Sandviç panel üretiminde kenevir tabanlı poliüretan köpük ve yongalevha kullanımının araştırılması
Investigation of the using hemp-based polyurethane foam and chipboard in sandwich panel production
Yazar: AYŞENUR KILIÇ AK
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM BEKTAŞ ; PROF. DR. FATİH MENGELOĞLU
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Ormancılık ve Orman Mühendisliği = Forestry and Forest Engineering
Dizin: Ahşap levha = Wooden panel ; Kompozit levhalar = Composite plates ; Köpük levha = Foam plate ; Polistiren köpük = Polystyrene foam ; Poliüretan köpük = Polyurethane foam ; Rijit poliüretan = Rigid polyurethane ; Yonga levha = Particle board

Özet:
Günümüzde, sandviç paneller düşük yoğunluğa sahip olmasına karşın, yüksek mukavemet göstermesi nedeniyle iç mekan mobilyası, hafif yapı elamanları, bölmeler ve asma tavan gibi birçok alanda kullanım imkanı bulmaktadır. Yapısal bir sandviç panel, iki adet ince yüzey tabakası ile bu elemanlar arasına konumlandırılmış düşük yoğunluklu, iyi termal özelliklere sahip, kalın ve hafif bir çekirdek ve yapıştırıcıdan oluşmaktadır. Bu çalışmada kenevir tabanlı çevre dostu sandviç panellerin üretilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, nihai ürün sandviç panel olmak üzere tez üç aşamada gerçekleştirilmiştir.
Çalışmanın ilk aşamasında, sandviç panelin orta tabakasını oluşturması planlanan poliüretan köpük kompozitler üretilmiştir. Bu amaçla, 2016 yılı itibarı ile ülkemizde teşvik kapsamına alınan kenevir lifleri (odunsu, sak lifi, odunsu-sak lifi) farklı oranlarda (%0, 5, 10, 15, 20) poliüretan köpük kompozit üretiminde takviye malzemesi olarak kullanılmıştır. Üretilen köpüklerin bazı fiziksel ve mekanik özellikleri belirlenmiştir. Poliüretan köpük kompozit üretiminde kenevir dolgu maddesi kullanımının ısı iletim özelliklerini iyileştirdiği fakat fiziksel ve mekanik özellikleri olumsuz yönde etkilediği görülmüştür. Dolgu maddesi miktarının %10'dan fazla kullanılması halinde hücre morfolojisinin değiştiği, köpük çaplarının küçüldüğü ve açık hücre sayısının arttığı belirlenmiştir. Saf poliüretan köpük ile kıyaslandığında kenevirin %10'a kadar dolgu maddesi olarak kullanımının genel olarak köpük malzemenin sonuçları üzerindeki etkisinin istatistik olarak anlamlı farklılıklara yol açmadığı tespit edilmiştir. Bu sebeple sandviç panel üretiminde orta tabaka olarak %10 sak-odunsu kenevir içeren poliüretan köpük kompozitlerin kullanımı tercih edilmiştir.
Çalışmanın ikinci aşamasında, sandviç panelin yüzey tabakalarını oluşturması planlanan yongalevha üretimi gerçekleştirilmiştir. Yongalevha üretiminde kenevir lifleri sak (%0, 10, 20 ,30) ve odunsu (%100, 90, 80, 70) olmak üzere farklı oranlarda kullanılmıştır. Üretilen levhalar arasında yoğunluk, eğilme direnci ve elastikiyet modülü değerleri arasında p<0,000 düzeyinde anlamlı farklılıklar oluşmazken, yüzeye dik çekme ve vida tutma direncinde sak lifi katılım oranının artması ile değerlerde düşüş gözlenmiştir. Endüstriyel kullanımda sak lifi ve odunsu kısmın birbirinden ayrılmasının maliyeti göz önüne alınarak sandviç panel üretiminde kullanılacak yongalevhaların %30 sak ve %70 odunsu kısımdan üretilmesine karar verilmiştir. Bu oranlar kenevir sapının ≈%30 sak lifi ve ≈%70 odunsu kısımdan oluşması dikkate alınarak belirlenmiştir. Bu bölümde, aynı zamanda sandviç panel üretiminde alternatif oluşturabilecek, üretilen yongalevhalar ile benzer kalınlık ve yoğunlukta olan piyasadan hazır olarak yönlendirilmiş yongalevhalar (OSB) satın alınmış ve özellikleri üretilen yongalevhalar ile kıyaslanmştır.  
