Bor ve mineral katkılı selülozik yalıtım malzemesi üretimi ve karakterizasyonu
Production of boron and mineral reinforced cellulosic insulation material and its characterization
Yazar: İBRAHİM ETHEM KARAAĞAÇLIOĞLU
Danışman: PROF. DR. MEHMET SABRİ ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Atık kağıt = Waste paper

Özet:
Nüfus artışına paralel olarak artan enerji tüketimi, mevcut enerji kaynaklarının hızla tükenmesine ve dünyayı tehdit eder hale gelmesine neden olmaktadır. Enerji kullanımının büyük bir bölümünün konut ısıtılmasında olduğunu dikkate alınırsa, yapı yalıtımının önemi daha iyi anlaşılacaktır. Enerji tasarrufunun veya ısı planlamasının en basit yolu binaların yalıtılmasıdır. Son yıllarda çıkartılan yönetmelikler ve AB uyumluluğu, enerji tasarrufunun önemine dikkat çekmektedir. Isı yalıtımını zorunlu kılan gelişmelerden birisi de ülkemizin KYOTO Protokolü'nü imzalamış olmasıdır. Protokol gereği 2012 yılından itibaren bazı yükümlülüklerin altına girecek olan ülkemizde, sera gazı salınımını önleyecek çevre ile uyumlu yatırımlar hız kazanacaktır. Binalarda uygulanacak yalıtım malzemesi, sağlayacağı ekonomik faydanın yanı sıra çevre kirliliğine etkisi ve binanın yangın yalıtımına katkısı gibi hususlarda dikkate alınarak seçilmelidir.Yalıtım, günümüz mimari anlayışında, yaşamımıza, ekonomiye ve ekolojik sisteme sağladığı yararlar nedeni ile sektörün vazgeçilmez unsuru haline gelmiştir. Isı yalıtımı, mühendislik ve bilim adamlarının yanı sıra tasarımcılar, ürün geliştiriciler ve üreticilerin önemli bir ilgi alanı olmaya devam etmektedir. Uygulama zenginliği, farklı bileşenleri ve sistemleri, enerji tasarrufunun toplumlar içinde her an gündemde olması, konunun ve malzemelerinin sürekli araştırma konusu olmasına imkan sağlamaktadır. Yalıtım, multi disipliner bir çalışma gerektirmektedir. Yalıtımda, ulusal ekonomi ve çevre ilişkisinin ortaya konulması ve rasyonel çözümlere varılabilmesi için ekonomi, fizik, kimya, makine, inşaat, mimarlık, madencilik, malzeme bilimi, çevre ve meteoroloji mühendisliği gibi bilim dalları bir eşgüdüm içerisinde bulunmalıdır. Yalıtım sektörü, inşaat, mimarlık, makine, madencilik ve sayılan diğer meslek gruplarının oluşturduğu yeni ve farklı bir sektör olarak görülebilir.Ekolojik bina, tarifinde ne olursa olsun, çağrışımı çok olumlu olan bir kavramdır. Ekolojik binadaki, `nefes alan duvarlar' tanımı, geleneksel yapı mimarisine alışmış insanlar için kafa karıştırıcı gelebilir. Bokalders and Sternberg'in hazırladıkları ` Sağlıklı ve Çevreye Uyumlu Binalar İçin Ürün Rehberi' kitapçığındaki tanımlar bu kafa karışıklığını gidermeye yeterli olacaktır. Uygulamada, iyi bir iç mekan iklimi sağlayacağını ve yapı elemanları üzerindeki nem riskini azaltacağı savunulmaktadır. Atık kağıtların % 15-20'lik kısmının, pratik olarak kağıt üretiminde geri kazanılarak kullanılması mümkün değildir. Çünkü, kullanılmış kağıtların lifleri her seferinde kağıt kalitesine göre ortalama % 5-20 oranında bozunur ve zayıflar. Literatürde, farklı yöntemlerle, atık kağıtlardan kompozit malzeme ve yalıtım malzemeleri yapımına rastlamak mümkündür. Kağıdın doğada bozunma süresi 3 ile 60 aydır ve bu özelliği ile doğada kendiliğinden bozunabilen (biodegradable), doğa ile dost ürünler sınıfındadır.Selülozik yalıtım, temel olarak geri dönüşümlü gazete, kaplanmamış diğer kağıt ürünleri ya da lifleştirilmiş ahşabın öğütülmesi ile elde edilen bir ısı ve ses yalıtım türüdür. Yaygın olarak, konut ve ticari binalarda ısı yalıtımı için atık kağıt elyafı kullanımına, yine ilk defa ABD'de 1925 yılında başlanmıştır. Malzeme ile ilgili ilk standartlarda ASTM (American Society for Testing and Materials) ve NCIMA (National Cellulose Insulation Manufacturers Association) tarafından 1973 yılında yayınlanmıştır. Tye'ın selülozik yalıtım malzemesinin ısıl iletkenliğine, test ısısı ve malzeme yoğunluğunun etkisini inceleyen yazısını, takiben araştırmacılar, araştırma birimleri ve ilgili kurumlar konu ile ilgili çalışmalar ve standartlar yayınlamışlardır.1980'lerle birlikte gelişen çevre bilinci selülozik yalıtımın yaygınlaşmasında etken olmuştur. Selülozik yalıtım, üç ana tema üzerinde durur; fosil enerji kaynaklarının etkin kullanımı (ısı), kullanılmış kâğıtların geri kazanımı (çevre) ve güvenli ses, sağlıklı iç mekân havası sağlanması (sağlık). Çalışma bu ana temalar çerçevesinde şekillendirilmiş, insan ve çevresi ile uyumlu bir yalıtım malzemesi üretimi planlanmıştır.Yaygın olarak selülozik yalıtım malzemesinin iki tip uygulaması yapılmaktadır. Gevşek dolgu (Loose-fill) ve nemlendirilmiş püskürtme (Wet-spray). Nem çekici (hygroscopic) malzemeler nemi emme ve salma (absorb-desorb) özelliğine sahiptirler. Selüloz elyafı da nem çekici