1. Giriş
Günümüzde kompozit malzeme teknolojileri, yalnızca mekanik performansın artırılmasına değil; aynı zamanda çevresel sürdürülebilirlik, doğal kaynakların etkin kullanımı ve geri dönüştürülebilirlik gibi kriterlere odaklanmaktadır [1]. Bu bağlamda, fosil bazlı polimerlerin doğal ve inorganik dolgu maddeleri ile modifiye edilmesi, hem çevresel ayak izinin azaltılması hem de fonksiyonel özelliklerin iyileştirilmesi açısından önemli bir araştırma alanı oluşturmaktadır [2].
Polistiren (PS), düşük yoğunluğu, iyi akışkanlığı, boyutsal kararlılığı ve enjeksiyon kalıplama ile ekstrüzyon gibi endüstriyel üretim yöntemlerine uygunluğu nedeniyle yaygın olarak kullanılan bir termoplastiktir [3]. Özellikle genel amaçlı polistiren (GPPS), rijit yapısı ve yüzey kalitesi sayesinde dekoratif ve yapısal uygulamalarda tercih edilmektedir. Bununla birlikte, PS’nin darbe dayanımının nispeten düşük olması ve doğal estetik sunmaması, ahşap benzeri uygulamalarda kullanımını sınırlamaktadır [4].
Ahşap tozu, yenilenebilir, biyobozunur ve düşük maliyetli bir dolgu malzemesi olarak polimer kompozitlerde yaygın biçimde kullanılmaktadır. Polimer matrise doğal bir görünüm ve doku kazandırmasının yanı sıra sürdürülebilirlik açısından önemli avantajlar sunmaktadır [5]. Ancak ahşap tozunun hidrofilik yapısı, su emme, boyutsal kararsızlık ve mekanik özelliklerde düşüş gibi olumsuz etkiler yaratabilmektedir. Bu nedenle ahşap esaslı polimer kompozitlerde, nem direncini artıran ve ara yüzey uyumunu iyileştiren ilave modifikasyonlara ihtiyaç duyulmaktadır [6].
Kalsit (CaCO₃), polimer kompozitlerde yaygın olarak kullanılan inorganik bir dolgu maddesidir. Geleneksel olarak maliyet düşürücü bir katkı olarak değerlendirilmesine rağmen, uygun parçacık boyutu ve yüzey modifikasyonu ile kullanıldığında mekanik dayanım, rijitlik ve termal kararlılık üzerinde önemli iyileştirmeler sağlayabilmektedir [7]. Özellikle stearik asit gibi hidrofobik ajanlarla yüzeyi modifiye edilmiş kalsit, polimer matris ile dolgu arasındaki ara yüzey bağını güçlendirmekte ve kompozitin suya karşı direncini artırmaktadır [8].
Bu çalışmanın amacı; GPPS matrisi, doğal ahşap tozu ve su itici özellik kazandırılmış modifiye kalsit içeren, ahşap görünümlü, hafif, yüksek mekanik performanslı ve nem direnci yüksek yeni nesil bir kompozit malzeme geliştirmektir. Ayrıca, özgün bir yüzey tekstürasyon ve vernikleme yöntemi ile kompozite gerçekçi bir ahşap dokusu kazandırılması hedeflenmiştir.
2. Materyal ve Metot
2.1. Malzemeler
Kompozitin ana matrisi olarak genel amaçlı polistiren (GPPS) kullanılmıştır. Doğal dolgu maddesi olarak 80–120 mesh tane boyutuna sahip, kurutulmuş ve öğütülmüş meşe ağacı tozu tercih edilmiştir. İnorganik dolgu ve fonksiyonel modifikatör olarak, ortalama parçacık boyutu yaklaşık 5 µm olan ve stearik asit esaslı bir ajan ile yüzeyi modifiye edilmiş kalsit (CaCO₃) kullanılmıştır. Yüzey kaplama işlemlerinde şeffaf poliüretan bazlı vernik uygulanmıştır.
2.2. Formülasyon ve Karıştırma
Kompozitlerin mekanik ve fiziksel özellikleri üzerindeki etkileri incelemek amacıyla dört farklı formülasyon hazırlanmıştır. Bileşenler, yüksek devirli mekanik karıştırıcıda homojen bir dağılım sağlanacak şekilde ön karıştırmaya tabi tutulmuştur.
