İnovatif, Çevreci ve Yüksek Performanslı Hibrit Biyokompozit Malzemelerin Geliştirilmesi

25.03.2019

1. Giriş ve Genel Bilgiler

Dünyadaki orman varlığının her geçen gün azalması ve çevre bilincinin artması, bunun yanında ahşap ve ahşap kökenli malzemelere olan ihtiyacın artmasından ötürü, mevcut orman kaynaklarının verimli bir şekilde kullanılması gerekmektedir. Bu yüzden odun hammaddesi işleyen endüstrilerin atıklarının da kullanılabileceği yeni ürünleri arayışına girilmiş, masif ahşabın yerine kullanılabilecek ahşap kökenli kompozit levha ürünleri geliştirilmektedir. Dolayısıyla hem ekonomik hem daha yüksek mukavemetli ve hem de çok hafif malzemelerin oluşturulması için yapılan çalışmalar yoğunlaştırılmıştır. Böylece malzemeyi teşkil eden bileşenlerin, özellikleri farklı olan kombinasyonlarının verdikleri, kompozit malzemeler, büyük bir önem kazanmıştır. İki veya daha fazla sayıdaki aynı veya farklı gruptaki malzemelerin, en iyi özelliklerini bir araya toplamak ya da ortaya yeni bir özellik çıkarmak amacıyla, bu malzemelerin makro seviyede birleştirilmesiyle oluşan malzemelere “Kompozit Malzeme” denir. Başka bir deyişle birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacı ile bir araya getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzemeler olarak da adlandırılabilir (Candan, 2014; Rosato, 1997). Şekil 1’de kompozit malzemeleri oluşturan takviye ve matris yapıları gösterilmektedir.

Şekil 1. Kompozit malzemeleri oluşturan takviye ve matris yapıları (Aran, 1990)

Tablo 1’de kompozit yapılarda kullanılan malzeme çeşitleri ve kompozit yapıların şekilleri listelenmiştir.

Tablo 1. Matris, takviye elemanı ve kompozit yapı tipleri (Aran, 1990)

Bu iki malzeme grubundan, takviye malzemesi kompozit malzemenin mukavemet ve yük taşıma özelliğini belirlerken, matris malzeme ise plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici rol oynamakta ve kompozit malzemenin kopmasını geciktirmektedir (Aran, 1990). Kompozit malzemelerin özgül ağırlıklarının düşük oluşu, hafif yapılarda büyük avantaj sağlar. Bunun yanında fiber takviyeli kompozit malzemelerin korozyona dayanımları, ısı, ses ve elektrik yalıtımı sağlamaları da ilgili kullanım alanları için önemli bir üstünlük sağlamaktadır (Onat, 2015). Bu çalışmanın amacı, çevreci, sürdürülebilir, geri dönüşüm kaynaklı ve geri dönüştürülebilir, çok düşük maliyetli, yüksek performanslı kompozit malzeme üretmektir.

