Cam Elyaf Takviyeli Polyester (CTP) Atıklarının Geri Kazanımı

05.02.2018

Özet

CTP esaslı kompozit üretiminde temel olarak, kenar kesimi, şekillendirme, montaj deliği açılması gibi aşamalarda çeşitli boyutlarda son ürün atıkları ortaya çıkmaktadır. Türkiye’de yılda yaklaşık 2500 ton, dünyada ise 166000 ton civarında CTP atık çıkmaktadır. Söz konusu atıklar genellikle boyutu küçültüldükten sonra yakılarak, ardından özel sahalara gömülerek ya da yaygın olmamakla birlikte çimento ve inşaat gibi sektörlerde dolgu maddesi olarak kullanılmak amacıyla, ek bir maliyet karşılığında bertaraf edilmektedir. Bu çalışmada, atığın öğütülerek yeni üretilen CTP esaslı ürün içinde kullanıldığı durumda, tane boyutu ve atık miktarı gibi parametreler, malzeme özellikleri üzerindeki etkileri açısından sistematik olarak incelenmiştir.

1. Giriş

Polimerik kompozitler; termoset veya termoplastik yapıda, tek ya da çok yönde takviye özelliği sağlayacak şekilde, cam elyafı ve/veya diğer takviye malzemelerinden yeterli miktarda (uzunluk ve ağırlıkça) katılmış polimerik matrislerdir. Cam elyaf takviyeli plastik (CTP), cam elyaf ile takviye edilmiş doymamış polyester reçineden üretilen, yüksek dayanımlı bir kompozit malzemedir. Havacılık/uzay/savunma ve spor/eğlence alanlarındaki uygulamalar, CTP’lerin en yüksek katma değerisağlayan uygulamalar olarak gösterilebilir [1]. CTP esaslı kompozit üretiminde kenar kesimi, şekillendirme gibi aşamalarda çeşitli boyutlarda son ürün atıkları ortaya çıkmaktadır. Polin Su Parkları A.Ş. bünyesinde yılda yaklaşık 200, Türkiye’de 2500, dünyada ise 166.000 ton atık çıkmaktadır. Söz konusu atıklar genellikle boyutu küçültüldükten sonra yakılarak ardından özel sahalara gömülerek bertaraf edilmekte ya da yaygın olmamakla birlikte çimento ve inşaat gibi sektörlerde dolgu maddesi olarak kullanılmak amacıyla, ek bir maliyet karşılığında bertaraf edilmektedir. Hem ulusal, hem de uluslararası alanda atığın bertarafı ve değerlendirilmesi için uygulanan prosedürler mevcut durumda benzerlik göstermektedir. Yakılarak bertaraf esnasında mikronize karbon partikülleri, polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH), karbon monoksit gibi kanserojen olabilen atıklar ve küresel ısınmaya yol açan CO2 gazı açığa çıkmaktadır. Gömme işlemi ise toprağın kirlenmesine sebep olmaktadır [2]. Literatürde CTP esaslı atıkların yeniden kullanımına yönelik çalışmalar temel olarak ikiye ayrılmaktadır. Bunlar; atığın öğütülerek doğrudan kullanımına yönelik çalışmalar ve atığın içerdiği elyafı geri kazanmak üzere yapılan çalışmalardır. Correria ve Almeida’nın çalışmalarında, ince öğütülmüş (<100 μm) atık CTP tozunun doğrudan hacimce %0, 5, 10, 15, 20 oranlarında beton karışımında kum yerine kullanımını denemiştir. %5’e kadar olan kullanımında CTP tozunun betonun elastikiyetini iyileştirdiği, böylece çatlama eğilimini azalttığı görülmüştür [3]. Cunliffe ve Williams’ın yaptıkları çalışmada CTP’ye 450°C’de sabit yataklı reaktörde piroliz uygulanmıştır. DMC’lerde (dough moulding compound) katı atıktan kurtarılan cam elyafın %20 oranına kadar yeni cam elyaf yerine kullanılabileceğini göstermiştir [4]. Iwaya ve arkadaşları CTP içindeki polyester reçineyi etkin bir şekilde depolimerize edebilecek ve elyafı dolgu ve reçineden ayırabilecek superkritik solvent ile çalışılmışlardır. Polyesterin dönüşümü, katalizör varlığında katalizör/solvent molar oranı arttıkça hızlanmıştır [5]. Kao ve arkadaşlarının yaptıkları çalışmada solvoliz (hidroliz) teknolojisi ile geri kazanılan cam elyafların mekanik performansa etkisi incelenmiştir. Polyester reçineyi çözmek ve cam elyafı geri kazanmak için yapılan kimyasal reaksiyonda altkritik (subcritical) su kullanılmıştır [6]. Kennerley ve arkadaşlarının yaptıkları çalışmada cam elyaf, 450°C’de akışkan yataklı reaktör kullanılarak SMC atığından ayrılmıştır. %50 oranında kullanıma kadar ise fiziksel ve mekanik özelliklerde önemli bir değişim gözlenmemiştir [7]. CTP’nin tamamen ya da kısmen geri kazanıldığı çok sayıda çalışma olmakla birlikte, çalışmaların çok büyük bir kısmı ana hatlarıyla, yukarıda özetlenen çerçevede gerçekleştirilmiştir. Literatürde hem elyaf hem de reçinenin birlikte yeni karışımlarda değerlendirildiği sistematik bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu çalışmada, atığın öğütülerek yeni üretilen CTP esaslı ürün içinde kullanıldığı durumda, tane boyutu ve atık miktarı gibi parametreler, malzeme özellikleri üzerindeki etkileri açısından sistematik olarak incelenmiştir. Malzeme değeri oldukça yüksek olan bu atıkların, yeni üretilen CTP ürün içinde, uygun tane büyüklüğünde ve/ veya uyumluluğunun geliştirilmesi yoluyla matris-atık etkileşimi arttırılıp kullanımının, atıkların katma değerinin arttırılabilmesi ve olumsuz çevresel etkilerinin giderilmesi anlamında önemli bir katkı olabileceği düşünülmektedir.

