Odun plastik kompozit malzemelerin biyolojik performanslarının incelenmesi
Evaluation of biological performance of wood plastic composites
Yazar: SEMA AYSAL
Danışman: PROF. DR. SAİP NAMİ KARTAL
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Orman Biyolojisi ve Odun Koruma Tekn. Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products

Özet:
Odun plastik kompozit (OPK) malzemeye talebin artması ile bu malzemelerin laboratuvar ve alan testlerindeki biyolojik performansı önem kazanmıştır. Masif ahşap ile karşılaştırıldığında, odun plastik kompozit malzeme bileşiminde bulunan odun partiküllerinin matriks içerisinde plastik ile sarılmasının malzemeyi daha dayanıklı hale getirdiği düşünülmekte ve çürüklük oranı masif ahşapta olduğundan daha düşük olmaktadır. 
Mantar için besin kaynağı olan odun,  odun esaslı malzemelerde mantarın gelişiminde ve bunun sonucu olarak da çürüme prosesinde önemli bir rol oynamaktadır. Odun ve odun esaslı malzemelerde rutubetin (suyun) varlığı mantarların sebep olduğu çürüklük için hayati önem taşımaktadır. Çünkü odun çürüten mantarlar odunda çürüklük prosesini başlatabilmek için belirli bir miktarda suya ihtiyaç duymaktadırlar. Bu nedenle OPK malzemenin biyolojik performansı ile rutubet miktarı arasındaki ilişki son yıllarda önemli bir konu haline gelmiştir. Plastiğin odun partiküllerini sarması rutubet alışverişini ve mantar çürüklüğünü engellediği düşünülse dahi, kullanım yerinde OPK'da mantarın sebep olduğu çürüklük ve renklenme mümkün olabilmektedir. Dış mekân koşullarında, OPK'lar su ve biyolojik saldırılara maruz kalırlar. Bunun yanında OPK'nın dış mekân koşullarında kullanılması ultraviyole radyasyonu, iklimsel yaşlanma, oksidasyon, termal, kimyasal ve mekaniksel bozunma, yüzey bozunması ve erozyonu ile sonuçlanmaktadır. OPK'larda rutubet alışverişi odundan daha yavaş olur ancak yeterli seviyedeki su malzemede oluşabilecek mantar kaynaklı çürüklüğü destekler. %19 ya da daha az rutubet seviyelerine sahip odunda mantar gelişimi genellikle görülmemektedir. OPK'larda çürüklük prosesi boyunca düşük ağırlık kayıplarının oluşması kompozitin düşük rutubet alışverişi ile ilgili olmaktadır. OPK'larda rutubet alımı nispeten yavaş olsa da, kompozitin dış kısımlarındaki rutubet seviyeleri mantar gelişimi için uygun olabilmektedir. OPK'lar uzun süre yağmur ve suda bekletildikten sonra en üst ve ince katman dışında nadiren %19 üzerindeki rutubet seviyesine ulaşmaktadır. 
Toprak üstü uygulamalarında kullanılan OPK'lar mantarlar tarafından oluşturulan çürüklüğe karşı uygun olabilmektedir. Bazı çalışmalar esmer çürüklük mantarı Gloeophyllum striatum ve beyaz çürüklük mantarı Pycnoporus sanguineus'in Florida'da OPK yer döşemelerinde 4 yıldan sonra geliştiğini ve Hawaii'de sırasıyla 18 ve 30 aylık işlem süresinin sonunda OPK üzerinde Schizophyllum commune ve Pycnoporus sanguineus mantarlarının üreme organlarının bulunduğunu göstermektedir. 
Günümüzde hem laboratuvar hem de alan testlerinde OPK'ların biyolojik performanslarını değerlendirmek için her hangi bir standart bulunmadığından OPK'ların dayanıklılığı toprak blok (soil-block) ve agar blok (agar-block) testi gibi masif ahşap için geliştirilmiş olan standart testler ile değerlendirilmektedir. Kuzey Amerika'da kullanılan laboratuvar mantar çürüklük testleri Amerikan Odun Koruma Kuruluşu (AWPA)'nun E10 standardı ya da Amerikan Test ve Materyal Derneği (ASTM)'nin D1413 ya da D2017 standart toprak blok testlerine uygun olarak gerçekleştirilirken, agar testleri de OPK'ların biyolojik performansını belirlemek için önerilmektedir. Mikro organizmaların masif ahşaba arız olabilmeleri için genellikle yüksek rutubet seviyelerine (>%30) ihtiyaç duymaktadır. Ancak OPK'ların düşük oranlardaki rutubet absorbsiyonu sebebiyle kullanılmakta olan bu metotların hiçbiri yeterli ağırlık kaybı ile sonuçlanmaz. AWPA, son olarak AWPA E10-12 Standart testinde örneklerin rutubet içeriklerini arttırmak amacıyla odun plastik kompozitinin çürüklük testinden önce oda sıcaklığında 21 gün ya da 70°C su içerisinde 5 gün bekletmeyi önermiştir. Su içerisinde bekletilmeyen OPK örneklerinde düşük rutubet içeriğinden dolayı mantarların sebep olduğu yeterli ağırlık kaybı meydana gelmemektedir.