2. Kompozit Malzemelerin Tarihsel Gelişimi

Her alanda çok yaygın bir kullanımı bulunan kompozit malzemenin üretimi son birkaç yüz yıla mal edilmiş gibi görülse de ilk örnekleri çok eskilere dayanmaktadır. Konunun bir mühendislik konusu olarak ele alınması ancak 1940’lı yılların başında gerçekleşmiştir. Çok bileşenli malzemenin ilk örnekleri, doğada bulunan malzemeye yapılan müdahalelerle onun kullanılır hale getirilmeye başlandığı aşamadır. İlk çağlardan beri insanlar kırılgan malzemelerin içine bitkisel veya hayvansal lifler koyarak bu kırılganlık özelliğinin giderilmesine çalışmışlardı. Bu konularda en iyi örneklerden biri kerpiç malzemedir. Kerpiç üretiminde killi çamur içine katılan saman, sarmaşık dalları gibi sap ve lifler, malzemenin gerek üretim gerek kullanım sırasındaki dayanımını artırmaktadır. Öte yandan, günümüzde kompozit malzemenin donatılmasında yaygın olarak kullanılan liflerle ilgili uygulamanın da çok yeni olmadığı eldeki bulgulardan anlaşılmaktadır. Örneğin cam liflerinin üretimi, eski Mısır’a kadar tarihlendirilmektedir. Daha M.Ö 1600 yıllarında Mısır’da ince cam liflerinin yapımının bilindiği, XVIII. Hanedan devrinden kalan, çeşitli karanlık ve renkte cam lifleriyle bezenmiş amforaların mevcudiyetinden anlaşılmaktadır. Cam liflerinin sanayide kullanımıyla ilgili ilk kayıt, 1877 tarihlidir. Hidrolik bağlayıcılar ve elyaf malzeme kullanılarak yapay taş plakaların üretilmesi yöntemi hakkında bu yüz yılın başında alınmış patentlere rastlanmaktadır. Günlük uygulamalarda en yaygın kullanım olanağı bulmuş olan liflerle donatılmış kompozit malzemelerden ikisi, asbest lifleriyle donatılı kompozit malzemeler ve cam lifleriyle donatılı polyester kompozitlerdir. İlk kez ince levha yapımında kullanılan çimento ve asbest kompozitleri yıllar boyu önemini koruyarak bugün hala kullanılan bir malzeme olma özelliğini sürdürmektedir. Öte yandan, liflerle donatılı sentetik reçineler 1950’li yılların ortalarından itibaren endüstride kullanılmaya başlanmıştır. Bu malzemenin en tanınmış grubunu “cam lifi donatılı polyester reçinesi kompoziti” oluşturmaktadır. Ülkemizde “fiberglas” diye tanınan bu malzeme 1960’lı yılların başından itibaren Türkiye’de sıvı depoları, çatı levhaları, küçük boyda deniz teknelerinin yapımı gibi alanlarda kullanılmıştır. Ülkemizde seri üretimi yapılmış ilk yerli otomobil olan “Anadol”un kaportası bu malzemeden üretilmiştir. Cam lifleriyle donatılı sentetik reçine matrisli malzemeler için dilimizde “Cam Takviyeli Plastik (CTP)” adı yerleşmiştir. Cam takviyeli plastiklerin üretiminde, en çok kullanılan malzeme olan polyesterin yanı sıra, günümüzde, diğer termoset ve termoplastik reçinelerde kullanılmaktadır.

3. Kompozit Malzemelerin Yapısı

Kompozit malzemeler en az bir ana malzeme ve yine en az bir takviye fazından oluşacak şekilde imal edilmektedirler. Kompoziti oluşturan takviye ve ana malzeme, kompozitin imali esnasında kullanılan üretim yöntemine ve tasarlanan şekle bağlı olarak fiziki bir birliktelik sergilemektedir. Çeşitli yöntemlerle bir araya getirilmiş olan ana malzeme ve takviye elemanı, kendi özelliklerini tamamı ile kaybetmeden sergilemek üzere, aralarında ara yüzey olarak adlandırılan bir bağlantı bölgesi oluşturarak, tasarlanan formlarını korumaktadırlar.

Şekil 2. Şematik olarak kompozit malzemenin bileşenleri (Kaya, 1995)

Kompozit malzemelerin üç ana elemanı bulunmaktadır. Bunlar; 1. Matriks, 2. Takviye, 3. Katkılar.

