Bükülmüş tabakalı kaplama kereste üretiminde termo-mekanik yoğunlaştırma uygulanması ve mekanik özellikler üzerine etkisi
The application of thermo-mechanical densification in production of curved laminated veneer lumber and the effect on mechanical properties
Yazar: SERKAN ÖZDEMİR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SAADETTİN MURAT ONAT
Bartın Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Ormancılık ve Orman Mühendisliği = Forestry and Forest Engineering

Özet:
Bu çalışma kapsamında yüksek sıcaklık ve basınca ihtiyaç duyulan termo mekanik (TM) yoğunlaştırma, laminasyon ve bükme işlemleri birlikte kullanılarak, Kavak kaplamalardan yoğunlaştırılmış ve bükülmüş-yoğunlaştırılmış tabakalı kaplama kereste (yTKK ve byTKK) üretilebilirliği incelenmiştir. Bu sayede, Kavak odununun mekanik özellikleri iyileştirilerek yeni kullanım alanlarının bulunması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda öncelikle, yTKK ve byTKK'lerin nasıl üretileceği sorusuna cevap aranmıştır.

Sağlayabileceği birçok avantajdan ötürü çalışmanın ilk aşamasında, vakum preste önceden yoğunlaştırılmış kaplamalardan yTKK ve/veya byTKK üretimi (ayrık yöntem) üzerinde durulmuştur. Bunun için, düşük pres basıncının yoğunlaştırılmış Kavak kaplamalardan üretilen yTKK'nin yapışma dayanımı üzerine etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada, I-214 klonu Melez Kavak (Populus Euramericana cv.) kaplamalar %50, 75 ve 100 olmak üzere üç farklı seviyede sıkıştırılmıştır. Bu kaplamalardan, üre formaldehit (ÜF) ve polivinil asetat (PVAc) yapıştırıcıları kullanılarak, 0,25, 0,50 ve 0,75 N/mm2 basınç altında yTKK'ler üretilmiştir. Sonuç olarak yoğunlaştırılma işleminin yapışma dayanımına olumlu etkisi olduğu, ancak pres basıncı düştükçe yapışma dayanımının da düştüğü gözlemlenmiştir. Diğer yandan, yüksek üretim maliyetleri, uzun işlem süresi ve ön yoğunlaştırma işlemi sonucu yükselen eğilmede elastikiyet modülü (EEM) nedeniyle bükmede yaşanabilecek güçlüklerde dikkate alındığında, ayrık yöntem ikinci plana itilmiş ve birleştirilmiş yöntemin denenmesi kararlaştırılmıştır.

İkinci aşamada TM yoğunlaştırma ile laminasyon işlemleri birleştirilerek yTKK üretilmiş ve mekanik özellikleri en iyi yapacak üretim koşulları belirlenmiştir. Bu amaçla Taguchi tabanlı gri ilişkisel analiz kullanılarak yTKK üretiminde sıkıştırma oranı, pres sıcaklığı, pres süresi ve yapıştırıcı miktarı için en uygun seviyeler belirlenmiştir. yTKK'ler, Samsun klonu (I 77/51) Amerikan Kavağı (Populus deltoides) kaplamalardan, ÜF ve fenol formaldehit (FF) yapıştırıcıları kullanılarak üretilmiştir. Çalışma sonucunda, mekanik özellikler üzerine en etkili üretim faktörlerinin sıkıştırma oranı ve pres süresi olduğu belirlenmiştir. En iyi sonuçlar %50 sıkıştırma oranında, ÜF için 3 dakika, FF için ise 7 dakika yoğunlaştırılan yTKK'lerde elde edilmiştir. Mekanik özelliklerdeki %71'e varan iyileşmelerin yanında, üretim süresini ve maliyetleri azaltma potansiyelinden dolayı byTKK üretiminde birleştirilmiş yöntemin kullanılmasının uygun olacağı kararlaştırılmıştır.

