Dış Cephe Kaplamalarına Ekolojik bir Yaklaşım: Ahşap Polimer Kompozitler

9 Ekim 2014 | TEKNİK MAKALE 127. Sayı (Ekim 2014)

Alperen Kaymakcı, Nadir Ayrılmış, Turgay Akbulut İstanbul Üniversitesi, Orman Fakültesi, Orman Endüstri Mühendisliği, Odun Mekaniği ve Teknolojisi ABD
1. Giriş


Sanayi Devrimi sonrası oluşan sosyal, kültürel ve ekonomik değişiklikler, beraberinde kullanıcı isteklerinde ve tercihlerinde büyük çaplı değişikliğe sebep olmuştur. Özellikle son 50 yılda gelişen teknolojiler özellikle malzeme biliminde ve teknolojisinde son derece büyük atılımlar yapılmasını sağladı. 
Geliştirilen yeni yöntemler, materyaller, hızla büyüyen nüfus ve ekonomi sonucunda kullanılan her türlü malzemenin artması, aynı zamanda oluşan atık miktarında yükselmeye  de sebep oldu.  Bu çerçevedeki atıkların flora ve fauna dengesini bozmadan bertaraf edilmesi ve ekonomiye kazandırılması için geri dönüşümü kaçınılmazdır. Bu amaçla “3R” kuralı birçok ülkede hayata geçirilmeye çalışılmaktadır. Burada amaç, daha az atık oluşturmak için kullanılan hammaddeyi azaltmak (Reduce), bir ürünün yeniden kullanılmasını sağlamak (Reuse) ve bir malzemenin geri dönüşümünün (Recycle) gerçekleştirilmesidir [1]. 
Ülkemizde halen atıkların büyük bir kısmı mevzuata uygun şekilde bertaraf edilmemektedir. Bu duruma yol açan pek çok idari, mali ve teknik sebep vardır. Ülkemizde geri dönüştürülebilir atıkların kompozisyonuna baktığımızda büyük bir kısmının kağıt-karton (%45.48), cam (%18.46) ve plastik (%13.19) oluştuğunu görmekteyiz [2]. 
Özellikle plastikler, petrol kökenli malzemeler grubuna dahil olduklarından doğada kısa süre içerisinde bertaraf edilmeleri imkansızdır. Benzer şekilde plastiklerin bu şekilde yok olmasını beklemek, ekonomik açıdan yerinde bir karar değildir. Plastiklerin geri dönüşüm yoluyla ekonomiye kazandırılması bu anlamda atılacak en önemli adımların başında gelmektedir. Polietilen, polipropilen ve polivinil klorür gibi polimerler ve lignoselülozik malzemeler polimer-kompozit üretiminde kullanılabilmektedir. Plastiklerin (termoplastik) odun lifi ya da ahşap unuyla karıştırılarak şekillendirilmesiyle elde edilen ürünler ahşap plastik kompozitleri (APK) olarak adlandırılmaktadır. 
APK, kendisini oluşturan plastik ve ahşaba kıyasla daha üstün özelliklere sahip olması sayesinde tüm dünyada geniş kullanım alanları bulmaya başlamıştır. Bu özellikler arasında plastik malzemeye kıyasla daha düşük maliyetli olmaları ve doğada daha kolay bozularak çevre dostu olmaları, ağaç malzemeye kıyasla ise daha iyi boyutsal stabiliteye sahip olmaları, istenilen boyut ve şekilde, farklı renk ve dokuda üretilebilmeleri, çatlamalara, mantarlara ve böceklere karşı daha dayanıklı olmaları, geri dönüşümlü/atık malzemelerden üretilebilmeleri sayılabilir [1]. 
Ahşap plastik kompozitler kapı-pencere doğraması, kamelya malzemesi, taban döşeme malzemesi ve dış cephe kaplaması olarak kullanılabilmektedir. Dış cephe kaplaması olarak kullanılacak malzemenin çevreyle uyumlu, dış ortamdan kaynaklanan fiziksel ve kimyasal etkilere karşı dayanıklı, kolay işlenebilen, kullanıcı gereksinimlerini karşılayabilen, işçilik ve inşaat maliyeti düşük, yeniden düzenleme ve bakım kolaylığı sağlayabilen bir yapıda olması gerekmektedir [3]. 
Bu çalışmanın amacı, yukarıda bahsettiğimiz ahşap plastik kompozitlerin dış cephe kaplaması olarak kullanımının ekolojik yönden faydalarını belirlemektir. 


