Çeşitli kimyasalların bazı ahşap levha ürünlerinde yanma ve teknolojik özellikler üzerine etkisi
Effects of various fire retardants on fire and technological properties of some wood based panel products
Yazar: NADİR AYRILMIŞ
Danışman: PROF. DR. TURGAY AKBULUT
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Odun Mekaniği ve Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Ormancılık ve Orman Mühendisliği = Forestry and Forest Engineering

Özet:
Bu çalışmada, çeşitli kimyasalların laboratuar şartlarında üretilen odun esaslılevhalardan MDF, OSB ve kontrplağın bazı fiziksel ve mekanik özellikleri ile yanmayakarşı dayanımları üzerine etkileri incelenmiştir.Deneme levhaların üretiminde odun hammaddesi olarak MDF'de %50 Kayın ve %50Çam lifleri karışımı, OSB üretiminde Kavak yongaları, Kontrplak üretiminde ise Tetraberlinia soyma kapmaları kullanılırken tutkal olarak da tüm levha tiplerinde %47'likfenol-formaldehit tutkalı uygulanmıştır. MDF ve OSB üretiminde tutkal içerisine katkıve dolgu maddesi katılmamıştır. Kontrplak üretiminde ağırlık olarak 70 birim tutkala,30 birim dolgu maddesi ilave edilmiştir. Yanmayı geciktirici kimyasal madde olarak ise,borlu bileşiklerden boraks ve borik asit, fosfatlı bileşiklerden ise monoamonyum fosfat,diamonyum fosfat ve fosforik asit kullanılmıştır. MDF ve OSB üretiminde fosforik asithariç diğer kimyasallar, tutkallama makinesinde tutkallı lif veya yongalar karıştırılırkentoz halde basınçlı hava ile homojen bir şekilde püskürtülmüş, fosforik asit ise sıvı haldepülverize edilmiştir. Kimyasallar, tam kuru lif veya yonga ağırlığına oranla %2, %4 ve%6 oranlarında ilave edilmiştir. Kontrplak üretiminde, %7-8 rutubetteki kaplamalevhaları borik asit ve boraksın %6'lık sulu çözeltisi; diamonyum fosfat,monoamonyum fosfat ve fosforik asidin ise %3'lük sulu çözeltisi içerisinde 55-60ºC'de3 saat süre ile bekletilmişlerdir.Deneme levhalarından alınan örneklerin fiziksel ve mekanik özellikleri EN (EuropeanNorm) standarlarına göre yapılmış olup, bu deneyler sırasıyla; yoğunluk, kalınlığınaşişme oranı, eğilme direnci, eğilmede elastikiyet modülü, levha yüzeyine dik yöndeçekme direnci ve çekme-makaslama direncidir. Yanma özellikleri ise DIN (DeutschesInstitut für Normung) standardına göre tespit edilmiş olup, yapılan deneyler sırasıyla;tutuşma süresi, alev kaynağı kapatıldıktan sonra sönme süresi, alev yüksekliği, yanmayüzeyi alanıdır. Levha gruplarının, incelenen herhangi bir özellik bakımından homojenolup olmadığı, Basit Varyans Analizi yapılarak kontrol edilmiştir. Varyans analizisonucunda levha grupları arasında, araştırılan bir özellik (fiziksel, mekanik veya yanmaözellikleri) bakımından farklılık olduğunda, hangi levha grupların birbirinden farklı vehangilerinin eşit olduğunu tespit etmek amacıyla aritmetik ortalamalarınkarşılaştırılmasına yönelik Duncan testi uygulanmıştır. Ayrıca, deneyler sonucunda eldeedilen değerler standartlarda verilen değerlerle karşılaştırılmış ve literatür bilgilerinedayanılarak yorumlanmıştır.Elde edilen sonuçlara göre, uygulanan kimyasalların OSB ve MDF levhalarının 24 saatsuda bekletilmesi sonucunda, kalınlığına şişme oranını istatistiksel olarak etkilediğitespit edilmiştir. Gerek MDF ve gerekse OSB levhalarında kalınlığına şişme oranını enfazla arttıran kimyasal, tam kuru lif/yonga ağırlığına oranla %6 ile boraks ilavesiolmuştur (MDF için: %16.18, OSB için: %18.82). Boraks grubu levhaları sırasıyla borikasit, diamonyum fosfat ve monoamonyum fosfat izlemiştir. Ayrıca, bu levha gruplarıkontrol grubu ile karşılaştırıldığında daha yüksek bir şişme oranı vermişlerdir. Eldeedilen sonuçlardan borlu bileşiklerden olan boraks ve borik asidin levhanın kalınlığınaşişme oranını fosfatlı bileşikler olan monoamonyum fosfat ve diamonyum fosfat göredaha fazla arttırdığı söylenebilir. Fosforik asit içeren MDF ve OSB levhaları, kontrolgrubu ve diğer kimyasal içeren levha grupları arasında en az kalınlığına şişme oranınıveren grup olmuştur. Fosforik asit grubu levhaların renginde diğer levhalardan farklıolarak koyulaşma saptanmıştır.Levhaların mekanik özelliklerinin, uygulanan kimyasallardan istatistiksel olaraketkilendiği tespit edilmiştir. Kimyasal katılarak üretilen levhalar içerisinde en yüksekeğilme direncini (MDF'de 27.28 N/mm², OSB'de 20.80 N/mm² ve kontrplakta 108.50N/mm²) ile boraks grubu levhalar verirken, bunu sırasıyla diamonyum fosfat,monoamonyum fosfat ve fosforik asit grubu levhalar izlemiştir. Ayrıca, eğilmedeelastikiyet modülü, levha yüzeyine dik yönde çekme direnci ve çekme-makaslamadirenci bakımından da boraksla üretilen MDF, OSB ve kontrplak levhaları diğergruplardan daha yüksek değerler vermişlerdir. Kimyasalların türüne bağlı olarak levhaiçerisindeki kullanım oranları arttıkça mekanik özelliklerde bir azalma meydanagelmiştir. Bütün levha grupları mekanik özellikler bakımından kontrol grubu ilekarşılaştırıldığında daha düşük bir performans göstermişlerdir.Deneme levhaları üzerinde yapılan yanma deneyleri sonuçlarına göre kullanılankimyasal maddelerin levhaların yanmaya karşı dayanımlarını istatistiksel olarakarttırdıkları görülmüştür. Ayrıca, levha içerisinde kimyasal kullanım oranı arttıkçayanmaya karşı dayanımında de arttığı görülmüştür. Denemelerde kullanılan kimyasalmaddelerin levhaların yanmaya karşı dayanımlarını arttırmada farklı etkiler gösterdiğibelirlenmiştir. Tutuşma süresi bakımından her üç levha türünde de diamonyum fosfatgrubu levhalar diğer levha grupları arasında en geç tutuşan grup (MDF'de 107.2 sn,OSB'de 28.4 sn, kontrplakta 52.8 sn) olmuştur. Diamonyum fosfat grubu levhalarısırasıyla borik asit, boraks, monoamonyum fosfat ve fosforik asit grubu levhalarizlemiştir. Kimyasalların türüne bağlı olarak MDF, OSB ve kontrplak levhalarıiçerisindeki kullanım oranları arttıkça tutuşma süresinde zaman olarak gecikmemeydana gelirken, alev boyunda kısalma, sönme süresinde kısalma ve yanma yüzeyialanında ise azalma meydana gelmiştir. Yanma yüzeyi alanı bakımından da her üç levhatüründe diamonyum fosfat grubu levhalar diğer levha grupları arasında en az yanmaalanına sahip grup olmuştur. Diamonyum fosfat grubu levhaları sırasıyla boraks, borikasit, monoamonyum fosfat ve fosforik asit grubu levhalar izlemiştir. Alev kaynağıkapatıldıktan sonra sönme süresi ve alev boyu bakımından her üç levha türünde boraksgrubu levhalar diğer levha grupları arasında en erken sönen ve en kısa alev boyunasahip grup olmuştur. Boraks grubu levhaları sırasıyla diamonyum fosfat, borik asit,monoamonyum fosfat ve fosforik asit grubu levhalar izlemiştir.Boraks ve borik asitin levhalarda daha fazla kalınlığına şişme oranına neden olmasındandolayı, rutubetli ortamlarda kullanılacak levhalarda bu kimyasalların yanmayıgeciktirici olarak tam kuru lif ağırlığına oranla %2'den fazla, kuru ortamlarda ise%4'den fazla kullanımı tercih edilmemelidir. Monoamoyum fosfat ve diamonyumfosfat, kalınlığına şişme oranı bakımından boraks ve borik asitten daha iyi performansgösterdiklerinden bu bileşiklerin rutubetli ortamlarda kullanılan levhalarda %2'yekadar, kuru ortamlarda kullanılacak levhalarda ise %6'ya kadar kullanılması yararlıolacaktır.MDF üretiminde kullanılan bahse konu kimyasalların levhaya katılım oranı arttıkça,yanmaya karşı dayanımın artmasına karşın, genel olarak tam kuru lif ağırlığına oranla %2 ilavelerinden sonra TS 64-5 EN 6225 standardında rutubetli ortamlarda kullanılanMDF levhaları (MDF. H.tipi) için öngörülen eğilme direnci ve elastikiyet modülüdeğerlerini karşılayamadıkları görülmüştür. Buna karşın kuru ortamda (MDF tipi)kullanılacak MDF levhalarında, boraks ve diamonyum fosfatın %6'ya kadar, borik asitve monoamonyum fosfatın ise %4'e kadar katılabileceği görülmüştür. Fosforik asitinMDF levhalarına kuru ortamda ancak %2'ye kadar katılımının standardı karşıladığıbelirlenmiştir.OSB levhalarında ise MDF levhalarından farklı olarak fosforik asitin yüksek katılımoranı hariç, bütün kimyasalların en yüksek katılım oranında (%6) bile levhalarınınyanmaya karşı dayanımlarını arttırmalarının yanı sıra mekanik özelliklerini destandardın üzerinde tuttuklarından nemli (OSB/3) ve kuru (OSB/1) ortamlardakullanılabilecekleri tespit edilmiştir. Yüzeye dik yönde çekme direnci ile ilgili olarak iseMDF levhalarında, kontrol grubu hariç kimyasal içeren diğer bütün levha gruplarıstandardı karşılayamazken, OSB levhalarında fosforik asitin yüksek oranı (%6) hariçbütün levha grupları standardı karşılamıştır. Kimyasallar, kontrplak levhalarındaçalışmada belirtilen retensiyon miktarlarında kullanıldıklarında kontrol grubuna görelevhaların yanmaya karşı dayanımlarını arttırmalarının yanı sıra yapışma direncini destandardın ön gördüğü değerin üzerinde tutmuşlardır.Sonuç olarak, denemelerde kullanılan kimyasallar arasında boraks ve diamonyumfosfatın levhaların mekanik özellikler üzerine daha az olumsuz etkileri ve yanmayakarşı performanslarını kayda değer bir oranda arttırmaları nedeniyle odun esaslı levhaüretiminde yanmayı geciktirici kimyasal olarak birlikte kullanımları tercih edilebilir.