özelliğe sahip bir malzemedir. Binalarda, selülozik elyaf tarafından emilen iç mekan havasındaki fazla nem, daha sonra bağıl nem salınımı olarak azalacaktır. Malzemenin bu tampon nem tutma yeteneği, iç mekan iklimi için değerlidir ve ortam nemini sürekli uygun düzeyde tutmaya yardımcı olur.Bu çalışmada, yalıtımda kullanılabilecek mineral katkılı selülozik karışımın tarifi, tasnifi, malzemenin fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerine etki eden faktörlerin etki mekanizmalarını ortaya konmuştur. Bu bilgi birikimi ile üretimde kullanılabilecek yöntem tespitine yönelik çalışmalar yapmak ve projenin konusuna en uygun koşullarda mineral katkılı selülozik elyaf esaslı yalıtım malzemesi oluşturularak elde edilen ürün/ürünlerin mekanik, ses ve ısıl özellikleri ile yanma geciktiricilik özelliği incelenmiştir.Gelişen teknoloji ile birlikte modern yalıtım sektörü, büyük miktarlarda hem doğal hem de sentetik mineral lifler kullanmaktadır. Düşük yoğunluklu ince liflerin büyük bir hacim oluşturmaları onları yalıtım için uygun hale getirir. Özellikle, gevşek lifli kitle içinde sıkışan hava, ısı transferi için ana engeli oluşturur.Atık kağıt elyafı da, doğal, selülozik esaslı bir elyaftır.Organik bir yapıya sahip selüloz ve bileşimin diğer ortağı mineraller, bor ürünleri, bağlayıcılar ve bunların oluşturduğu kompozit bir yapı olan selülozik yalıtım malzemesinin, ısı ve ses yalıtım özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla, selüloza ilave olarak; perlit,vermikülit, pomza ve kil gibi farklı mineral katkılar da kullanılmıştır.Levha şeklinde, yüksek yoğunlukta ve yarı sertlikte üretilmiş ola selüloz bazlı yalıtım malzemesinde, bağlayıcı olarak % 7-11oranında farklı bağlayıcılar kullanılmıştır. Üretilen selüloz plakaların yoğunluğu 98-163 kg/m3arasındadır. Su buharı geçirgenliği yüksek olan yalıtım malzemesinin termal performansını kaybetmeden % 17 oranında nem tutma özelliğine sahip olduğu tespit edilmiştir. Bor ve farklı mineral katkılarıyla; mineral katkısız levhalarda %0.043-0,055 W/mK ölçülen ısı iletim katsayısı değeri daha da aşağılara çekilmiş olup aynı zamanda yanmaya karşı da % 56 oranında bir iyileşme sağlanmıştır. Ses yalıtımı için gerekli homojen, gözenekli, kompakt yapı formu sıkıştırılmış atık kağıt elyafı ile yakalanmaya çalışılmış fakat lif ve tabakalanma yapısının özelliği nedeni ile istenilen düzeye ulaşılamamıştır. 0.4-1.2 mm boyutlu mineral katkı malzemelerinin ses yutumu değerlerinde olumlu etkisi gözlenmiştir.Selülozik yalıtım malzemesi, A2 sınıfı zor yanan bir malzemedir. Bu özellik, yapısına ilave edilen bor ve bor tuzlarından kaynaklanmaktadır. Bu çalışma, selülozik yalıtım malzemesinin esasını oluşturan, atık kağıttan elde edilen selüloz elyafında kullanılacak borik asit oranının optimizasyonu ve borik asit ile birlikte Na2SiO3 'in yapıdaki yanma özelliklerine etkisinin belirlenmesi ve malzemenin yanıcılığının azaltılması amaçlarına yönelik olarak hazırlanmıştır. Atık kağıtlardan elde edilen selüloz lifleri, iki farklı mineral katılıp sıkıştırılarak levha haline getirilmiştir. Selülozik elyaf saf su, borik asit ve Na2SiO3 ile, farklı oranlarda karıştırılarak, yanma özelliklerinin belirlenmesi ve malzemenin yanmasının geciktirilmesi amaçlarına yönelik yanma ve LOI testlerine tabi tutulmuştur.Yanma testleri alev kaynaklı, kor hali yanma ve kendi kendine yanma aşamalarında gerçekleştirilmiştir. Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre; borik asit ile desteklenen mineral katkılı deney örnekleri ile borik asit ve Na2SiO3 ile muamele edilen selüloz elyafı deney örneklerinde, ağırlık kaybı, alev kaynaklı yanma sıcaklığı, kor hali yanma sıcaklığı ve yıkılma anına kadar geçen sürelere ilişkin yanma özellikleri bakımından en olumlu sonuçlar alınmıştır.Sonuç olarak, selüloz (atık kağıt), bor ve perlit, vermikülit, pomza ve kil gibi farklı mineral katkılar yardımıyla, DIN 4102 normlarına göre A2 yanmaz malzemeler sınıfında, kokusuz, paslandırma etkisi olmayan, yanmaya ve küflenmeye karşı yüksek dirençli bir yalıtım malzemesi üretilmiştir.

Abstract:
