Tarihi ve kültürel mimari yapıların restorasyonunda ahşap malzemenin nano verniklerle konservasyonu
Determination of nano varnish effect on wooden historic buildings conservation
Yazar: SONER AKSU
Danışman: DOÇ. DR. DENİZ AYDEMİR
Bartın Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products
Dizin: Odun endüstrisi = Wood industry ; Odun teknolojisi = Wood technology

Özet:
Bu çalışmanın amaç, tarihi ve kültürel ahşap yapılarda eskimiş ve yıpranmış yüzeylerin restorasyon ve konservasyon işleminde kullanılabilecek özelliklerde nano verniği üretmek ve koruma etkilerini belirlemektir. Çalışmada TiO2 ve Al2O3 nano partiküllerle takviyeli su bazlı akrilik nano vernikler kullanılmıştır. Bu verniklerle yapılacak konservasyon işlemi ile tarihi ve kültürel değere sahip ahşap yapıların kirlenme, kir tutma, rüzgar, yağmur, don,..vb. iklim koşulları yanında bakteri, mantar ve UV gibi iç ve dış faktörlere karşı direncinin artırılması planlanmıştır.

Renksiz ve saydam nano TiO2 ve Al2O3 partiküllerinin sulu çözeltileri değişik oranlarda su bazlı akrilik vernik ile ağırlığına oranla %1-2-4 oranlarında mekanik ve ultrasonik olarak karıştırıldı ve nano vernikler hazırlanmış ve gruplandırılmıştır. Gruplar halinde hazırlanan bu vernikler yeni kesilen karaçam (Pinus nigra) odunlarına fırça ile sürme metoduyla uygulanmıştır. Farklı vernik solüsyonlarıyla kaplanan karaçam odunları yaşlandırma cihazında yerleştirilmiş ve yerleştirme öncesi ve sonrası renk değişimleri belirlenerek en düşük değişim gösteren vernikler seçilmiştir. Daha sonra tespit edilen bu nano vernikler Bolu-Mudurnu'da bulunan Armutçular Konağı'ndan alınan yüzeyleri eskimiş, dış cephe ahşap kaplama ağaç malzemelerine uygulanmıştır. Çalışmamızda kullanılan kontrol ve nano verniklerin özellikleri ve koruma etkileri belirlenmiştir. Hazırlanan örneklerin mikro sertlik, renk, parlaklık, çizilme, aşınma, yaşlanma, su buharı direnci, UV analizi, TGA, SEM, FTIR, yüzey temas açısı, yüzey katman kalınlığı ve yüzey yapışma direnci testleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Yapılan değerlendirmelerle gruplar içi ve gruplar arası farklılıklar belirlenmiştir.

Elde edilen renk testi sonuçları, nano-TiO2 ilavesinin renk analizi sonuçlarına göre nano Al2O3 ilavesine göre daha uygun olduğu bulunmuştur. Bu iki partikülün farklı karışımlarının bulunduğu vernikler incelendiğinde kontrol verniğine kıyasla beyazlama olduğu saptanmıştır ve en düşük değişimin %4 TiO2, %1 Al2O3 ve %4 TiO2-%1 Al2O3 içeren vernik için belirlenmiştir. SEM görüntüleri incelendiğinde fırça kullanılan yüzeylerde vernikleme esnasında fırçanın yanlış kullanımı ya da örnek hazırlamadaki zorluk nedeniyle bazı ezilmelerin olduğu da saptanmıştır. Örneklerin mikro sertlik değerleri arasında yapılan varyans analizi sonucunda anlamlı bir fark elde edilememiştir. Örneklerin çizilme ve aşınma derecesi TiO2 ilavesiyle en yüksek değere (3.derece) ulaşıldığı tespit edilmiştir. En iyi sonuçlar nano-TiO2 ilaveli verniler için elde edilirken en kötü çizilme (1. Derece) ve aşınma dereceleri Al2O3 ilaveli verniklerde saptanmıştır. Nano Ti katkılı vernikler Al ilaveli örneklere göre daha iyi yüzey sağlamlığına sahip olduğu tespit edilmiştir. En yüksek yüzey sağlamlığı TiO2 katkılı verniklerde 3.7 N/mm2 olarak saptanmıştır. Örneklerin termal özellikleri TGA ve DTG tesleri ile incelenmiş ve kontrol örneği ile aralarında anlamlı bir fark olmadığı tespit edilmiştir.  EDAX taraması sonucunda Al2O3 ve TiO2 partikülleri yüzeyde tespit edilmiştir. Ayrıca vernik içinde dağılımları da tespit edilmiştir. Özellikle %4T ilaveli verniklerde diğer verniklere göre daha fazla topaklanma gözlenmiştir. UV analizinde nano vernik ve kontrol numunesi UV bölgesinde olan 200 nm – 400 nm bandında güçlü absorbance göstermiştir. Nano partikül ilavesiyle birlikte 2. ve 3. tepe noktalarında absorbance miktarının azaldığı görülmüştür. FTIR analizi sonucunda herhangi bir değişik piklere ya da reaksiyon belirtisine rastlanmamıştır.