Abstract:
In this study, the effects of various fire retardant chemicals on fire and technologicalproperties of laborotory made wood based panels such as, MDF, OSB, and plywoodwere investigated.A mixture of 50% beech and 50% pine fibers for MDF, aspen chips for OSB, and Tetraberlinia rotaryveneers for plywood as raw material in the panel manufacturing was used. Also, an exterior liquid phenolformaldehyde resin with 47 percent solid content was used as adhesive. There was no addition of anyhardener and filling materials into resin in the MDF and OSB manufacturing. Filling material was onlyadded into the resin as a part of 30% of the total amount in the plywood manufacturing. Boroncompounds such as, borax and boric acid, and phospate compounds such as, monoammonium phosphate,diammonium phospahate, and phosporic acid were used as fire retardant chemicals in the experimentalpanels. Either fibers or chips with 2?3% moisture content (based on oven-dry fiber weight) were placed ina rotary drum-type laboratory blender and then commercial liquid PF resin was applied to fibers, with ametered-air atomized spray system. Each powder chemical, except for phosphoric acid, was dusted ontothe fibers. Phosphoric acid (85%) was applied as aqueous solution onto the fibers. This study did notinclude the addition of any external wax or water-repellent chemicals to the fibers. The chemicals werethen added to the blender at target contents of 2%, 4%, and 6% based on oven-dry fiber weight aspowder, except for PA. PA was applied on the fibers and chips as liquid. In the plywood manufacturing,the individual veneer specimens were soaked in plexiglass boxes for 3 hours while laid horizontally 4 cmapart from each other in 6% aqueous solutions of borax (Na2B4O7.10H2O) or boric acid (H3BO3), or in3% aqueous solutions of monoammonium phosphate (NH4H2PO4), diammonium phosphate((NH4)2HPO4), or phosphoric acid (H3PO4).Physical and mechanical tests such as, density, thickness swell, bending strenght,modulus of elasticity, internal bond, and bond quality of the specimens were carried outaccording to EN (European Norm) standards. Fire properties such as, ignition time,extinguishment time after burner was turn off, flame height, and char area of thespecimens were evaluated according to DIN (Deutsches Institut für Normung) standard.Analysis of variance (ANOVA) (p<0.05) and Duncan?s multiple-comparison tests wereconducted to compare and evaluate differences among the average physical,mechanical, and fire properties of the treated specimens for each test method.Homogeneity groups were determined indivudually for each property by Duncan?smultiple-comparison tests. Furthermore, the results were compared to values given inthe standards and the related literature.Applied chemicals affected statistically thickness swell of MDF and OSB panels as aresult of immersing in water for 24 hours. The panels including 6% borax based on ovendry fiber/strand weigt had the highest thickness swell values (MDF: 16.18%, OSB:18.82%) which were followed by the panels treated with boric acid, monoammoniumphospahate, diammonium phosphate, respectively. Increasing usage contents of thesechemicals treatments in the panels resulted in greater thickness swell. Moreover, panelstreated with these chemicals as compared to control group, they showed greaterthickness swell. Based on thickness swell investigations, it could be concluded thatboron compunds, borax and boric acid, increased thickness swell of the panels morethan monoammonium phosphate and diammonium phosphate which are phosphorouscompounds. Panels treated with phosphoric acid resulted in lower thickness swell ascompared to other treated and control panels. In