Bu yüksek lisans tezinin amacı farklı kombinasyonlarda üretilmiş olan bazı OPK'ların biyolojik dayanımı ve bu malzemelerin biyolojik dayanımı üzerinde partikül boyutu, partikül içeriği, ve üretim parametrelerinin etkileri incelenmesidir. Odun plastik kompozitleri iki farklı plastik materyal kullanılarak üretilmiştir: Polietilen (PE) ve Polipropilen (PP). Odun-PP kompozitleri iki farklı partikül içeriğine (%50 ve %70) ve 3 farklı partikül boyutuna (30, 60 ve 100 mesh) sahiptir. Bu kompozitlerin üretiminde uyumlaştırıcı kullanılmamıştır. Odun-PE kompozit örnekleri ise %50 odun, %49 PE ve %1 uyumlaştırıcı (coupling agent) içeren ve %50 odun, %44 PE, %5 çinko borat ve %1 uyumlaştırıcı içeren ticari yer döşemelerinden elde edilmiştir. 
İlk olarak, Japon standardı JIS K 1571 standardı modifiye edilerek gerçekleştirilen testte standartta belirtilen kuvars kumu yerine, inkübasyon süresince örneklerin rutubet absorbsiyonunu yükseltmek ve böylece ağırlık kayıplarını arttırmak için toprak kullanılmış ve besleme levhası olarak da odun yongalarının eklenerek OPK örneklerinin biyolojik performansları değerlendirilmiştir. 
Tezin diğer aşamalarında, test öncesinde odun plastik kompozit örneklerinin su absorbsiyonunu yükseltmek ve böylece örneklerde ağırlık kayıplarını arttırmak için bazı yaşlandırma ve rutubetlendirme işlemleri yapılmıştır. Bunlar arasında OPK örneklerinin su içerisinde bekletildiği (50 gün), hızlandırılmış yaşlandırma işlemine maruz bırakıldığı (70°C sıcak su içerisinde 5 gün bekletme), 6 aşamalı yaşlandırma işlemine (kaynatma, buharlama, dondurma, kurutma, buharlama ve kurutma) maruz bırakıldığı ve ardından oda koşullarında su içerisinde 4 ay bekletildiği çeşitli yaşlandırma ve rutubeti arttırma metotları bulunmaktadır. Yapılan yaşlandırma ve rutubetlendirme işlemlerinin ardından çeşitli biyolojik dayanım testleri gerçekleştirilmiş (toprak blok ve petri kabı agar metodu ile) ve ağırlık kayıpları belirlenmiştir. Böylece rutubet ve yaşlandırma işlemlerinin odunda mantar sebebiyle gerçekleşen ağırlık kaybı oranlarını nasıl etkilediği gözlemlenmiştir. Test mantarı olarak Tyromyces (Fomitopsis) palustris, Schizophlyllum commune, Pycnoporus coccineus, Coriolus versicolor ve Gloeophyllum trabeum türleri kullanılmıştır. 
PP içeren odun plastik kompozitler için, yüksek partikül içeriği ve küçük partikül boyutuna sahip kompozit örneklerinin modifiye edilerek yararlanılan JIS-K1571 metodunun kullanıldığı çürüklük dayanım testinde çoğu kez ağırlık kayıplarının arttığı görülmüştür. Beklendiği üzere, yüksek partikül içeriğine sahip örneklerde düşük partikül içeriğine sahip örneklerdekinden daha fazla su absorbsiyonu görülmüştür. Diğer taraftan partikül boyutu örneklerdeki rutubet içeriği üzerinde belirgin olmayan bir etki göstermiştir. 
Su içerisinde bekletilerek kondisyonlanan odun-PP kompozitleri AWPA E10-12 standart test metoduna uygun olarak toprak blok (soil-block) testi kullanılarak esmer ve beyaz çürüklük mantarları ile inkübe edilmiştir. Ön kondisyonlamadan sonra, örneklerin rutubet içerikleri %17 ile %27 arasında değişmiştir. P. coccineus mantarı ile karşılaştırıldığında T. palustris mantarının daha fazla ağırlık kaybı yaptığı görülmüştür. 
AWPA tarafından modifiye edilen AWPA E10-12 standardına göre, test öncesinde örnekler 70°C sıcak su içerisinde 5 gün bekletilmiştir. Böylece suda bekletilen ve ardından mantar etkisine bırakılan örneklerin rutubet içerikleri yaklaşık olarak %900 oranında,  mantarın sebep olduğu ağırlık kayıpları ise %80 oranında artmıştır. 