2. APK Üretiminde Kullanılan Dolgu Maddeleri
APK üretiminde çok değişik türde organik ve inorganik dolgu materyali kullanılabilmektedir. Günümüzde halen APK üretiminde yoğun olarak inorganik dolgu materyalleri APK üretiminde değerlendirilmektedir. Ancak kalsiyum, talk, kalsiyum karbonat, alüminyum silikat, kil, cam dolgu, metal oksit benzeri dolgu maddeleri pahalı oluşları ve makine aksamında meydana getirdikleri aşınma dolayısıyla yerlerini organik dolgu materyallerine bırakmaya başlamışlardır. Odun unu ve lifleri, yıllık bitki lifleri, atık kağıt gibi organik dolgu maddeleri APK üretiminde başarıyla kullanılmaktadır. Ülkemizde bu açıdan bakıldığında büyük  miktarda  orman  endüstri atıkları ve tarımsal atıklar mevcut olup, rasyonel bir şekilde değerlendirilmemektedir. Orman endüstri atıklarının ve tarımsal atıkların ekolojik olarak en büyük faydası, biyolojik olarak bozunabildiklerinden çevreye herhangi bir zarar vermemeleridir. Bundan dolayı bu gibi lifsel kaynakların ahşap polimer kompozit üretiminde değerlendirilmesi çevresel açıdan çok büyük yarar sağlayacaktır. APK üretiminde kullanılabilen lifsel materyallere ilişkin bilgiler aşağıda kapsamlı bir biçimde aktarılmıştır. 


2.1. Odun Lifleri
Odunsu hücreler, yaptıkları göreve ve türlerine göre farklı yapı gösterirler. İğne yapraklı ve yapraklı ağaç odunlarının destek, iletim ve depolama görevi yapan elemanları vardır. Hücrelerin bu farklı özelliklerinden dolayı bazı türler bazı kullanım yerlerinde daha üstün tutulurlar. Örneğin uzun lifli türler, lif levha ve kağıt yapımı için daha uygundurlar. Yapraklı ağaç odunları anatomik yapı bakımından, iğne yapraklı ağaç odunlarına göre daha karmaşık bir yapı göstermektedirler [5]. Tablo 1’de iğne yapraklı ve yapraklı ağaç odunlarının hücre tipleri ve oranları gösterilmektedir.





2.2. Yıllık Bitki Lifleri
Yıllık bitkiler bol ve ucuz selülozik lif kaynaklarıdır. Tarımsal liflerin yapısı, özellikleri ve bileşimi onları kompozit, tekstil ve kağıt üretimi gibi kullanım alanları için uygun bir materyal yapmaktadır. Ayrıca tarımsal lifler yakacak, kimyasal madde, enzim ve yiyecek üretiminde de kullanılabilmektedir [6].
Dünyada ve Türkiye’de odun dışı yıllık bitki kökenli lignoselülozik maddelerin yaklaşık potansiyeli Tablo 2’de gösterilmiştir [7].





2.3. Atık Kağıt
Atık kağıt yüzde 40 oranında geri kazanılmaktadır. Kullanım oranı ise yüzde 32’dir. Buna rağmen yıllık 100 milyon ton kağıt ve kağıt karton kullanımı sözkonusudur. Kağıt endüstrisinde atık kağıdın kullanım miktarı artmıştır. Ayrıca, birçok kağıt ürünü yüzde 100 atık kağıtla üretilemez. Bu yüzden bir başka pazar için atık kağıtlar kullanılabilir. Kağıt endüstrisi atıkları da APK üretiminde lifsel hammadde olarak kullanılmaktadır. 
Kompozit üretim yapan küçük-ölçekli işletmeler için kağıt endüstrisi atıkları oldukça uygundur. Kompozitler her türlü atık kağıttan yapılabilmektedir [8].


3. Lignoselülozik Liflerin Fiziksel ve Mekanik Özellikleri
Bireysel liflerin özellikleri kristallik derecesi, boyutları, şekli, yönlenmesi, L/d oranı (narinlik oranı), hücre çeperi kalınlığı ve boşluk miktarına göre değişmektedir. Doğal liflerin özellikleri bitki türüne göre değişmektedir. Ayrıca, bir tür içinde lif özellikleri yetişme yeri, iklim ve yaşa bağlı olarak değişim göstermektedir [9]. Tablo 3’te bazı yaygın olarak kullanılan bitki liflerinin ve polimerik liflerin fiziksel ve mekanik özellikleri verilmiştir.  





