Ahşap plastik kompozitlerin kullanım performansları üzerine araştırmalar
Investigations on usage performance of wood plastic composites
Yazar: ERKAN AVCI
Danışman: PROF. DR. TURGAY AKBULUT
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Odun Mekaniği ve Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Ahşap = Wooden ; Ahşap malzeme = Wood material ; Kompozitler = Composites ; Odun = Wood ; Plastik kompozitler = Plastic composites ; Plastikler = Plastics

Özet:
Mevcut kaynakların daha verimli bir şekilde değerlendirilmesi ve zamanla ortaya çıkan yeni ihtiyaçların uygun maliyetlerle karşılanması için kompozit malzeme üretimi her geçen gün artmaktadır. Kompozit malzeme alanındaki yeni ürünlerden bir tanesi de ahşap-plastik kompozitlerdir (WPC). WPC üretiminde, kompozit malzemeyi oluşturan plastik matrisi türü, kullanılan dolgu maddeleri ve üretimin gerçekleştirilmesinde kolaylık sağlayan katkı maddelerinin son ürünün özellikleri üzerine etkilerinin bilinmesi son derece önemlidir.Ahşap plastik kompozitleri, kompozit endüstrisinde hızla büyüyen bir sektör ve yeni bir malzeme sınıfı olmuştur. Ahşap plastik kompozitler odun unu, termoplastik ve küçük miktarlarda proses katkılarının karışımı ile genelde ekstrüzyon prosesinde gerçekleştirilir. Ahşap plastik kompozitleri deck, dış kaplama malzemeleri, bina içi paneller, cam çerçeve kaplaması, otomobil iç kısım parçaları ve diğer birçok değişik üründe kullanılmaktadır. Ahşap plastik kompozitleri çoğunlukla polipropilen ve polietilen kullanılarak üretilir. Dolgu maddesi olarak odun unu, şeker kamışı, mısır koçanı, saman (buğday sapı) ve öğütülmüş fındıkkabuğu gibi değişik maddeler dolgu olarak kullanılır. Bu dolgular ucuzluğu, kolay bulunabilirliği, makinede düşük aşınma ve proses ekipmanlarına daha az zarar vermesi nedeniyle cam elyaf, talk ve kalsiyum karbonat gibi diğer dolgu malzemeleri ile kıyaslandığında daha uygundur.Ahşap hammaddesinin hafifliği, ısıyı iyi iletmemesi ve lifsel yapıda olması gibi olumlu özellikleri ile plastik maddelerin suya dayanıklılık, biyolojik dayanıklılık ve yapışma özelliklerinin kombine edilmesiyle tek başına ahşap ve plastikte bulunmayan özellikler, WPC'de bir araya getirilmektedir.Ahşap plastik kompozitler ahşap panellere göre düşük su alması, boyutsal stabilite, biyolojik bozunmaya karşı dayanıklılık gibi avantajlara sahiptir. Ahşap ile plastik arasındaki bağ tipik olarak zayıftır; ahşabın suyu çekici ve plastiğinde su itici özelliğinden dolayı ahşap ve plastik fazları arasında gerilim transferinde problem olmaktadır. Bu problemin bir çözümü olarak plastik ile ahşap arasındaki gerilme transferini iyileştiren ve yüzeyler arası köprü kurabilen uyumlaştırıcılar kullanılmaktadır.Odun unu tanecik boyutları genelde 30 ile 80 mesh arasında kullanılmaktadır. Ahşap plastik kompozitler sadece ahşap ve plastikten oluşmamaktadır. Bu kompozitler aynı zamanda küçük miktarlarda proses ve performans etkileyici katkı maddeleri de içermektedir. Bununla birlikte bağlama ajanları, ısı stabilizatörleri, boya pigmentleri, iç ve dış yağlayıcılar, mantar önleyiciler ve köpük ajanları da kullanılabilmektedir.Bu çalışmada, poliolefinler olarak adlandırılan ve dünyada en çok kullanım alanına sahip olan yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) ve polipropilen (PP) kullanılarak WPC üretilmiştir. Tez çalışmasında, bir