Mısır sömeği ve pamuk çırçır atıklarından kompozit malzeme üretimi ve mekanik özelliklerinin araştırılması
Investigation of composite material production and mechanical properties from corn cob and cotton gin waste
Yazar: ABBAS MASUM
Danışman: PROF. DR. BÜLENT ÇAKMAK
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tarım Makinelerı ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Dünya'da ve ülkemizde nüfusun ve tüketimin artmasına bağlı olarak hammadde kaynakları da hızla azalmaktadır. Bu nedenle, hammaddeleri daha verimli olarak kullanmak, atık materyalleri geri dönüştürmek ve yeni hammadde kaynakları bulmak önemli hale gelmiştir. Hammadde sıkıntısı yaşayan sektörlerin başında plastik endüstrisi gelmektedir. Plastikler günümüzde birçok alanda başarıyla kullanılmaktadır. Plastiğe istenen farklı özellikleri kazandırabilmek için organik veya inorganik dolgu malzemeleri eklenmektedir. Tarımsal atıklar organik dolgu maddelerinden birisidir. Ülkemizde her yıl tonlarca mısır sömeği ve pamuk çırçır atığı gibi pek çok tarımsal atığı ortaya çıkmaktadır. Bu tarımsal atıkların bir kısmı hayvanların beslenmesi amacıyla kullanılmakta, bir kısmı toprak işleme uygulamaları ile toprağa karıştırılmakta ve büyük bir kısmı ise yakılarak tarımsal alandan uzaklaştırılmaktadır.
Plastiklerde, polimer matrisi içine eklenen odun unu veya diğer tarımsal atıkların katılmasıyla üretilen kompozit yapı "Odun Plastik Kompozit (OPK)" malzeme olarak adlandırılmaktadır. OPK malzemenin fiziksel üstünlükleri, kullanım kolaylığı ve sürdürülebilirliği gibi gelişmiş yönlerinin yanında zayıf yönleri de bulunmaktadır. Bu malzemenin üretim süreci zor ve masraflıdır. Matris ve takviye elemanındaki doğrusal kararsızlık ve hava zerrecikleri gibi yapısal bozukluklar son ürünün kalitesinde önemli bir paya sahiptir. Diğer bir olumsuzluk kompozit plastik sanayisinde yaygın olarak tek veya çift burgu ekstrüder tipi makinelerin kullanılmasıdır. Bu makinelerin çalışma prensiplerinden kaynaklanan sınırlamalardan dolayı üretim sırasında düşük üretim kapasitesi, yüksek özgül enerji tüketimi, eriyik oluşturma işlemi sırasında düşük dispersiyon oranı ve yüksek oranda kayma gerilmesinden kaynaklanan kalitesiz ürün gibi istenmeyen durumlardan bahsetmek mümkündür. Bu makinelere alternatif olabilecek Kalender makineleri ise üstün karıştırma performansı ve kesin sıcaklık kontrol yetenekleri nedeniyle odun kompozit gibi kayma gerilimine ve sıcaklığa duyarlı malzemelerin üretilmesi için daha ekonomik, hızlı ve yüksek kaliteli ürün sağlayan bir yöntemdir. Bu nedenle plastik kompozit sektörü içinde kullanımının hızla yaygınlaşacağı ve ekonomik olarak da getirisinin yüksek olacağı öngörülmektedir.
Bu çalışmada ülkemizde tarımsal artık olarak yeterli miktarda bulunabilen mısır sömeği ve pamuk çırçır atıkları kullanılmıştır. Bu atıklardan elde edilen un malzemesine farklı oranlarda Polivinil klorür (PVC) hammaddesine eklenmesiyle kompozit malzeme elde edilmiştir. Bu amaçla "Kalenderleme" ve "Enjeksiyon" yöntemleri kullanılmıştır. Her iki yöntemle kompozit levha üretilmiş ve malzemelere ait sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Üretilen tarımsal atık katkılı kompozit levhalar, ticari üretilen tüm ürünlerde standart dolgu malzemesi olarak kullanılan CaCO3 dolgulu numuneler hazırlanarak karşılaştırılmıştır. Hazırlanan 84 adet numune üzerinde; ASTM standartlarına uygun olarak fiziksel özellikleri (kalınlığına şişme, su alma ve pürüzlülük), mekanik özellikleri (eğilme direnci, eğilmede elastikiyet modülü, çekme direnci, çekmede elastikiyet modülü ve yüzey sertlik), termal özellikleri (termogravimetrik analiz) ve morfolojik özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Elde edilen sonuçların istatiksel değerlendirilmesi için SPSS26.0 programı ile çoklu varyans analizi ve Duncan testleri yapılmıştır.