Petri kabı agar testinden önce yaşlandırma metodu olarak kullanılan ASTM D1037-06 test standardındaki 6 aşamalı yaşlandırma işlemi uygulanan örneklerde ağırlık kayıpları ve rutubet içerikleri haftalık aralıklarla değerlendirilmiştir. Sonuçlar çinko borat içermeyen örneklerde,  S. commune ve T. palustris mantarlarının her ikisinin de sebep olduğu ağırlık kayıpları pek çok durumda haftalık aralıklarda istatistik olarak belirli bir farklılık göstermemektedir. Ancak bu örneklerdeki rutubet içerikleri haftalık ölçümler arasında istatistiksel olarak belirgin farklılıklar göstermektedir. Çinko borat içeren ve içermeyen örnekler arasında hem ağırlık kaybı hem de rutubet içeriği bakımından haftalık ölçümler arasında istatistiksel olarak önemli farklılıklar görülmüştür.
Genel olarak her iki tip kompozit (PP ve PE) için, yüksek partikül içeriğine ve küçük boyutlu partiküllere sahip örnekler çürüklük dayanım testinde ağırlık kayıplarının arttırması ile sonuçlanmıştır. Diğer yandan, çinko borat içeren kompozit örnekleri 4 haftalık kısa bir zamanda tamamen mantar tarafından kolonize edilmiş ve çürüme sonucu meydana gelen ağrılık kaybı üzerinde çinko boratın belirgin bir etkisinin olmadığı görülmüştür. 
Ön kondisyonlama ve yaşlandırma prosesleri rutubet alımını arttırmış ve örneklerin mantar gelişimi için gerekli olan rutubet seviyelerine ulaştığı görülmüştür. Böylece, ön kondisyonlama ve yaşlandırma işlemlerinin çürüklük prosesi ve buna bağlı ağırlık kaybı üzerinde önemli bir etkisi olduğu belirlenmiştir. 
Çalışmada laboratuvar ortamında gerçekleştirilen metotlar ile belli miktarlarda rutubet ve ağırlık kaybı artışları elde edilmiştir. Ancak gelecek çalışmalarda daha fazla rutubet ve ağırlık kaybı artışı elde edilmesi için daha şiddetli iklimsel yaşlanma (weathering) ve yaşlandırma metotlarının uygulanması gerekebilir. Uygulanan yaşlandırma metotları, dış hava koşullarının malzemede oluşturduğu etkinin aynısını oluşturabilmesi açışından değerlendirilmeli ve bu yönde geliştirilmelidir. Bunun yanında daha küçük ve ince OPK örneklerinin kullanımı da mantarların sebep olduğu ağırlık kayıplarının artışı ile sonuçlanabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Biological performance of wood plastic composites (WPCs) in field and laboratory tests has become a major interest since the demand for WPCs has increased. When  WPCs are compared with sokid wood, they generally considered to be more resistant to biodegradation than wood due to encapsulation of wood by the plastic in the matrix and decay rates in general are much slower than those in solid wood. 
Water and wood as a food source play an important role in colonization and eventually decomposition of wood and wood based materials by fungi. The presence of moisture (water) is crucial for decay by fungi in a wood and wood based materials.Since wood decaying fungi need a specific amount of water in the wood to start a decay process. Therefore relationship between biological performance of WPCs and their moisture content has become an important issue in recent years. Even though the encapsulation of wood by plastic would prevent moisture sorption and fungal decay, decay and discoloration of WPC by fungi is also possible in service. In outdoor conditions, WPCs may expose to biological attack and water but also ultraviolet (UV) radiation, weathering, oxidation, thermal, chemical, and mechanical degradations are resulted in surface degradation and erosion in WPCs. Although WPCs have slower moisture sorption than wood, water supports fungal decay of the material. Lower weight losses occurred in WPCs during fungal decay process is related with the lower moisture sorption of the composite. Although moisture uptake in WPC is relatively slow, moisture levels in the outer parts of WPCs may have adequate water content for fungal attack. Wood material having moisture content of 19% or lower does not generally support the growth of mold fungi. WPCs have rarely moisture above 19%, except in the very top and thin layer after rain or immersion in water for long time. 

Besides laboratory performance tests, WPCs in aboveground applications could also be susceptible to decay by fungi. Some studies showed the brown rot fungus Gloeophyllum striatum and the white rot fungus Pycnoporus sanguineus growing on WPC deck boards after 4 years in Florida and the presence of Schizophyllum commune and Pycnoporus sanguineus fruiting bodies on the surface of WPCs exposed for 18 and 30 months, respectively, in Hawaii. 