2. Yöntem

Atık malzeme, üretim hurdalarının doğrudan öğütülmesi ile hazırlanmıştır. 300 μm, 1 mm ve 3 mm boyutlarındaki öğütülmüş atık, taze polyester reçine içerisine %5, 10, 15 ve 20 oranlarında eklenmiştir. Kompozit örnekler, keçe elyafın atık içeren reçine ile işlenmesiyle, el yatırması yöntemiyle hazırlanmıştır. Öğütülmüş atık içeren numunelerin karakterizasyonu için çekme, üç nokta eğme, darbe, kısa kiriş dayanımı ve kül fırınında yakma testleri yapılmıştır. Bununla birlikte, atık ilavesinin reçine kür profiline etkisini incelemek için jel ve kür süreleri ile pik kür sıcaklığı ölçümü yapılmıştır. Hazırlanan kompozit örneklerinin bileşimleri ve kodları Tablo 2.1’de verilmiştir.

Tablo 2.1.Hazırlanan kompozit örneklerinin bileşimleri ve kodları

3. Bulgular ve Tartışma 3.1. Mekanik Özellikler

Hazırlanan kompozit örneklerinin mekanik özellikleri Tablo 3.1.’de verilmiştir.

Artan atık miktarı ile, malzeme mekanik dayanımında beklendiği şekilde kısmi düşüşler gözlenmiştir. Bu durum, CTP atığının sadece fiziksel olarak geri kazanımı sonucunda, taze polyester reçine ile kimyasal olarak ilgisi bulunmadığından dolayı atık-matris arayüzeyinin zayıf olması ile açıklanabilir. %20 oranında 3 mm atık kullanımında çekme ve eğme dayanımlarında ortalama %50, darbe dayanımında ise ortalama %45’lik bir düşüş gözlenmiştir. Bununla birlikte, kullanılan atık boyutunun artışıyla genel olarak mekanik özelliklerde kayıp meydana gelmiştir. Mekanik dayanımlardaki düşüş tane boyutunun küçültülmesi ile azaltılabilmektedir. Atık ilavesinin bir başka önemli etkisi de matris viskozitesinin artması sonucu aynı orandaki elyafın ıslantılabilmesinde daha yüksek miktarda reçine gereksinimidir. Hazırlanan kompozit örneklere 650oC’de kül fırın testi yapılarak içeriklerindeki elyaf miktarları belirlenmiştir. Atık kullanılmadığı durumda kompozit içerisindeki elyaf içeriği %45,3 iken bu değer atık kullanımının ve tane boyutunun artışı ile birlikte azalmaktadır. Kompozit malzeme içerisine 3 mm tane boyutunda %20 oranında atık girildiğinde elyaf miktarı %24,3 olarak ölçülmüştür. Bu durum, CTP atığının ortalama %25 oranında elyaf içermesine ve reçine içerisindeki atık oranı artışı ile viskozitenin artması sonucu elyafların ıslanması için daha fazla reçineye ihtiyaç duyulması ile açıklanabilir. Atık kullanımı ile birlikte kompozit içerisindeki elyaf oranları azaldığı için sabit bir elyaf oranında taze atık ve polimerik matris oranının mekanik özellikler üzerindeki etkisini değerlendirebilmek için test sonuçları sabit elyaf oranına göre normalize edilmiş, çekme, eğme ve darbe dayanımları tekrar değerlendirilmiştir (Şekil 3.1, Şekil 3.2, Şekil 3.3). Normalize edilen grafikler incelendiğinde, gerçekte sadece atıktan faydalanılması sonucu