Yalıtım malzemesi olarak atık polivinil klorür (PVC) kullanılarak kompozit köpük üretimi ve özellikleri
As an insulation material, manufacture of waste polyvinyl chloride (PVC) composite foams and their properties
Yazar: YILDIZ BİRBİLEN
Danışman: DOÇ. DR. KADİR KARAKUŞ ; PROF. DR. FATİH MENGELOĞLU
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Petrokimya esaslı bir polimer olan polivinil klorür (PVC)'ün çok geniş bir kullanım alanına sahip olması kullanım ömrünü tamamladıktan sonra atık olarak çevreye bırakılma oranının çok büyük olması demektir ve bu oran her geçen gün artmaktadır. Bu PVC atıkların depolama alanlarında bekletilmesi ya da yakılarak bertaraf edilmesi çevresel sorunlara yol açmaktadır. PVC atıklar için en uygun yöntem geri dönüşümdür ancak PVC atıkların çok küçük bir yüzdesi geri dönüştürülmektedir. PVC atıkların geri dönüştürülerek tekrar üretime kazandırılabileceği alanlardan bir tanesi termoplastik köpüklerdir. Termoplastik köpükler düşük yoğunluk ve maliyet, iyi ısı ve ses yalıtımı özellikleri, yüksek enerji absorblama vb. özelliklerinden dolayı ön plana çıkmakta ve otomobil parçaları, ambalaj malzemeleri, yalıtım malzemeleri, yüzdürme ekipmanları olarak birçok alanda tercih edilmektedir. Ayrıca termoplastik köpüklerin daha çevre dostu bir malzeme olması açısından yenilenebilir malzemeler olan ve atık olarak fazla miktarlarda bulunan lignoselülozik malzemelerle birlikte odun plastik kompozit köpükler de üretilebilmektedir. Bu konular kapsamında çalışmada alternatif bir ısı yalıtım malzemesi olarak atıkların geri dönüştürülmesine katkı sağlayan, daha çevre dostu, maliyeti düşük, yanmaya karşı dirençli atık PVC esaslı polimer kompozit köpüklerin üretilmesi amaçlanmıştır. Çalışmada matris elemanı olarak kapı ve pencere profil endüstriyel atıkları (atık PVC), lignoselülozik dolgu malzemesi olarak ise kavak kereste atıkları ve çam ağaç kabukları kullanılmış, atık PVC esaslı kompozit köpüklerin üretimi pres kalıplama yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. PVC'nin işlenmesi için plastikleştirici olarak dioktil ftalat (DOP), ısı stabilizatörü olarak Ca/Zn stabilizatör, ekzotermik köpük ajanı olarak azodikarbonamit ve endotermik köpük ajanı olarak sodyum bikarbonat ve sitrik asit karışımı kullanılmıştır. 
Çalışmanın ilk bölümünde optimum köpük yapısını oluşturmak için atık PVC; farklı plastikleştirici oranları, farklı kimyasal köpük ajanları ve miktarları kullanılarak köpüklendirilmiştir. Üretilen PVC köpüklerin fiziksel (yoğunluk, su alma ve kalınlık artımı), mekanik (çekme, eğilme, darbe özellikleri), termal (termogravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC)), morfolojik (hücre yapısı görüntüleri) ve ısı iletkenlik özellikleri belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre üretilen atık PVC köpüklerin yoğunluk değerleri 0,581-1,109 g/cm3 arasında değişiklik göstermektedir. Atık PVC köpüklerin yoğunluk değerleri kontrol örneğine göre yani köpüklendirilmemiş PVC'ye göre azalmış ve köpük ajanı miktarının artmasıyla azalmaya devam etmiştir. Isı iletkenlik katsayısı değerlerine göre üç grup haricinde üretilen bütün köpükler yalıtım malzemesi sınıfına girmektedir. Genel olarak ekzotermik köpük ajanı ile üretilen köpükler daha fazla hücre sayısı, daha küçük hücre boyutu, daha yüksek hücre yoğunluğu ve boşluk oranı göstermiştir. DOP miktarı arttıkça hücre boyutu artmış ve boşluk oranı azalmıştır. Sonuç olarak üretilen atık PVC köpüklerde optimum köpüklendirmenin 0,25 phr ekzotermik köpük ajanı içeriğinde gerçekleştiği belirlenmiştir.  