Since there are presently no standards for assessing the biological performance of WPCs in either laboratory tests or in field exposure, durability of WPCs has been long tested by standard tests such as soil block tests or agar tests developed for solid wood. At present, laboratory fungal decay tests in North America are in general based on the American Wood Preservers' Association (AWPA) Standard E10 or the American Society for Testing and Materials (ASTM) Standard D1413 or D 2017 soil block tests, although agar plate tests are suggested for biological performance of WPCs. Since high moisture levels (>30%) are in general needed by microorganisms to attack solid wood, neither of those methods produces sufficient weight losses on WPCs due to the slow rate of water absorption by WPCs. AWPA, however, has recently suggested water immersion at either room temperature or 70ºC before decay testing of WPCs in the standard test AWPA E10-12 to increase the moisture content of the specimens. High moisture levels are generally needed by microorganisms to attack WPCs; however, test methods without water immersion of WPC specimens do not produce enough mass loss on specimens due to slow rate of water absorption.
This master thesis examined the decay resistance of wood plastic composites manufactured in various combinations and the effects of particle size, particle content, and manufacturing parameters on biological performance of wood plastic composites. WPCs were manufactured by using two different plastic materials: Polyethylene (PE) and Polyprophylene (PP). Wood-PP composites had two different levels of particle content (50 and 70%) and three different particle sizes (30, 60, and 100 mesh).  Wood-PE composites were commercial deck boards which had 50% wood partical content, 44% PE, 5% zinc borate and 1% coupling agent. 
As a first step, the Japanese standard test method JIS K 1571 was modified to evaluate biological performance of the WPCs manufactured using soil substrate instead of quartz sand and adding wood chips as feeder in order to increase water absorption of the specimens during incubation and thus, increase mass losses in the specimens. 
In the further steps of the thesis, some other decay performance tests were also followed to increase water absorption of WPC specimens before and during the tests, and thus, to increase weight losses in the specimens. Among them are Petri dishes methods by using WPC specimens immersed in water, soil-block test method by immersing WPC specimens in water based on the AWPA E10-12 standard test method, biological performance tests with WPC specimens exposed to accelerated aging (immersion in hot water at 70°C for 5 days), and determination of fungal resistance of WPC specimens exposed to a 6-cycle-aging process (boiling, steaming, freezing, drying, steaming and drying). Tyromyces (Fomitopsis) palustris, Schizophlyllum commune, Pycnoporus coccineus, Coriolus versicolor ve Gloeophyllum trabeum species were used as the test fungi. 
For the PP-containing WPCs, the composite specimens produced with higher particle content and smaller particle size experienced increased mass losses in decay resistance tests in most cases in the modified JIS-K 1571 method. As expected, the specimens with higher particle content showed higher water absorption than those with lower particle content. Particle size, on the other hand, had an insignificant effect on moisture content in the specimens.
Pre-conditioned by immersed in water wood-PP composite specimens were incubated by brown-rot and white-rot fungi in soil-block test method according to the AWPA E10-12 standard test method.  After the pre-conditioning, the moisture contents of the specimens changed between 17-27%. Higher weight losses were obtained when T. palustris was employed in comparison with P. coccineus. 
According to modified AWPA E10-12 test standard by AWPA, before test the specimens soaked in 70°C hot water for 5 days. Thus, the moisture content of test specimens enhanced approximately %900. Weight losses were increased %80 by pre-conditioning.
The aging cycles in the test standard of ASTM D1037-06 used as an aging process before petri dishes agar test and weight losses and moisture content in the specimens were evaluated at weekly intervals. Results show that weight losses in the specimens without zinc-borate by both S. commune and T. palustris fungi did not show statistically significance among weekly intervals in most cases. However moisture contents in those specimens were statistically significant among the test intervals. In specimens wit zinc borate both weight losses an moisture content in the test specimens showed statistically significant differences among weekly intervals in most cases. 
In general for both types of composites (PP and PE), the specimens containing higher particle content and smaller particle size mostly resulted in increased mass losses in decay resistance tests. On the other hand, the composite specimens along with Zn borate treated specimens were completely colonized by the fungi in a short period of 4 weeks and there were no a significant effect on the mass loss.  
Pre-conditioning and aging process increased the moisture uptake and it has been seen that the moisture levels were the levels that are required by decay fungi. Thus, it was stated that the pre-conditioning and aging process had a significant effect on the decay process and weight loss.
Severer weathering or aging methods rather than the methods employed in the study might be needed to increase moisture content in WPC specimens before and during laboratory decay resistance tests as well as to increase weight losses in the specimens. In addition, durations of pre-conditioning procedures can be extended until enough water content is achieved in WPC specimens before biological performance test. In addition, smaller and thinner WPCs might be resulted in increased weight losses by fungi.