Karaçam (Pinus nigra Arnold.) kabuklarının izolasyon levhası üretiminde değerlendirilmesi
Evaluation of black pine (Pinus nigra Arnold.) barks in the production of insulation board
Yazar: İSMAİL ÖZLÜSOYLU
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH İSTEK
Bartın Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Orman Ürünleri Kimyası ve Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products

Özet:
Isı ve ses yalıtımı sağlamak amacıyla yapılarda kullanılan malzemeler teknolojik yeniliklere de bağlı olarak gelişmekte olup, son on yıllarda çevreci ve ekolojik malzeme kullanımı önem kazanmıştır. Odun hammaddesi kabukları soyularak kullanıldığından kabuk veya kabuklu odun atık ve artıkları oluşmaktadır. Bu çalışmada karaçam (Pinus nigra Arnold.) ağaç kabuklarından polimerik metilen difenil di-izosiyanat (P-MDI) katkılı üre formaldehit (ÜF) tutkallı kullanılarak ısı ve ses yalıtımına uygun izolasyon levhaları üretilmiştir. Üretilen izolasyon levhalarının yüzeyleri ahşap kaplamalarla kaplanarak dekoratif levhalar hazırlanmıştır. Ham ve kaplanmış levhaların bazı fiziksel, mekanik özellikleri ile ısı ve ses iletim özellikleri belirlenmiştir. 

Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde levha yüzeylerinin kaplanmasıyla en yüksek yoğunluk artışı 20 mm ve 30 mm levha kalınlıkları için sırası ile %18,75 ve %6,06 olarak gerçekleşmiştir. Levha yoğunluğunun 100 kg/m3 artmasından kaynaklı en yüksek yoğunluk artışı ise %37,50 (20 mm) ve %33,33 (30 mm) olarak belirlenmiştir. İzolasyon levhaların üretiminde genel olarak tutkal karışımında P-MDI oranının artmasıyla 2 ve 24 saatlik su alma (WA) ve kalınlığına şişme (TS) değerlerinin azaldığı belirlenmiştir. Doğrusal olmayan bu azalma özellikle TS değerleri için %7 ÜF'ye farklı oranlarda (%1, %2 ve %3) P-MDI ilave edilen levha gruplarında en yüksek seviyeye ulaşmış, en düşük TS değerleri elde edilmiştir. 20 mm kalınlıkta üretilen levhalar için 300 kg/m3 ve 400 kg/m3 yoğunluklarda elde edilen en düşük 24 saat TS değerleri sırası ile %5,16 ve %6,41 olarak %7ÜF+%3 P-MDI levha grubunda elde edilmiştir. 30 mm kalınlıktaki levhalar için elde edilen en düşük 24 saat TS değerleri ise %5,37 (300 kg/m3) ile %7ÜF+%3 P-MDI, %5,68 (400 kg/m3) ile %7 ÜF+%2 P-MDI levha gruplarında tespit edilmiştir. 

Levha gruplarının mekanik özellikleri incelendiğinde ham levhalar için 300 kg/m3 yoğunlukta en yüksek eğilme direnci (BS) ve eğilmede elastikiyet modülü (MOE) değerleri sırası ile 0,88 N/mm2 ve 378,04 N/mm2 ile %7 ÜF+%3 P-MDI tutkalı kullanımında elde edilmiştir. 400 kg/m3 yoğunluktaki levha gruplarında ise en yüksek BS ve MOE sırası ile 2,03 N/mm2 ve 286,72 N/mm2 olarak hesaplanmıştır. Levha yüzeylerine yapılan kaplama işlemi mekanik özellikleri iyileştirmiş, levha yüzeylerinin kaplanması ile en yüksek BS ve MOE değerleri sırası ile 15,44 N/mm2 ve 3905,63 N/mm2 olarak elde edilmiştir. Yüzeye dik çekme direnci (IB) değerleri ise yoğunluğun artması ile artış göstermiş en yüksek IB değerleri 400 kg/m3 yoğunlukta, 20 mm kalınlıkta üretilen levha grubu için 0,14 N/mm2, 30 mm kalınlık için ise 0,18 N/mm2 olarak hesaplanmıştır.