Çalışmanın son aşamasında ise TM yoğunlaştırma, laminasyon ve bükme işlemleri birleştirilerek Samsun (I-77/51) klonu Amerikan Kavağı (Populus deltoides) kaplamalardan byTKK üretilmiştir. Çalışma kapsamında, üretilen byTKK'lerin statik yükler altındaki moment taşıma kapasitesi ve rijitlikleri belirlenmiş ve yapıştırıcı türü, kaplama kalınlığı ve pres sıcaklığı gibi üretim parametreleri optimize edilmiştir. Son olarak en iyi sonuçların elde edildiği byTKK^lar ile kontrol numuneleri tekrar eden yüklerin altındaki yorulma dayanımlarına göre karşılaştırılmıştır.

Sonuç olarak, mekanik özellikler üzerine en etkili üretim faktörünün kaplama kalınlığı olduğu ve kalınlık arttıkça çoklu performansın kötüleştiği belirlenmiştir. En iyi sonuçlar ÜF yapıştırıcısı, 1,8 mm kaplama kalınlığı ve 150 ⁰C pres sıcaklığı kullanıldığında elde edilmiştir. Uygulanan yöntemle, Kavak kontrol grubuna kıyasla diyagonal basmada moment taşıma kapasitesinde %63 oranında iyileşme elde edilirken, diyagonal açmada moment direncinde sınırlı düzeyde artış (%25) gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, it was investigated to produce densified and curved-densified laminated veneer lumber (dLVL and cdLVL) from poplar veneers by using of the thermo mechanical (TM) densification, lamination and bending processes together which require high temperature and pressure. Thus, it is aimed to find new usage areas for poplar wood by improving the mechanical properties. For this purpose, primarily an answer was sought to the question of how to produce dLVLs and cdLVLs.

Due to the many advantages, the first step of the study focused on the production of dLVL from pre-densified veneers (discrete method) in a vacuum press. For this, the effect of low press pressure on the bonding strength of dLVL produced from densified poplar veneers was investigated. In this study, I-214 clone hybrid poplar (populus euramericana cv.) veneers were compressed at three different levels, 50%, 75 and 100%. Then, dLVL were produced from these veneers under 0.25, 0.50 and 0.75 N/mm2 pressure by using urea formaldehyde (UF) and polyvinyl acetate (PVAc) adhesives. As a result, it has been observed that the densification process has a positive effect on the bonding strength, but as the press pressure decreases, the bonding strength decreases as well. On the other hand, considering the high production costs, long processing time and difficulties in bending due to the increase of modulus of elasticity (MOE) as a result of the pre-densification, the discrete method was pushed to the second plan and it was decided to try the combined method.

In the second stage, dLVL was produced by combining TM densification and lamination processes and the production conditions for best mechanical properties were determined. For this purpose, optimum levels were determined for compression ratio, press temperature, press time and amount of adhesive for dLVLs production using Taguchi based gray relational analysis. dLVLs were produced from Samsun (I-77/51) clone American poplar (populus deltoides) veneers by using UF and phenol formaldehyde (FF) adhesives. As a result of the study, it has been determined that the most effective production factors on mechanical properties are compression ratio and press time. The best results were obtained from dLVL at compression rate of 50% and at press time of 3 minutes for UF, 7 minutes for FF. Beside of the improvements up to 71% in mechanical properties, because of the potential to decrease production cost and time, it was decided to use of combined method in cdLVL production.

In the final stage of the study, cdLVL was produced from Samsun (I-77/51) clone American poplar (populus deltoides) by combining the TM densification, lamination and bending processes.  Within the scope of the study, the moment carrying capacity and rigidity of produced cdLVL under static load were determined and the production parameters such as the type of adhesive, coating thickness and press temperature are optimized. Finally, the cdLVLs with best multiple performances were compared with the control groups according to the fatigue strength under cycling load.

As a result, it was determined that the most effective production factor on mechanical properties was veneer thickness and multiple performances decreased as veneer thickness increased. The best results were obtained when the UF adhesive, 1.8 mm veneer thickness and 150 ⁰C press temperature were used. Compared to poplar control group, a 63% improvement in moment carrying capacity under diagonal compression load was achieved, while a limited increase (25%) was observed under diagonal pull load.