Tez çalışması kapsamında tarımsal atıklar kullanarak üretilen OPK malzemelerin mekanik test sonuçlarına göre, dolgu oranı arttıkça eğilme ve çekme direnç değerlerinde düşüş ve sertlik direnci değerinde artış olduğu görülmüştür. Mısır sömeği ve pamuk çırçır atığı ile üretilen OPK malzemelerin eğilme direnci 11,18-23,30 N mm-2 ve eğilmede elastikiyet modülü 1997,00-880,00 N mm-2 olarak gerçekleşmiştir. Bu değerler ASTM D 6662 (2001) standardını karşılayan değerden daha yüksek olduğundan, üretilen OPK malzemeleri plastik kereste yer döşemesi yerine kullanmak mümkündür. Ayrıca kalenderleme yöntemi ile üretilen malzemelerin mekanik özelliklerine ait değerler, enjeksiyon yöntemi ile üretilen malzemelerin mekanik özelliklerine ait değerlere çok yakın değerler bulunduğundan, kalenderleme yöntemi OPK malzemelerin üretimi için alternatif bir yöntem olarak kullanılabileceği ortaya konulmuştur.

Abstract:
Due to the increase in population and consumption in the world and in our country, raw material resources are rapidly decreasing. For this reason, it has become important to use raw materials more efficiently, to recycle waste materials and to find new raw material sources. The plastics industry is one of the sectors with shortage of raw materials. On the other hand, plastics are used successfully in many areas today. Organic or inorganic filling materials are added to give different properties to the plastic. One of the organic fillers is agricultural wastes. Many agricultural wastes such as corn cops and cotton gin are generated every year, in our country. Some of these agricultural wastes are collected for the feeding of their animals, some of them are mixed into the soil with tillage practices and most of them are burned away from the field.
Composite materials produced by adding wood flour or agricultural waste into the polymer matrix are called Wood plastic composite (WPC). WPC material has weaknesses as well as its developed aspects such as physical advantages, ease of use and sustainability. The production of WPC material is a difficult and costly process. Structural defects such as linear instability and air particles in the matrix and reinforcement have an important share in the quality of the final product. For many years, single or double screw extruder type machines have been used in the composite plastic industry or during the extrusion process. However, due to the limitations arising from the working principles of the machines in question, It is possible to talk about undesirable situations such as low production capacity, high specific energy consumption during production, poor quality product due to low dispersion rate and high shear stress during the melt forming process. Calender machines are a more economical, fast and high product method for producing materials sensitive to shear stress and temperature, such as wood composite, due to their superior mixing performance and precise temperature control capabilities. Its expected that its use in the sector spread rapidly and its economic return will be relatively high.
In this study, composite sheet was produced by adding polyvinyl chloride (PVC) in different proportions of flour material obtained from corn and cotton gin wastes by calendering and injection methods and the results were compared with each other. In addition, CaCO3 filled samples, which are used as standard filling material in the industry, were prepared for the evaluation of the results. Physical properties (swelling in thickness, water absorption, roughness and surface hardness), mechanical properties (bending resistance, modulus of elasticity in bending, tensile strength, modulus of elasticity in tensile), thermal properties (thermogravimetric analysis) and morphological properties of obtained samples, were examined by scanning electron microscopy (SEM) based on ASTM standards. Multiple variance analysis and Duncan tests were performed with the help of SPSS 18.0 program for the statistical evaluation of the obtained results.
According to the mechanical test results of OPK materials produced from agricultural waste within the scope of the thesis study, it was observed that the bending and tensile strength values decreased and the hardness resistance value increased as the filling ratio increased. The flexural strength of OPK materials produced with corn and cotton gin waste was 11,18 - 23,30 N mm-2 and the elasticity modulus in bending was 1997,00 - 880,00 N mm-2. Since these values are higher than the value that meets the ASTM D 6662 (2001) standard, it is possible to use the produced OPK materials instead of plastic lumber flooring. In addition, since the mechanical properties of the materials produced by the injection method are very close to the calendering method, the calendering method has been accepted as an alternative method for the production of OPK materials.