 0.1708 e 266