addition, thickness swell values, inturn, decreased with increased phosphoric acid content in the MDF and OSB panelsfrom 2% to 30. However, colour of the panels treated with phophoric acid darkenedmore than other treated panels.Mechanical properties of the panels were affected statistically by the applied chemicals.Increasing usage contents of these chemicals treatments in the panels depending onchemical type decreased bending strength of MDF, OSB, and plywood panels. Thepanels treated with borax had highest bending strength with 27.28 N/mm² for MDF,20.80 N/mm², for OSB, 108.50 N/mm² for plywood. Bending strength, modulus ofelasticity, internal bond, and veneer-bond quality values of the MDF, OSB and plywoodpanels treated with borax were followed by diammonium phospate, monoammonimumphosphate, and phosporic acid, respectively. Mechanical properties of the panelsdecreased with increased chemical content depending on chemical type in the all treatedpanels. Mechanical properties of the panels treated with phosporic acid considerablydecreased as compared to other treated panels. Moreover, all treated panel groupsshowed lower performance related to mechanical properties when compared to controlpanels group.Based on the fire resistance test results of the panels, chemicals statistically increasedfire resistance of the panels. Also, fire resistance of the panels was improved withincreased chemical content in the panels. The chemicals showed individually differenteffects related to improvement of fire resistance of the panels. For example, MDF, OSB,and plywood panels treated with diammonium phoshate were the latest ignited group(MDF: 107.2 s, OSB: 28.4 s, and plywood: 52.8 s) which were followed by the panelstreated with boric acid, borax, monoammonium phosphate, and phosporic acid,respectively. Morover, the panels treated with diammonium phosphate had the leastchar area among the all treated panels. Borax, boric acid, monoammonium phosphate,and phosphoric acid, followed the char area values of the panels treat with diammoniumphosphate. Panels treated with borax had the shortest flame length and the earliestextinguishment time after burner was turn off. Diammonium phosphate, boric acid,monoammonium phosphate, and phosphoric acid, respecitevely, followed the values ofthe panels treated with borax.Because borax and boric acid cause more thickness swell on wood based panels, they should not be usedover oven dry fiber weight of 2% at humid place and 4% at dry conditions. As monoammoniumphosphate, diammonium phosphate, and phosphoric acid showed better performance than borax and boricacid, this compounds should be preferred up to 2% where at humid conditions and up to 6% at dryconditions.Although the chemicals used in the manufacturing of MDF panels depending on their increasing usagecontent improved fire resistance of the panels, generally, after their 2% addition based on oven dry fiberweight in the panels, the panels did not meet the standard values of mechanical properties given in TS EN622-5 (MDF.H type) for humid conditions. However, borax and diammonium phosphate up to 6%, boricacid and monoammonium phosphate up to 4% based on oven dry fiber weight could be add in MDFpanels would be used in dry conditions.For the mechanical properties, in OSB panels except for high contents of phosphoric acid other chemicalscan be used up to oven dry particle weight of 6% in the panels at humid and dry conditions because of thefact that they met the standard values of mechanical properties given in TS EN 300 for OSB/3 and OSB1.It was determined that as the chemicals were used retention levels in plywoods described in this study,not only they improved fire resistance of the panels, but also they did not decrease the bond strength of allthe plywoods under the standard value (1 N/mm²).Borax and diammonium phosphate among the experimental chemicals could be preferred to make fireresistive wood based panel because of their relatively little effects on the mechanical properties of thepanels, in addition to their positive influence on the fire resistance of the panels. It was concluded that itcould be used diammonium phosphate and borax to increase fire resistance of panels.