malzeme özelliklerindeki kayıpların, Tablo 2’de raporlanan değişimlere kıyasla daha makul seviyelerde olduğu anlaşılmaktadır. Bu etki, icelenen örneklerin darbe dayanımı üzerinde de benzer olmakla birlikte, atığın tane boyutunun artmasıyla birlikte darbe dayanımındaki kayıp oranının düşmesi dikkat çekici bir bulgudur. Darbe sırasındaki kırılma mekanizmasının aydınlatılması için kırılma yüzeylerinin morfolojik incelemeleri devam etmektedir.

3.2. Fiziksel Özellikler

Atık kullanımının reçinenin kür profiline ve fiziksel özelliklerine etkisini incelemek amacı ile referans ve atık içeren reçinelerin jel süresi, pik kür sıcaklığı, pik kür süresi, vizkozitesi, lineer büzülmeleri ve sertlikleri ölçülmüştür. Test sonuçlarına göre atık ilavesi ile jel ve kür süresinin azaldığı görülmüştür. Bu durum, atık içerisinde de çapraz bağlayıcı bulunmasına bağlanabilir. Pik kür sıcaklığının azalması ise, atık oranı artışı ile yığın polyester miktarının azalmasından kaynaklanmaktadır. Atık kullanımının artışı ile viskozite ve sertlik değerleri artmıştır. Post-kür uygulanmadan önceki ve sonraki lineer büzülme değerleri incelendiğinde ise atık ilavesinin karma içerisinde dolgu gibi davranarak polyesterin lineer çekme değerini azalttığı görülmüştür. Kompozit örneklerin hazırlanmasında kullanılan atık içeren ve içermeyen reçinelerin fiziksel özellikleri Tablo 3.3’te verilmiştir.

4. Sonuçlar

Bu çalışmada, atığın öğütülerek yeni üretilen CTP esaslı ürün içinde kullanıldığı durumda, tane boyutu ve atık miktarı gibi parametreler, malzeme özellikleri üzerindeki etkileri açısından sistematik olarak incelenmiştir. Kompozit örneklerde kullanılan atığın hem oranının hem de tane boyutunun artışı ile mekanik dayanımda azalma gözlenmiştir. CTP atığı sadece fiziksel işlemden geçerek toz haline getirildiği için kimyasal bağlanmaya katılmayarak karma içerisindeki çağrazbağ derişimini düşürmektedir. Bu da mekanik dayanımda düşüşe sebep olmaktadır. CTP atığının ortalama %25 oranında elyaf içermesine ve reçine içerisindeki atık oranı artışı ile viskozitenin artması ile birlikte elyafların ıslanması için daha fazla reçineye ihtiyaç duyulması, atık kullanımının ve tane boyutunun artışı ile birlikte elyaf miktarında azalmaya yol açmaktadır. Bu sebeple mekanik değerler elyaf oranı sabit tutularak normalize edilmiş ve elyaf içeriği atık kullanılmadığı durum ile aynı olduğunda çekme ve eğme dayanımlarında referans kompozit değerlerine yakın değerler elde edilmiştir. Çalışmanın devamında yapay sinir ağları ile modelleme yapılarak tolere edilebilir fiziksel ve mekanik özelliklere sahip, en yüksek atık içerecek CTP bileşimi belirlenecektir. Atık içeren ürünlere ait geniş bir kullanım alanı aralığı hazırlanacak, alternatif ürün spektleri tanımlanacaktır.