Ahşap polimer kompozitlerin elastikiyeti ve mekanik özellikleri, polimer ve lifin mekanik özelliklerine bağlıdır. Polimerler, özellikle termoplastikler, odun liflerine göre daha düşük mekanik özelliklere sahiptir. Düşük yoğunluklu polietilen, yüksek yoğunluklu polietilen, polistiren ve polipropilenin yaklaşık olarak elastikiyet modülü 137,9-3447 N/mm2 ve çekme direnci 4,13-8,26 N/mm2, odun lifinin elastikiyet modülü 13790-41370 N/mm2 ve çekme direnci 345-896 N/mm2dir. Bu nedenle, uygun yönlendirme ve yük dağılımı sağlanarak odun liflerinin mekanik özellikleri ahşap polimer kompozitinin mekanik özelliklerini yönlendirebilir [10].


4. Ahşap Polimer Kompozitlerin Özellikleri
Ahşap polimer kompozitlerin fiziksel ve mekanik özellikleri büyük oranda malzeme bileşenleri ve üretim yönteminden etkilenmektedir. Ahşap polimer kompozitlerin üretiminde kullanılan plastiklerin türü, lignoselülozik malzeme miktarı, lignoselülozik malzeme narinlik oranı (aspect ratio), uyum sağlayıcı ajan ve diğer katkı maddeleri, esas olarak fiziksel ve mekanik özellikler üzerine etkilidir. Kullanım alanına bağlı olarak yukarıda bahsedilen malzeme bileşenlerinden ve üretim yönteminde arzu edilen değişiklikler yapılarak son ürün performansı geliştirilebilmektedir. 
Mühendislik ürünü bir malzeme olması dolayısıyla kullanım yerine ilişkin detaylar dikkate alınarak üretim reçetesinde maksimum fayda sağlayacak şekilde değişikliğe gidilebilmektedir. Dış cephe kaplaması olarak kullanılacak olan malzeme kullanım yerinde ve servis ömrü boyunca basınç, çekme ve eğilme gibi mekanik etkilere maruz kalmaktadır [3]. 
Ahşap polimer kompozitler, kullanım alanları bakımından genelde plastik kerestelere alternatif olarak düşünüldüklerinden bunların ASTM D 6662 (2001) standardıyla kıyaslanmasında fayda vardır. Bu standart, poliefin plastiklerden elde edilen plastik kerestelerin eğilme direnci değerlerinin ne olması gerektiğini belirleyen bir standarttır. Eğilme direnci değerlerinin en az 6.9 MPa ve elastikiyet modülünün ise 340 MPa olması istenmektedir. Tablo 4’te ahşap polimer kompozitlerin mekanik özelliklerine ait literatürde yapılan çalışmalardan bazıları verilmiştir. 





Literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde ASTM D 6662’de istenilen değerlerin çok üstünde sonuçlar elde edildiği görülebilmektedir. 
Dış cephe kaplaması olarak kullanılacak olan ahşap polimer kompozitlerin kullanım yerinde ve servis ömrü boyunca maruz kalacağı yükler dikkate alındığında, tabloda verilen değerlerin bu kullanım yerine ilişkin yeterliliği sağlayacağı düşünülmektedir. Bu bağlamda ahşap polimer kompozitlerin mekanik özellikleri esas alınarak düşünüldüğünde, dış cephe kaplaması olarak kullanılmasında herhangi bir problem oluşturmayacağı düşünülmektedir.
Yapılan çalışmalarda ahşap plastik kompozitlerin diğer özellikleri şu şekilde sıralanmıştır [11]:  
- Rutubete karşı yüksek dirençli
- Yüksek boyutsal stabiliteye sahip ve çalışması çok az
- İsteğe göre boyutlandırılabiliyor
- Daha az bakım gerektiriyor
- Mantar ve böceklere karşı dayanıklı.
Ahşap polimer kompozit üretiminde kullanılan hidrofobik yapıda olan plastik dolayısıyla rutubete ve rutubet değişimlerine karşı oldukça dayanıklıdır. Hidrofob plastik materyal içerisinde iyi bir şekilde kapsüle olmuş lignoselülozik malzeme (ahşap, odun talaşı, yıllık bitki artıkları vb.) unları hidrofilik karakterde olmalarına rağmen son üründe kullanım yerinde problem oluşturacak düzeyde çalışma (daralma ve genişleme) göstermez. Bundan dolayı ahşap polimer kompozitler yüksek boyutsal stabiliteye sahiptirler. 
Ahşap yapısını oluşturan selüloz, hemiselüloz ve lignin dolayısıyla mantar ve böcekler gibi ağaç zararlılarının etkisi ile deformasyona uğraması oldukça yaygın endüstriyel bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Mantar ve böcekler ahşabın bileşenlerini besin olarak kullanmak suretiyle ahşabı çürütmekte ve özellikle mekanik anlamda ciddi direnç kayıpları oluşturmaktadır. Ahşap polimer kompozit üretiminde kullanılan ahşap unu polimer matris içerisine iyi bir şekilde kapsüle edilmesi halinde ağaç zararlılarının uğrattığı tahribata karşı oldukça dayanıklı bir hal almaktadır. Ancak polimer matris ile ahşap unu arasındaki bağlanmanın ve karışımın iyi bir şekilde sağlanması gerekmektedir. Bunun yanı sıra ahşap polimer kompozitlerin üretim dizaynı içerisine dahil edilecek çeşitli katkı maddeleri sayesinde hem bağlanma artırılabilir hem de bu zararlılara karşı önlemler almak suretiyle daha stabil hale getirilebilir. 