iğne yapraklı (Karaçam) ve iki geniş yapraklı (Doğu Kayını, Karakavak) ağaç türleri kullanılmıştır. WPC üretimi esnasında hidrofobik yapıdaki plastik ile hidrofilik yapıdaki odun unu arasındaki bağlanmayı sağlamak amacıyla maleik anhidrit ile muamele edilmiş polietilen (MAPE) ve polipropilen (MAPP) ve üretimi kolaylaştırmak amacıyla EBS ve AKROPAN 4590 PX kullanılmıştır.Hazırlanan 10500 adet deney örneği üzerinde; yoğunluk (ASTM D 792), kalınlığına şişme oranı(ASTM D 570-98), su alma oranı (ASTM D 570-98), statik eğilme direnci (ASTM D 790), eğilmede elastikiyet modülü (ASTM D 790), çekme direnci (ASTM D 638-99), vida tutma direnci (ASTM D1037 - 06a), sertlik (janka) direnci (ASTM D1037 -06a), pürüzlülük (DIN 4768), yanma performansı (ISO 13927), TGA, UV hızlandırılmış yaşlandırma (ASTM G 154 ve ASTM G 151?06), mantar etkilerine karşı dayanıklılık (ASTM D-1413) esaslarına uyularak belirlenmiştir. Elde edilen bütün sonuçlar istatistik analiz yapılarak değerlendirilmiştir. Bu amaçla çoklu varyans analizi yapılmıştır. Böylece WPC örneklerin fiziksel, mekanik, teknolojik, özellikleri üzerine proses parametrelerinin etkileri belirli bir güven düzeyinde ortaya konmuştur.Yoğunluk değeri (0,919 gr/cm3 ile 1,087 gr/cm3),kalınlığına şişme oranı (1 gün % 0,106 ile % 1,268, 3 gün % 0,280 ile % 1,960, 30 gün % 0,506 ile % 4,915), su alma oranı (1 gün % 0,045 ile % 1,609, 3 gün % 0,137 ile % 2,793, 30 gün % 0,319 ile % 8,190), statik eğilme direnci (30,610 N/mm2 ile 66,065 N/mm2),eğilmede elastikiyet modülü (2584,812 N/mm2 ile 4994,951 N/mm2), çekme direnci (16,938 N/mm2 ile 30,581 N/mm2), vida tutma direnci (141,240 N/mm ile 281,919 N/mm), sertlik (77,035 N/mm2 ile 129,898 N/mm2), yüzey pürüzlülüğü (1,024µm ile 3,225µm), yanma performansı (ağırlık kaybı %86,691 ile %98,999, ısı yayılma hızı 155,452 KW/m2 ile 542,536 KW/m2, etkili yanma ısısı 20,336 MJ/kg ile 29,056 MJ/kg), UV hızlandırılmış yaşlandırma testine bağlı renk değişimi (500 saat 10,784 ile 44,569, 1000 saat 26,982 ile 51,536), mantar etkilerine karşı dayanıklılık (TYP 507 mantarı etkisinden dolayı oluşan ağırlık kaybı %0,000 ile %1,309, COV 1030 mantarı etkisinden dolayı oluşan ağırlık kaybı %0,000 ile %1,643) değerleri arasında bulunmuştur.Hızlandırılmış yaşlandırma ve mantar etkilerine karşı dayanıklılık özelliklerinde çam karışımlar diğer ağaç türlerine göre daha iyi özellik göstermiştir. Diğer testlerde ağaç türünün bir etkisi bulunmamıştır. Yanma performansı, UV hızlandırılmış yaşlandırma, mantar etkilerine karşı dayanıklılık özelliklerinde polietilen karışımlar daha iyi özellik göstermiş olup diğer testlerde polipropilen karışımlar daha iyi özellik göstermiştir. Polietilen karışımların yoğunluğu daha yüksek bulunmuştur. Odun unu oranı arttıkça eğilmede elastikiyet modülü, sertlik, yanma performansı özelliklerinde iyileşme görülmekte diğer özelliklerde ise bir miktar düşme görülmektedir. Yoğunluk değeri, odun unu oranı arttıkça artmaktadır. %3 Katkı malzemesi kullanılmasının tüm WPC özellikleri üzerine olumlu sonuçlar verdiği görülmektedir.WPC kullanımı yaygınlaştırılmalı ve üretimi teşvik edilmelidir. Bu tip malzemelerin kullanım yerinde görülen özelliklerinin üretim prosesi üzerinde yapılan değişikliklerle iyileştirilmesi suretiyle kullanım performansları artacak; sürdürülebilir hammadde kullanımına katkı sağlayacaktır.