2.3. Ekstrüzyon ve Enjeksiyon Kalıplama
Hazırlanan karışımlar, çift vidalı bir ekstrüder kullanılarak eriyik fazda homojenleştirilmiş ve granül haline getirilmiştir. Çift vidalı ekstrüder, yüksek kesme kuvveti sayesinde dolgu maddelerinin polimer matriste homojen dağılımını sağlamaktadır. Elde edilen granüller, enjeksiyon kalıplama makinesi kullanılarak ASTM standartlarına uygun test numuneleri ve panel formlarına dönüştürülmüştür.
2.4. Yüzey Tekstürasyonu ve Kaplama
Kalıptan çıkan düz yüzeyli paneller, kontrollü bir ısı kaynağı (pürmüz) kullanılarak lokal yüzey eritme işlemine tabi tutulmuştur. Bu işlem, ahşabın doğal damar ve gözenek yapısını taklit eden bir yüzey morfolojisi oluşturmuştur. Tekstürasyon sonrası yüzeyler zımparalanmış ve şeffaf poliüretan vernik uygulanmıştır.
2.5. Karakterizasyon
Yoğunluk ölçümleri, çekme (ASTM D638), eğilme (ASTM D790), darbe (ASTM D256), su emme (ASTM D570) ve yüzey kaplama yapışma testleri (ASTM D3359) gerçekleştirilmiştir.
3. Bulgular ve Tartışma
3.1. Yoğunluk ve Mekanik Özellikler
Saf polistiren (F1) numunesi 1.04 g/cm³ yoğunluk sergilerken, ahşap tozu ve kalsit ilavesi ile yoğunluk değerlerinde artış gözlemlenmiştir. %30 ahşap tozu içeren F2 formülasyonu 1.18 g/cm³ yoğunluğa ulaşmıştır. Modifiye kalsit içeren F3 ve F4 formülasyonlarında yoğunluk sırasıyla 1.22 ve 1.26 g/cm³ olarak ölçülmüştür [9].
Çekme ve eğilme testleri sonuçları, ahşap tozu ilavesinin saf PS’ye kıyasla mekanik dayanımı düşürdüğünü, ancak modifiye kalsit ilavesinin bu kaybı kısmen telafi ettiğini göstermiştir [10]. F2 numunesinde eğilme dayanımı 42.0 MPa iken, %10 modifiye kalsit içeren F3 numunesinde bu değer 46.5 MPa’ya yükselmiştir. Bu durum, modifiye kalsitin polimer matris içerisinde daha iyi dağılarak yük transferini iyileştirdiğini göstermektedir [11].
3.2. Darbe Dayanımı
Darbe dayanımı açısından en yüksek değer saf PS numunesinde (15.0 kJ/m²) elde edilmiştir. Ahşap tozu ilavesi ile bu değer F2 formülasyonunda 8.5 kJ/m²’ye düşmüştür. Ancak F3 formülasyonunda darbe dayanımı 9.8 kJ/m²’ye yükselmiştir. Bu artış, ince taneli ve yüzeyi modifiye edilmiş kalsitin çatlak ilerlemesini sınırlayan bir mekanizma oluşturduğunu göstermektedir [12]. F4 formülasyonunda yüksek kalsit oranı, malzemenin daha rijit hale gelmesine neden olmuş ve darbe dayanımı 8.0 kJ/m²’ye düşmüştür.
3.3. Su Emme ve Boyutsal Kararlılık
Su emme testleri, modifiye kalsitin kompozitin nem direnci üzerindeki kritik rolünü açıkça ortaya koymuştur. 24 saatlik su daldırma testi sonunda F2 numunesi %8.5 su emme gösterirken, F3 ve F4 numunelerinde bu değerler sırasıyla %3.1 ve %2.4 olarak ölçülmüştür. Bu belirgin düşüş, hidrofobik kalsit parçacıklarının ahşap tozunun hidrofilik doğasını bloke ederek kompozit içerisinde bariyer etkisi oluşturduğunu göstermektedir [13].
3.4. Yüzey Kaplama Performansı
ASTM D3359 standardına göre yapılan kesme (grid) testinde, tekstüre edilmiş ve verniklenmiş yüzeylerde 5B yapışma derecesi elde edilmiştir. Bu sonuç, geliştirilen yüzey tekstürasyon ve kaplama yönteminin kompozit yüzeyle mükemmel bir bağ oluşturduğunu göstermektedir [14].