Çalışmanın ikinci bölümünde ise belirlenen optimum köpük içeriği oranları kullanılarak PVC kompozit köpükler üretilmiştir. Özellikleri belirlenen PVC kompozit köpüklerde dolgu maddesi türü, miktarı ve boyutunun etkisi incelenmiştir. PVC kompozit köpüklerin özelliklerinin kıyaslanması amacıyla aynı içeriğe sahip PVC kompozitler üretilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Üretilen atık PVC kompozitlerin yoğunluk değerleri 1,253-1,414 g/cm3 arasında değişiklik gösterirken atık PVC kompozit köpüklerin yoğunluk değerleri 0,853-1,152 g/cm3 arasında değişiklik göstermiştir. Bütün kompozitlerin çekme direnci, çekmede elastikiyet modülü, kopmada uzama, eğilme direnci, eğilmede elastikiyet modülü ve darbe direnci değerleri kompozit köpüklerin direnç değerlerinden daha yüksektir. Kompozit köpüklerin çekme direnci, çekmede elastikiyet modülü, eğilme direnci, eğilmede elastikiyet modülü değerleri dolgu malzemesi içermeyen kontrol örneğine göre daha yüksektir. Genel olarak dolgu malzemesi miktarının artması ile değerler artış göstermiştir. Isı iletkenlik katsayısı değerlerine göre üretilen atık PVC kompozit ve kompozit köpüklerde bütün gruplar yalıtım malzemesi olarak sınıflandırılabilmektedir. Atık PVC kompozitlerin tamamının ısıl geçirgenlik direnci atık PVC kompozit köpüklerinkinden daha düşüktür. Kompozit köpüklerin hücre yapısı dolgu malzemesi içermeyen köpüklere göre değerlendirildiğinde hücre sayısında azalma meydana geldiği ve genel olarak daha büyük hücreler oluşarak hücre yapısının düzensizleştiği gözlemlenmiştir. Dolgu malzemesi miktarının artması ile 15 phr dolgu malzemesi içeriğine kadar hücre sayısı azalmış, hücre boyutu artmış, hücre yapısı düzensizleşmiş ve daha fazla hücre birleşmesi meydana gelmiştir. 20 phr dolgu malzemesi içeriğinde ise hücre oluşumu azalmıştır. Her iki dolgu malzemesinde de dolgu malzemesi boyutu küçüldükçe daha küçük hücre oluşumu meydana gelmiş ve hücre sayısı artmıştır. Dolgu malzemesi boyutu fark etmeksizin 15 phr dolgu malzemesi içeriğine kadar kavak atığı ile üretilen kompozit köpükler daha iyi hücre yapısı sergilemiştir.

Abstract:
PVC, which is a petrochemical-based polymer, has very wide usage areas, which it's very a high generate amount of waste post-consumption and this amount is increasing day by day.  Storage in landfills or disposal by burning of these PVC wastes leads to environmental problems. The most suitable method for PVC waste is recycling, but a very small percentage of PVC waste is recycled. Thermoplastic foams are one of the areas which can be reused by recycling of PVC wastes. Thermoplastic foams are widely used as automotive seating, packaging materials, insulation materials, and buoyance materials due to their low density and cost, good thermal and acoustic insulation properties, high energy absorption performance, etc. In addition, in order to manufacture thermoplastic foams more eco-friendly, wood-plastic composite foams can be produced together with lignocellulosic materials, which are renewable materials and are found in large quantities as waste. Within the scope of these issues, in this study to the manufacture of PVC-based wood plastic composite foams as an alternative thermal insulation materials that contribute to the recycling of waste, more environmentally friendly, low cost, and fire resistant were aimed. For this purpose, PVC composite foam materials were produced by using waste PVC obtained from door and window profile wastes as matrix elements, poplar timber wastes, and tree barks as lignocellulosic materials. PVC composite foams were carried out using the compression molding method. Dioctyl phthalate (DOP) was used as a plasticizer, Ca/Zn stabilizer as a heat stabilizer, azodicarbonamide as an exothermic foaming agent, and a mixture of sodium bicarbonate and citric acid as an endothermic foaming agent in PVC composite foams production. 
In the first chapter of the study, waste PVC was foamed to create the optimum foam structure using different plasticizer amounts, different foaming agents, and different chemical foaming agent amounts. The produced PVC foams physical (density, water absorption, and thickness swelling), mechanical (tensile, flexural, impact properties), thermal (thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC)), morphological (cell structure images) and thermal conductivity properties were determined. According to the results obtained, the density values of the waste PVC foams were in the range of 0.581-1.109 g/cm3. In waste PVC foams, density values were decreased compared to the control sample, that is, unfoamed PVC, and continued to decrease with the increase of foaming agent amount. According to thermal conductivity coefficient values, except for three groups all waste PVC foams produced can be classified as insulation materials. In general, waste PVC foams produced with exothermic foaming agent were showed higher number of cells, smaller cell size, higher cell density, and void fraction compared to foams produced with endothermic foaming agent. With the rising of DOP amount, cell coalescences and cell collapses were occurred the cell size was increased and the void fraction were decreased. As a result, in the waste PVC foams produced, optimum foaming was determined that was achieved with the content of 0.25 phr exothermic foaming agent.
In the second chapter of the study, PVC composite foams were produced using the optimum foam content amounts determined in the first chapter. The effects of filler type, filler amount, and filler size on the properties of PVC composite foams were investigated. With waste PVC composite foams have been same content waste PVC composites were produced and their results were compared. While the density values of the waste PVC composites were in the range of 1.253-1.414 g/cm3, the density values of the waste PVC composite foams in the range of 0.853-1.152 g/cm3. The tensile strength, tensile modulus, elongation of break, flexural strength, flexural modulus, and impact strength values of all composites are higher than the values of composite foams. Tensile strength, tensile modulus, flexural strength, and modulus values of composite foams are higher than control samples. Generally, the values were increased with the increase of filler material amount. All of the waste PVC composites and composite foams can be classified as insulation materials according to thermal conductivity coefficient values. The thermal resistance values of all of the composites are lower than that of composite foams. When the cell structures of composite foams compared to unfilled composite foams were evaluated it was observed that the number of cells were reduced and generally larger cells were occurred and the cell structure became irregular. With the rising of fillers amount, up to 15 phr filler amount, the number of cells were reduced, the average cell size and cell coalescence were increased, and a very nonuniform cell size distribution were occurred. The cell nucleation and cell growth were reduced in the 20 phr filler content. In both filler materials, as the filler size smaller, the lower cell size were occurred and the number of cells were increased. Regardless of the filler size, in the produced composite foams with the poplar timber waste up to 15 phr filler amount were observed to better cell structure.