3.1. Matriks

Matriks, termoplastik veya termoset polimer malzeme olarak sürekli fazı meydana getirir. Yonga levha, ahşap kompozit malzeme olduğundan dolayı, bu kompozit malzemenin matriksi kullanılan tutkaldır. Bu çalışmada, talaşlar termoset polyester reçinesi ile güçlendirilmiştir. Termoset polimerler ısıtıldıkları zaman sürekli bir katılaşma meydana gelmektedir, bir daha asla tekrar ısıtılıp sertleştirilemezler. Isıtma esnasında kovalent çapraz bağlanma oluşmaktadır. Bu tip bağlanma eğme ve dönme hareketlerini engellemektedir. Yapıları sert ve gevrektir (Ay, 2008). Kompozit malzemelerde kullanılan 2 tür polyester reçine vardır. Bunlar; daha ekonomik olan ortoftalik ve suya dayanım gibi daha iyi özelliklere sahip olan isoftalik polyesterdir. Türkiye’de genel kullanım amacıyla polyester üretim firmalar bulunmaktadır. Polyester reçinelerin avantajları; kolay kullanım ve çok düşük maliyetli olmasıdır (0.5 – 1 $/kg) (Arıcasoy, 2006).

3.2. Takviye

Takviye, aramid, karbon, grafit, boron, silisyum karbür, alümina, cam ve polietilen malzemelerin kısa veya uzun devamlı elyaf formunda kullanıldığı ve matriksi yaklaşık %60 hacim oranında pekiştirici işlevi olan malzemelerdir. Çalışmada, polyester reçinesi ile muamele edilecek olan malzeme, yonga levhadır. Ahşap geri dönüştürülebilir, yenilenebilir ve biyobozunur özellikte olan bir biyomalzemedir. Bir ahşabın yaklaşık olarak %40-%45’i selüloz, %10-%25’i hemiselüloz, %18-%35’i ligninden oluşmaktadır. Farklı doğal liflerdeki selülozların kimyasal yapısı benzer olmasına karşın, polimerizasyon derecesi değişmektedir. Bir biyolifin mekanik özellikleri anlamlı bir şekilde onun polimerizasyon derecesine bağlıdır (Mohanty et al. 2005). Kompozit malzeme üretiminde genel olarak yumuşak ağaçlar tercih edilmektedir. Bunun nedeni; yumuşak ahşap malzemeden elde edilen liflerin yüksek narinlik oranına sahip olmalıdır. Buna, düzenli lümen yapısı da eklenebilir (Mohanty et al. 2005). Bu çalışmada bazı örnek gruplarında yonga levha jüt bitkisi lifleri ile desteklenmiştir. Jüt, iyi bir antistatik ve izolasyon özelliği, düşük ısılı iletkenlik ve makul ölçüde rutubet tutma gibi avantajlara sahip bulunmaktadır. Lifleri 17-20 mikron çapında, 1-4 metre uzunluğunda bulunmaktadır.

Şekil 3. Ahşap yongası Şekil 4. Jüt bitkisi elyafı Şekil 5. Cam elyafı

3.3. Katkılar

Dolgular, kimyasallar ve diğer katkılar matrise niteliklerine göre özelliklerin geliştirilmesi amacıyla ilave edilirler (Arıcasoy, 2006). Polyester reçinesi ile ilgili kullanılan genel katkı maddeleri şunlardır (Cam Elyaf, 2014);

İnhibitörler:

Bu gruptaki katkılar, polyester reçinelerin kullanımından önce polimerize olmasını önlemek amacı ile polyesterin reaktivitesini yavaşlatmak için kullanılır. En çok kullanılan inhibitörler, hidrokinin ve tersiyer bütil katekoldür (TBC) . İnhibitör, genellikle reçineye oranla milyonda bir mertebesinde kullanılır ve reçinenin sertleşmesini tamamen engellememesi için çok dikkatli bir şekilde dengelenmelidir. Genellikle reçine üreticisinin görüşü alınmadan, ilave inhibitör kullanılmamalıdır.

Promotörler (Hızlandırıcılar):

Bu katkı maddeleri katalizör ile reaksiyona girerek, polimerizasyon reaksiyonunu hızlandırırlar. İnhibitörler reçineye belirli bir raf ömrü kazandırırken, promoterler (hızlandırıcılar), katalizörün ilave edilmesinden itibaren sertleşmeyi çabuklaştırır. Promoter (hızlandırıcı) ve inhibitör arasındaki denge çok hassastır ve herhangi bir katkının fazla konması dengeyi altüst edebilir. Başlıca promoterler (hızlandırıcılar), kobalt naftanat, kobalt oktoat, dimetil anilin (DMA) ve dietil anilin (DEA) dir..