En iyi tutkal varyasyonu olarak belirlenen %7 ÜF+%3P-MDI ile farklı oranlarda odun kabuk karşımı kullanılarak üretilen levhalarda kabuk kullanım oranının artması ile mekanik özelliklerde azalma, boyutsal kararlılık ve yalıtım özelliklerinde iyileşme olduğu tespit edilmiştir. %100 odun yongası ile üretilen levha grubunda %9 olarak hesaplanan 24 saat TS değeri, kabuk yonga karışımı (%75 kabuk+%25 odun yongası) levha grubunda %7,48 olarak hesaplanmıştır. Aynı levha grupları için ısı iletim katsayısı değerleri ise 0,07505 W/mK (%100 odun yongası) ve 0,06648 W/mK (%75 kabuk+%25 odun yongası) olarak ölçülmüştür.

Vermikülit kullanımı ile fiziksel ve mekanik özelliklerde azalma tespit edilirken, sıcaklıkla kütle kaybının azaldığı, ısı yalıtım özelliklerinin ise olumlu yönde etkilendiği belirlenmiştir. Vermikülit ilave edilmeyen (%100 kabuk) levha grubunda %7,95 olan 24 saat TS değeri, %15 vermikülit ilavesi ile artmasına rağmen (%8,16), vermikülit ilavesiz %100 odun yongası ile üretilen levha grubunun 24 saat TS değerinden (%8,28) daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Yanma deneyi sonucuna göre vermikülit ilave edilmeyen kabuk kontrol grubunda alev kaynaklı yanma (AKY) için %16,7, kendi kendine yanma (KKY) için ise %19 olan ağırlık kayıpları, %15 vermikülit ilavesi ile %6 (AKY) ve %9,8 (KKY) olarak ölçülmüştür. 
Üretilen kabuk izolasyon levhalarının en düşük ısı iletim katsayısı değeri 4% P-MDI tutkalı ile üretilen levhalarda 0,06360 W/mK bulunmuştur. Kaplanmış levhalar için ise en düşük ısı iletim katsayısı değeri 0,0671 W/mK ile %3 P-MDI kontrol grubunda elde edilmiştir. Levha yoğunluğunun ısı iletim katsayısını önemli oranda etkilediği tespit edilmiş, 100 kg/m3 yoğunluk artışı ile ısı iletim katsayısındaki ortalama artış 20 mm kalınlığındaki levhalar için 0,012 W/mK, olurken 30 mm kalınlık için 0,011 W/mK olarak hesaplanmıştır.

Yüzey kaplama işlemi ve yoğunluk artışı ile ses yalıtım özelliğinin iyileştiği belirlenmiştir. Ortalama ses iletim kaybı 300 kg/m3 yoğunlukta 11,21 dB, 400 kg/m3 yoğunlukta ise 17,02 dB olarak gerçekleşirken, aynı kalınlık ve yoğunluktaki ham ve kaplanmış levhalarda ise sırasıyla 11,21 dB ve 28,08 dB olarak hesaplanmıştır. İncelenen özellikler bakımından elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde karaçam kabuklarından belirli yoğunluklarda üretilecek izolasyon levhaların ısı ve ses yalıtım amacıyla kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Materials used in buildings to provide heat and sound insulation are developing depending on technological innovations, and in recent years the use of environmental and ecological materials has gained importance. Waste tree bark obtained by debarking of tree trunks are generally used in energy production. In this study, insulation boards suitable for heat and sound insulation were produced by using polymeric methylene diphenyl di-isocyanate (P-MDI) urea formaldehyde (UF) resin from black pine (Pinus nigra Arnold.) bark. Decorative boards were prepared by coating the surfaces of the produced insulation boards with wood veneers. Some of the physical, mechanical, heat and sound conductivity properties were determined for veneer coated and uncoated boards. 