Energy consumption is increasing in parallel with population growth, rapid depletion of existing energy resources and threatens to become the world causes. A major part of energy used to comfort buildings utilizes various insulation materials not only to save energy but also to reduce greenhouse gases. Given that a large proportion of energy use for heating houses, better understood the importance of building insulation. The simplest way to planning energy saving and heat isolation of buildings. Thermal insulation applications, especially in regions with severe climatic conditions, providing an important contribution to energy efficiency, practical and logical first step. In modern buildings, air conditioning (HVAC) energy consumption for the total energy use is an average of 50% to 70. This ratio may be higher in regions with severe climatic conditions and non-insulated buildings. Relevant studies demonstrated that application of thermal mass in well insulated buildings may result heating and cooling energy saving in residential buildings of up to 25 %. Thermal insulation, dwindling fossil fuel reserves, fuel shortages resulting from the oil crisis and energy more expensive with each passing day, the efficient use of energy has been on the agenda of each country.Insulation, the understanding of contemporary architecture, our lives, because of the economic and ecological benefits of the system has become an indispensable element of the sector. Thermal insulation, as well as engineering and scientists, designers, product developers and manufacturers continue to be an important area of interest. The richness of the application, different components and systems, energy conservation is on the agenda at any time within societies, and the materials of the subject is a subject of continuous research allows. Insulation, requires multi-disciplinary work. Insulation, to reveal the relationship between the national economy and the environment to arrive at solutions and rational economics, physics, chemistry, machinery, construction, architecture, mining, material science, environmental and meteorological engineering disciplines, such as should be found within a co-ordination. Insulation industry, construction, architecture, machinery, mining and other professional groups mentioned can be seen as a sector that creates new and different.In building energy-saving, comfort, and to ensure a healthy living environment, heat, sound, water and fire insulation made. An insulating material, can block the flow of heat. Slowly lowering the temperature of the hot surface temperature on the ones he gets. This mutual exchange of heat takes until the equilibrium state. Thermal insulation, does not produce heat. Applied to the building, retains the heat. Structural components of the protection from the harmful effects of condensation, the insulation is provided. Sealed surfaces are hot. Condensation, not seen on these surfaces. Therefore, fungi, molds and related allergic disorders occur.The structure of the insulation material, they are lightweight, against external influences such as frost and abrasion resistance, elasticity and mechanical strength, hardness, heat and sound insulation properties, fire retardant and resistant, easy to manufacture and handling of affordability, ease of use and application, is effective to be preferred. Modern insulation industry uses large amounts of both natural and synthetic mineral fibers. Create a large volume of low-density thin fibers, making them suitable for isolation. In particular, the air trapped in the loose fibrous mass, creates the main obstacle for heat transfer. Also recyled paper fibers, the natural cellulosic-based fiber.Cellulose insulation, primarily from recycled newspaper, uncoated, or other paper products obtained by grinding the wood is a type of a heat and sound insulation. Cellulose insulation, recommended by architects who are today generally and applied ecology. Eco-building ideas, architects and builders of classic and can be perceived as a challenge to the idea of the status quo structure. Ecological building, no matter what recipe, a concept which is a very positive connotation.Ecological building, 'breathing walls' definition, can be confusing for people accustomed to traditional building architecture. Bokalders and Sternberg (1995), prepared 'for buildings Healthy and Environmentally Compatible Product Guide' booklet defines these will be sufficient to eliminate the confusion. In practice, it would provide a good indoor climate and reduce the risk of moisture on the structural elements advocated. Sustainable materials, thermal and acoustic performance comparable to traditional materials. There are studies on this subject, on items from commonly used that offers a different and specific solutions and natural fiber composites, which is superior to glass wool. Cellulose insulation is an established, time-proven building insulation material. Since it is based on recycled paper, it is well-recognized as an energy-efficient and green insulating product. Recycled paper production, 15- 20% portion of waste paper, as a practically not be used. Because the recyled paper fibers, 5-20% on average compared to degrade the quality of the paper each time the weak. In the literature, different methods of waste paper can be found in