4. Sonuç
Bu çalışmada, doğal ahşap tozu ve su itici özellik kazandırılmış modifiye kalsit kullanılarak, geleneksel ahşabın dezavantajlarını ortadan kaldıran, hafif, yüksek performanslı ve estetik açıdan üstün bir polistiren esaslı kompozit başarıyla geliştirilmiştir. Özellikle %25 ahşap tozu ve %10 modifiye kalsit içeren F3 formülasyonu, mekanik dayanım, darbe direnci, düşük su emme ve maliyet dengesi açısından optimum bileşim olarak öne çıkmıştır. Geliştirilen kompozit; iç ve dış mekân mobilyaları, dekoratif kaplamalar, otomotiv iç trim parçaları ve sürdürülebilir yapı uygulamaları için yüksek potansiyel sunmaktadır.
Kaynaklar
[1] Krauklis, A. E., Karl, C. W., Gagani, A. I., & Jørgensen, J. K. (2021). Composite material recycling technology—state-of-the-art and sustainable development for the 2020s. Journal of Composites Science, 5(1), 28.
[2] Luzi, F., Torre, L., Kenny, J. M., & Puglia, D. (2019). Bio-and fossil-based polymeric blends and nanocomposites for packaging: Structure–property relationship. Materials, 12(3), 471.
[3] Ghoshal, T., Parmar, P. R., Bhuyan, T., & Bandyopadhyay, D. (2023). Polystyrene foams: Materials, technology, and applications. In Polymeric Foams: Fundamentals and Types of Foams (Volume 1) (pp. 121-141). American Chemical Society.
[4] Chanhoun, M., Padonou, S., Adjovi, E. C., Olodo, E., & Doko, V. (2018). Study of the implementation of waste wood, plastics and polystyrenes for various applications in the building industry. Construction and Building Materials, 167, 936-941.
[5] Cabrera, F. C. (2021). Eco-friendly polymer composites: A review of suitable methods for waste management. Polymer Composites, 42(6), 2653-2677.
[6] Ramesh, M., Rajeshkumar, L., Sasikala, G., Balaji, D., Saravanakumar, A., Bhuvaneswari, V., & Bhoopathi, R. (2022). A critical review on wood-based polymer composites: Processing, properties, and prospects. Polymers, 14(3), 589.
[7] Matahwa, H. (2008). Chemical modification of polysaccharides with hydrophilic polymers for CaCO3 crystal growth modification and filler retention, for paper applications (Doctoral dissertation, Stellenbosch: Stellenbosch University).
[8] Cao, Z., Daly, M., Clémence, L., Geever, L. M., Major, I., Higginbotham, C. L., & Devine, D. M. (2016). Chemical surface modification of calcium carbonate particles with stearic acid using different treating methods. Applied Surface Science, 378, 320-329.
[9] Martikka, O. (2013). Impact of mineral fillers on the properties of extruded wood-polypropylene composites.
[10] Wang, L., Iris, K. M., Tsang, D. C., Yu, K., Li, S., Poon, C. S., & Dai, J. G. (2018). Upcycling wood waste into fibre-reinforced magnesium phosphate cement particleboards. Construction and Building Materials, 159, 54-63.
[11] Rong, M. Z., Zhang, M. Q., & Ruan, W. H. (2006). Surface modification of nanoscale fillers for improving properties of polymer nanocomposites: a review. Materials science and technology, 22(7), 787-796.
[12] Røyne, A., & Jamtveit, B. (2015). Pore-scale controls on reaction-driven fracturing. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 80(1), 25-44.
[13] Hutton-Prager, B., Khan, M. M., Gentry, C., Knight, C. B., & Al-Abri, A. K. A. (2019). Thermal barrier enhancement of calcium carbonate coatings with nanoparticle additives, and their effect on hydrophobicity. Cellulose, 26(8), 4865-4880.
[14] Caraguay, S. J., Pereira, T. S., Cunha, A., Pereira, M., & Xavier, F. A. (2023). The effect of laser surface textures on the adhesion strength and corrosion protection of organic coatings-Experimental assessment using the pull-off test and the shaft load blister test. Progress in Organic Coatings, 180, 107558.