Katalizörler:

Katalizör (daha doğru deyişle başlatıcı), kimyasal reaksiyonun bir parçası olmamakla beraber prosesin başlaması için gerekli enerjiyi sağlar. Katalizörün ilave edilmesi ile promoter ve inhibitör arasındaki denge bozulur ve reaksiyon mertebesinin kontrolü katalizöre geçer. Katalizör oksijeni serbest bırakır (veya serbest radikalli moleküller oluşturur) ve polimerizasyon prosesi için yakıt gibi görülebilir. Katalizör ilavesi ile başlatılan reaksiyon ekzotermiktir, yani şebeke yapısı oluşturulurken ısı açığa çıkar.

4. Malzeme ve Üretim Yöntemi

Polyester reçinesi ile güçlendirilecek olan malzeme yongalevhadır. Yonga levhanın takviye malzemesi, ahşap yongasıdır. Polyester reçinesi, yonga levhanın fiziksel, mekanik ve biyolojik özelliklerinin geliştirilmesi açısından uygun bir polimer olduğu için tercih edilmiştir. Çeşitli ağaç türlerinden elde edilen yongalar karışık olarak alınarak VRTM yöntemi ile içerisine polyester reçinesi katılarak güçlendirilmiş ve kompozitler üretilmiştir. Üretim yöntemi olarak “Vakum ile Reçine Transfer Kalıplama” metodu tercih edilmiştir. Temel olarak “Reçine Transfer Kalıplama” metodu ile aynıdır. Yalnızca, bu yöntemde sistem vakum ile desteklenmektedir. Daha önceden hazırlanmış olan hammaddeler (takviye) kalıp içerisine yerleştirilir, vakum torbası ile dış ortamdan izole edilir. Vakum yardımıyla reçinenin nüfus etmesi sağlanır.

Şekil 6. VRTM üretim yöntemi (Ataş, 2014)

Günümüzde kullanım alanları; kamyon gövde parçaları, otomobil gövde panelleri, otobüs panelleri, spoiler, gösterge panelleri, tıbbi cihazlar, depolama tanklar, araç koltukları, kimyasal pompalar, küçük tekneler gibi denizcilik parçaları, rüzgâr enerjisi tribün kanatları, uçak parçaları, mermi gövdeleri, bisiklet gövdeleri ve kapılardır (Cam Elyaf, 2014).

5. Bulgular

Çalışma kapsamında üretilen kompozitlerin fiziksel ve mekanik özellikleri üzerine etkisini tespit etmek amacıyla üretilen deneme levhalarında yapılan deneylerin sonuçları Tablo 2’de verilmiştir.

Tablo 2. Kompozit gruplarının test değerlerinin ortalamaları

6. Sonuç ve Öneriler

Bu çalışma, çok yüksek performanslı mekanik özelliğe sahip, fiziksel özellikleri iyileştirilmiş, su almaya karşı dirençli, biyolojik etmenlere karşı dirençli yenil nesil kompozitler üretilebilir olduğunu göstermiştir. Bu şekilde katma değerli ürünler üretilmesi söz konusu olacaktır. Ayrıca bu üretilen yeni nesil kompozitlerin yüksek performans isteyen inşaat, otomotiv gibi yerlerde kullanılması gündeme gelebilecektir. Orman endüstrisindeki küçük veya orta ölçekli işletmelerin sipariş esaslı bu levhaları, kompozitleri, ahşap atık talaştan, yongalardan ve kuracakları VRTM üretim tesisi ile farklı sektörler için yüksek katma değerli ürün üretilebilir. Bu şekilde ciddi miktarda kâr elde edilebilir.