the construction of composite materials and insulation materials. From 3 to 60 months, and the decay time of the nature of the paper with this feature as such in nature compostable (biodegradable), is classified as nature-friendly products.With the energy crisis of the 1980's with the development of cellulosic insulation in spreading environmental awareness have contributed. Cellulose insulation, stands on three main themes: (a) in terms of heat, the efficient use of fossil energy sources, (b) in terms of environment, recycling of used papers and (c) in terms of health, secure voice, to ensure healthy indoor air. Today, cellulose insulation, more environmentally friendly, the production requires less energy requirement (20-30%) , as a raw material recycling material (75-85%) use more, lightness and combustion retardant properties, and applications, and production has increased again. Widely applied cellulose insulation material in two ways. Loose fill (loose-fill) and moistened with the spray (Wet-spray).The average conductivity and its standard deviation for common insulation materials were developed as a function of different density materials. The higher the moisture accumulation, the bigger the moisture influences thermal transmissivity at steady state was found. If moisture penetrates into the material, causing physical damage. This adversely affects of the insulation performance by increasing the thermal conductivity . Heat transfer in a dry environment is less than a humid environment. If you can exchange the natural air-drying moisture in the building that will be very little for the power transmission. Important for the general comfort of the building to be able to breathe. Hygroscopic materials are capable of absorb and release moisture. Cellulose fiber is a material with a moisture absorbing properties. In buildings, cellulosic fibers too much moisture is absorbed by the indoor air, then the relative humidity in the release will be reduced. Moisture-holding ability of the material in this buffer, and the ambient humidity of the indoor climate is important for the appropriate level helps to keep constant. Cellulosic insulating material of high relative humidity, moisture permeability is higher.The best insulation material today requires to embody such physical, chemical and mechanical properties as heat conduction, sound absorption or acoustic properties, resistance to fire, porosity and bulk density, and to protect its physical and mechanical integrity.There are several major flaws that limit the use of cellulose.a) Due to the organic chemical structure can be destroyed by fungi and insects.b) Due to the physical structure can hold moisture.c)A combustible material.d) Production and implementation stage is dust.Numerous inorganic and organic chemicals are capable of inhibiting the combustion of cellulose, however, the type chosen depends upon the form of the cellulose. Borates (borax and boric acid) are usually added to cellulosic insulation both to prevent flaming combustion and to suppress glowing and smoldering though other inorganic salts such as aluminum sulfate, aluminum trihydrate, ammonium phosphate and ammonium sulfate have also been utilized. The typical dosage required is usually 20-30 % by weight, depending upon the degree and type of fire protection required. Herrera and his associates state that the principal active ingredient, sodium polyborate, plays a predominant role in the product?s antifungal properties.Cellulosic fibers are prone to attract moisture, practitioners and users maintained concern. In fact, the cellulose is effective in keeping moisture and humidity is interesting. However, within the cellulosic fiber material does not hold much moisture for a long time. Wet-Spray cellulose fiber insulation New England and Ohio, Canada, other field studies and a field study in Alberta is applied, after that 160 days measured humidity value, very close to the original material humidity.Another issue of concern is inhalation of dust and fibers for loose-fill materials, whereas it is low for the slab materials; a concentration of 6.1 mg/m3 was shown for fibers in excess of 106 fibers/m3. Slabs of insulation material from mineral wool or fiberglass show less dust than cellulosic loose-fill materials.According to ISO and CEN standards, materials with thermal conductivities smaller than 0.060 W/mK are considered thermal insulators. The aim of this study is to develop plate type cellulosic fiber insulator with boron and mineral additives that can be conveniently used for thermal insulation.Thermal conductivity is basically dependent upon porosity, pore distribution, the thermal conductivity coefficient