Abstract:
The aim of this study is to produce nano varnish which can be used in the restoration and conservation process of old and worn surfaces in historical and cultural wooden buildings and to determine the protection effects. In this study, water based acrylic nano varnishes reinforced with TiO2 and Al2O3 nanoparticles are used. The conservation process with the varnishes was planned to improve resistance to outdoor and indoor effects such as pollution, dust retention, wind, rain, frost, climatic conditions, bacteria, fungus and UV of historical and cultural wooden buildings.

Water born solutions and transparent nano TiO2 and Al2O3 particles were mixed mechanically and ultrasonically with water-based acrylic varnish in different ratios of 1, 2 and 4% and then nano varnishes were prepared and grouped. These varnishes prepared in groups, it was applied to the green black pine wood with brush application methods. Black pine wood coated with different varnish solutions were put to accelerated weathering cabinet (QUV) and the best varnishes were selected as the varnishes exhibited the lowest color changes by measuring color changes of the samples after and before QUV test and the varnishes were applied to the wood surfaces of the exterior wood veneer from the historical and cultural wooden structure of Armutçular Mansion in Bolu-Mudurnu. The properties of the control and nano varnishes to be used in our study and their protection effects were determined. Micro hardness, color, gloss, scratch, abrasion, aging, water vapor resistance, UV analysis, TGA, SEM, FTIR, surface contact angle, surface layer thickness and surface adhesion resistance tests of the samples prepared were performed. The results were statistically evaluated. Differences within and between groups were determined with the evaluations.

Color results showed nano-TiO2 addition was more suitable than nano-Al2O3 addition according to color change analysis results. When the varnishes containing different mixtures of these two particles were examined, it was found that whitening was occurred as comparison to the control varnish and the lowest change was determined for the varnish containing 4% TiO2, 1% Al2O3 and 4% TiO2-1% Al2O3. When SEM images were examined, it was found that there was some crushing on the brush surfaces due to the misuse of the brush during varnishing or difficulty in sample preparation. No significant difference was found between the micro hardness values of the samples after variance analysis. Varnishes obtained with the addition of TiO2 were found to show the highest degree (3.derece) of scratching and abrasion. The best results were obtained from nano-Ti filled varnishes. The worst abrasion and scratching were found to the varnish with Al2O3. Nano Ti filled varnishes were found to have better surface strength than the Al filled samples. The best surface strength was found as 3.7 N/mm2 for the varnish with TiO2. The thermal properties of the samples were examined by TGA and DTG tests and no significant difference was found between the control samples. As a result of EDAX screening, Al2O3 and TiO2 particles were detected on the surface. In addition, their distribution in the varnish was determined. Particularly in the varnishes with the addition of 4% T, more agglomeration was observed than the other varnishes. In the UV analysis, nano varnish and control sample showed strong absorbance in the 200 nm - 400 nm band in the UV region. With the addition of nanoparticles, it was observed that the absorbance amount decreased at the 2nd and 3rd peaks. FTIR showed any different peaks or signs of reaction.