Çalışmanın son bölümünde ise 1. ve 2. bölümdeki bulgularının sonuçları değerlendirilerek sandviç panel üretiminde kullanılacak orta tabaka ve yüzey elemanları belirlenmiştir.  Bu doğrultuda, orta tabakada kullanılması amacıyla saf ve %10 sak-odunsu kenevir takviyeli poliüretan kompozitler ile yüzey (alt-üst) tabakada kullanılması planlanan %30 sak-%70 odunsu kenevirden oluşan yongalevhalar üretilmiştir. Aynı zamanda orta tabaka için piyasadan hazır olarak temin edilen ekstrüde polistiren köpük (XPS) ve genleştirilmiş polistiren köpük (EPS) ile, yüzey tabakalarında OSB kullanılarak alternatif sandviç paneller üretilmiştir. Bu aşamada, tabakaların birbirleri ile yapıştırılmasında poliüretan tutkalı kullanılmıştır.  Burada en iyi termal özellikler orta tabakası poliüretan olan sandviç panellerde elde edilmiştir. En yüksek mekanik özellikler XPS kullanılarak üretilen panellerde elde edilirken en düşük değerler ise EPS orta tabakalı sandviç panellerde bulunmuştur. Orta tabakası poliüretan olan sandviç panellerde yüzey tabakası farklılığı değerlendirildiğinde, düzlemsel basınç direnci ve basma modülünde anlamlı farklılıklar gözlenmezken, yanal basınç direncinde yüzeyi yongalevha olan sandviç paneller daha yüksek değerler vermiştir. Eğilme özellikleri göz önüne alındığında ise yüzeyi OSB olan paneller daha yüksek mekanik özellikler sunmuştur. Ağırlık/performans oranı açısından elde edilen değerlerin orman ürünleri ve malzeme endüstrisinde yer bulacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Nowadays, although sandwich panels have low density, they are used in many areas such as indoor furniture, light construction elements, partitions and ceilings floors due to their high strength. A structural sandwich panel consists of two thin surface layers and thick and light middle with a low density, good thermal properties layer positioned between these elements as well as adhesive. While the surface layers carry the bending load, the middle layer is responsible for transmitting the shear loads between the surface plates. This study was carried out in 3 stages, with the final product being a sandwich panel.
In the first stage of the thesis, polyurethane foam composites, which are planned to form the middle layer of the sandwich panel, were produced. For this purpose, hemp stems (hemp hurd, bast fiber, hemp hurd-bast fiber) included in the scope of incentives in our country as of 2016 were used as reinforcement material in polyurethane foam composite production at different rates (0, 5, 10, 15, 20-wt%). Some physical and mechanical properties of the foams were determined. It has been observed that the use of hemp stems filler in the production of polyurethane foam composite improves the thermal conductivity properties, but adversely affects the physical and mechanical properties. It was determined that the cell morphology changed, the foam diameters decreased and the number of open cells increased if the amount of filler was used more than 10%. Using of hemp as a filler of up to 10%, it has been found that when compared to pure polyurethane foam, does not generally lead to statistically significant differences in the effect on the results of the foam material. For this reason, it was preferred to use polyurethane foam composites containing 10% hemp hurd-bast fiber as the middle layer in sandwich panel production.
In the second stage of the thesis, the production of particleboard, which is planned to form the surface layers of the sandwich panel, was carried out. In the production of particle board, hemp stems were used in different ratios as bast (0, 10, 20,30%) and hurd (100, 90, 80, 70%). While there were no significant differences at the p<0,000 level between the density, flexural strength and modulus of elasticity values among the produced boards, a decrease was observed in the internal bonding and screw holding strength values with the increase of the bast fiber incorporation ratio. Considering the cost of separating the bast fiber and hemp hurd part in industrial use, it was decided to produce the particleboards to be using in sandwich panel production from 30% bast and 70% hurd. These rates have been determined by taking into account that the hemp stem consists of ≈30% bast fiber and ≈70% hemp hurd. In this section, oriented strand particleboards (OSB) with similar thickness and density as the produced particleboards, which can also be an alternative in the production of sandwich panels, were purchased and their properties were compared with the particleboards.
In the last part of the thesis, the results of the findings in the 1st and 2nd chapters were evaluated and the middle layer and surface elements to be used in the sandwich panel production were determined. In this respect, polyuretanes composites consisting of control and 10% hemp hurd-bast fibers for use in the middle layer and particleboards consisting of 30% bast-70% hurd planned to be used in the surface layers were produced. Also, alternative sandwich panels were produced with extruded polystyrene foam (XPS) and expanded polystyrene foam (EPS) available from the market for the middle layer, and using OSB in the surface layers. At this stage, polyurethane adhesive was used to bond the layers with each other. At this chapter, the best thermal conductivities were obtained in sandwich panels with a middle layer of polyurethane. While the highest mechanical properties were obtained in panels produced using XPS, the lowest values were found in sandwich panels with middle layer of EPS. When the surface layer difference is evaluated in sandwich panels with a middle layer of polyurethane, no significant differences were observed in the flatwise compression strength and compression modulus, while the sandwich panels with the particleboard surface gave higher values than OSB surface in the edgewise compression strength. Considering the bending properties, the panels with OSB surface offered higher mechanical properties. It is thought that the values obtained in terms of weight/performance ratio will find a place in the forest products and material industry.