and moisture of the material. The tests show that the applied load increases the thermal conductivity and in turn reduces the R-value; this is ascribed to the loss of air layers and subsequent formation of heat bridges upon compaction of fibrous structure of the cellulose. Increasing test temperature increased the R-value of the material. Loose-fill application of cellulosic insulation material exhibits R-value of 3.7 per inch. However, the R-value of compacted cellulose yields 2.0 to 3.5 depending on the thickness of the plate. The reason for these values to be lower than the reported values depends upon the test method, applied test temperature and moisture of the material; the R-values declared refer to those laboratory values of the standard dry material.For this purpose, several cellulosic insulation materials including used paper, boron products and various binders were produced and were then reinforced by various mineral additions such as perlite, vermiculite, pumice and clays to enhance their sound and heat insulation properties. Cellulose based insulation materials in high specific density ( 98-163 kg/m3) and semi-strength characteristics were composed of 75 % of used paper, 20-25 % of binder. It was observed that produced insulation materials have high water wapour permeability and also moisture adsorption capacity of 17 %. When reinforced with boron products and various mineral additives; thermal transmission coefficient of 0.043-0,055 W/mK for the basic cellulosic insulation material was reduced down to lower levels and 56 % of improvement on resistancany to ignition (flame retardancy) was also achieved.The contribution of perlite on thermal conductivity of cellulosic insulation material was tested at two different particle sizes as a function of expanded perlite dosage. Examination of the data reveals that perlite favorably contributes to the thermal conductivity of cellulose by 10 to 30 %. Addition of more than 30 % deteriorates the mechanical structure of the material leading to a reduction in ? due to possibly building of heat bridges among perlite particles upon increasing the perlite dosage. Theoretically as the particle size of the mineral is decreased porosity increases. Since particles are of different sizes, the small particles enter into the cavities of big particles leading to a decrease in porosity. Particularly -0.5 mm size particle has shown favorable effect on thermal conductivity whereas -2 mm particles have exhibited better performance on sound absorption.Minerals up to a certain addition (30 % by wt.) provide dominant character to the structure, particularly in thermal conductivity data. For instance, achieving a reduction in ? and R-values on large granules of perlite and vermiculite confirm this idea. The dominant element in the plate becomes mineral and with the effect of compaction, mineral particles contact each other and form heat bridges. On the other hand, the density of loose-free moisturized cellulosic fiber acquires a density of 31.8 kg/m3 but its density varies with the degree of compaction and hardening; this severely affects the thermal and sound properties of cellulosic fiber. While compaction is the reduction in the volume of material upon applying external pressure, hardening is creation of a solid matrix with the mixing of compounds and the binder. Compaction and hardening of natural porous granules and fibrous cellulose under pressure undergo significant changes in its final porosity.Filling of vacant sites in the pores with the binder also leads to a reduction in porosity of the material. The reason for the obtaining lower values from the standard ones are ascribed to the selection of higher test temperature, the testing method and its application and the moisture content of the material since the standard values refer to the values in loose fill and dry state R-values.Sound absorption of cellulosic material was determined as a function of the frequency. Some attempts for sound insulation enhancement were failed due to the mineral particle size of 0.4-1.2 mm which caused to failure of that the dispersion of these particles uniformly and to produce porous and also compact form were not possible. That is, it was found that mineral addition has no positive effect on sound insulation. The sound absorption of samples in the 500 Hz frequency is 25 dB whereas sound conductivity coefficient on the average is 0.75 Sabin. These values are expected to decrease with the addition of mineral additives such as perlite.As a conclusion, insulation material in A2 class in accordance with DIN 4102 standards was produced and this product was scentless, noncorrosive and resistive to mildew.