Abstract:
The manufacturing of composite materials are increasing with time due to need for efficient use of present resources and responding rising new necessities with appropriate cost. Wood-plastic composites (WPC) are one of the newest new products in the composite field. During the manufacturing of WPC, knowledge regarding the type of plastic material, type of filler and the amount of additives used for the ease of processing is extremely important to best determine the properties of the final production.Wood/plastic composites (WPC) are relatively new class of materials and one of the fastest growing sectors in the wood based composites industry. WPCs are normally made from a mixture of wood flour, thermoplastic, and small amounts of process and property modifiers through an extrusion process. WPCs are used as outdoor decking materials, interior door panels, window moldings, interior automobile parts, and a large variety of other molded products. The most commonly used plastics for WPC manufacturing are polyethylene and polypropylene. Various wood fibers, and even cellulosic wastes such as ground wood waste, bagasse, corncobs, and wheat straw, one used as fillers for plastics. Wood compares favorably with other available fillers such as glass fibers for plastics since it is inexpensive, readily available, and causes lower machine, talk, CaCo3 and damage of processing equipment.WPC is formed both good properties of wood materials such as lightness and low heat conductivity, and plastic materials such as water resistance, decay resistance, adhesive on properties.WPCs could have many property advantages over wood panels, such as lower water absorbance, lower thickness swelling, and more durability against bio deterioration. However, the interface between the wood and the plastic is typically weak and fails to transfer stress between the phases because wood is hydrophilic and thermoplastic while plastic is hydrophobic. Consequently, the full strength of the wood is unavailable to reinforce the plastic. One solution to this problem is a compatibilizer that bridges the interface and improves the stress transfer between wood and plastic.Common species used include pine in WPC manufacturing and maple. Typical particle sizes are 30 to 80 mesh. Adding wood to unfilled plastic can greatly stiffen the plastic but often makes it more brittle. Most commercial WPC products are considerably less stiff than solid wood. Adding wood fibers rather than wood flour increases mechanical properties such as tensile and bending strength, elongation, and unnoticed Izod impact energy. However, processing difficulties, such as feeding and metering low bulk density fibers, have limited the use of fibers in WPCs.In this thesis, one of coniferous (Pinus nigra) and (Fagus orientalis L., Populus nigra) wood species are utilized deciduous. In this study, it is aimed to manufacture WPCs with most commonly utilized HDPE and PP which collectively known as poliolephinesDuring manufacturing process, maleic anhydrite grafted polypropylene (MAPP) and polyethylene (MAPE) were utilized to improve the adhesion between the hydrophobic plastic and hydrophilic wheat wood flour and EBS and AKROPAN 4590 PX to ease processing. Thus, the effect of fillers, type of plastic and additives (modifiers) on the usage performance of WPCs were investigated.The density (ASTM D 792), thickness swelling (ASTM D 570-98), water absorption (ASTM D 570-98), static bending strength (ASTM D 790), modulus of elasticity (ASTM D 790), Tensile Strength (ASTM D 638-99), screw holding strength (ASTM D1037 - 06a), Hardness (Janka) resistance (ASTM D1037 - 06a), roughness (DIN 4768), burning the (ISO 13 927), TGA, UV accelerated weathering (ASTM G 154 and ASTM G 151-06, fungal resistance (ASTM D-1413) were determined in due course with a total of 10500 prepared samples. Raw data obtained in the experiments was statistically analyzed with multiple variances. Thus, effects of process parameters on the composite materials were obtained.The density (0,919 gr/cm3 to 1,087 gr/cm3), thickness swelling (1 day % 0,106 to % 1,268, 3 day % 0,280 to % 1,960, 30 day % 0,506 to % 4,915), water absorption (1 day % 0,045 to % 1,609, 3 day % 0,137 to % 2,793, 30 day % 0,319 to % 8,190), static bending strength (30,610 n/mm2 to 66,065 n/mm2), modulus of elasticity (2584,812 n/mm2 to 4994,951 n/mm2), tensile strength (16,938 n/mm2 to 30,581 n/mm2), screw holding strength (141,240 n/mm to 281,919 n/mm), hardness (77,035 n/mm2 to 129,898 n/mm2), surface roughness (1,024µm to 3,225µm), fire performance (weight loss %86,691 to % 98,999, heat release rate 155,452 kw/m2 ile 542,536 kw/m2, effective heat of combustion 20,336 mj/kg ile 29,056 mj/kg), uv accelerated weathering (500 hours 10,784 to 44,569, 1000 hours 26,982 to 51,536), fungal resistance (typ 507 the impact of weight loss due to fungus %0,000 to %1,309, cov 1030 the impact of weight loss due to fungus %0,000 to %1,643) were found in this study.WPCs made from pine wood flour had higher accelerated weathering performance and biological durability than those of the WPCs made from other wood species. It was concluded that the wood species has not significant effect on the other properties of the WPCs. The WPCs made from polyethylene had the highest properties on accelerated UV weathering performance, fire and decay resistance while the WPCs made from polypropylene had the highest performance on the other properties. The density values of the WPCs made from polyethylene were higher than those of the WPCs made from polypropylene. When wood flour loading level increased, the MOE, janka hardness, and fire performance properties increased but the other properties slightly decreased. The density values increase with increasing wood flour loading level. The results obtained in this study also showed that using of 3% additive had positive effects on the performance properties of the WPCs.Use and manufacturing of WPC materials should be encouraged. Improving the end use properties of the composites by changes made on the manufacturing parameters will enhance its performance and properties; it will subsequently provide sustainable use of raw materials.