When the results obtained are evaluated, the highest increase in the density values with the coating of the board surfaces was calculated as 18.75% and 6.06% for the 20 mm and 30 mm thicknesses, respectively. The highest density-increase due to the 100 kg/m3 increase in the board density was 37.50% (20 mm) and 33.33% (30 mm). In the production of insulation boards, it was determined that the water absorption (WA) and thickness swelling (TS) values of 2 and 24 hours decreased with the increased P-MDI ratio in the glue mixture in general. This non-linear decrease, especially for TS values, reached the highest level in the board groups in which P-MDI was added at different rates (1%, 2%, and 3%) to 7% UF, and the lowest TS values were obtained. 

The lowest 24-hour TS values obtained at 300 kg/m3 and 400 kg/m3 densities for 20 mm thick boards were obtained from 7%UF+3% P-MDI board group at 5.16% and 6.41%, respectively. The lowest 24-hour TS values obtained for 30 mm thick boards are 5.37% (300 kg/m3) with 7%ÜF+3% P-MDI and 5.68% (400 kg/m3) with 7%ÜF+2% P-MDI detected in board groups.

When the mechanical properties of the board groups were examined, the highest BS and MOE values of 300kg/m3 density for raw boards were obtained as 0.88 N/mm2 and 378.04 N/mm2, respectively, in the use of 7% UF+3% P-MDI glue. In the 400kg/m3 density board groups, the highest BS and MOE were obtained as 2.03 N/mm2 and 286.72 N/mm2, respectively. The coating process on the board surfaces improved the mechanical properties, and the highest BS and MOE values were obtained with the coating of the board surfaces as 15.44 N/mm2 and 3905.63 N/mm2, respectively. The IB values increased with the increase in density, and the highest IB values were calculated as 0.14 N/mm2 for the board group produced at 400 kg/m3 density and 20 mm thickness and 0.18 N/mm2 for the 30 mm thickness.

It has been determined that the mechanical properties decrease, but water absorption, thickness swelling, and insulation properties are improved with the increase in the use of bark in the boards produced by using 7%UF+3%P-MDI and wood bark mixture at different rates, which is determined as the best glue variation. The 24-hour TS value, which was calculated as 9% in the board group produced with 100% wood chips, was calculated as 7.48% in the board group with a bark chip mixture of 75% bark + 25% wood chips. The heat transmission coefficient values for the same board groups were measured as 0.07505 W/mK (100% wood chips) and 0.06648 W/mK (75% bark + 25% wood chips). 

With the use of vermiculite, a decrease in physical and mechanical properties was observed; It was determined that the mass loss at elevated temperatures decreased, and the thermal insulation properties were positively affected. Although the 24-hour thickness swelling value of 7.95% in the board group without vermiculite added (100% bark) increased with the addition of 15% vermiculite (8.16%), it was found that this value was lower than the 24-hour thickness swelling value (8.28%) of the board group produced with 100% wood chip without vermiculite addition. According to the results of the combustion test, weight losses of 16.7% for flame-caused combustion (FCC) and 19% for self-combustion (SC) were measured in the bark control group without vermiculite added, and it was found as 6% (FCC) and 9.8% (SC) with the addition of 15% vermiculite.

The lowest heat transmission coefficient value of the bark insulation boards was 0.06360 W/mK in the boards produced with 4% P-MDI glue. For the coated boards, the lowest heat transfer coefficient value was obtained with 0.0671 W/mK and 3% P-MDI control group. It has been determined that the density of the board affects the heat transmission coefficient significantly; the heat transmission coefficient increases with the increase in the density. Therefore, increase in density of 100 kg/m3, the average increase in heat transmission coefficient was calculated as 0.012 W/mK for 20 mm thick boards, and 0.011 W/mK for 30 mm thickness. It was determined that the sound insulation property improved with the surface coating process and the increase in density.

While the average sound transmission loss (STL) was 11.21 dB at 300 kg/m3 density and 17.02 dB at 400 kg/m3 density, it was calculated as 11.21 dB and 28.08 dB for uncoated and coated boards with the same thickness and density. When the results obtained in terms of the examined properties are evaluated, it is concluded that the insulation boards produced from black pine bark at specific densities can be used for heat and sound insulation purposes.