5. Sonuç ve Öneriler
Ahşap polimer kompozitler kendisini oluşturan materyallerden daha üstün özelliklere sahip mühendislik ürünü malzemelerdir. Ahşap polimer kompozitlerin üretiminde kullanılan lignoselülozik esaslı materyallerin sağladığı biyolojik olarak bozunabilirlilik, ekolojik açıdan bu malzemeye olan ilgiyi artırmaktadır. Ekolojik olarak çevreye dost malzemelerin pazarda kabul görmesi ve devamlılığının sağlanması her geçen gün daha hayati bir hal almaktadır. Ahşap polimer kompozitlerin bu çalışmaya konu olan dış cephe kaplaması olarak kullanılma potansiyeli, malzemenin gösterdiği üstün özellikler nedeniyle oldukça yüksektir. 
Dış cephe kaplaması olarak kullanılan ahşap polimer kompozitlerin servis ömrü sonunda geri dönüşüm yoluyla tekrar üretime kazandırılması veya doğaya bırakıldığında biyobozunur karakter göstermesi oldukça büyük bir avantajdır. Katı atık oluşumunun bu şekilde azaltılması her geçen gün daha da bilinçlenen son tüketicilere yönelik önemli bir tercih sebebi olacaktır. Bu şekilde çevre üzerindeki baskı azalacak ve aynı zamanda çevreci bir rol üstlenmiş olunacaktır. Ancak bu noktada gerçekten kafa karıştıran bir sorun da yok değildir. Şöyle ki, ahşap polimer kompozitlerin içerisindeki biyobozunur karakterde olan lignoselülozik hammadde dolayısıyla ekolojik bir ürün olarak nitelendirilebilir. Bunun yanı sıra bünyesinde bulundurduğu biyolojik olarak degredasyonu oldukça güç olan polimer kısmının ekolojik olarak zararı açıktır. Bundan dolayı ekolojik olarak çevreye dost bir ürün tasarlanacaksa, bu problemin öncelikle giderilmesi çok büyük önem arz etmektedir. Bundan sonraki aşamada ahşap polimer kompozitlerin dış cephe kaplamalarını da içine alan uygulamalarında doğada biyolojik olarak bozunabilen polimerler kullanılarak üretimi yoluna gidilmesi daha uygun olacaktır. Ancak bu konuda ülkemizde yapılan çalışmalar oldukça yenidir ve daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir. Bu konuda araştırmacılara ve devlete çok büyük iş düşmektedir. Araştırmacıların bu konuyla alakalı çalışmalara ivme vermesi, devletin ise yakın zamanda ekolojik ürünlerin üretimine ve teknolojisine altyapı sağlayacak teşvik tedbirlerini alması artık zaruri hale gelmiştir.


6. Kaynaklar
[1]Karakuş, K. 2008. Üniversitemizdeki Polietilen ve Polipropilen Atıkların Polimer Kompozit Üretiminde Değerlendirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Orman Endüstri Mühendisliği Anabilim Dalı, Kahramanmaraş
[2] www.tubitak.gov.tr/tubitak_content_files/vizyon2023/csk/EK-4.pdf (Erişim Tarihi: 06.02.2014)
[3] Gezer, H. 2005. Dış Cephe Kaplamalarında Polimer Esaslı Malzemenin UV, Isı ve Suyun Bileşik Etkisi Karşısında Yüzey Dayanıklılığının Araştırılması, Doktora Tezi, Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık ABD, İstanbul
[4] Ford, M. 1999. Research Needs of the Woodfiber-plastic Composites Marketplace, The Fifth International Conference on Woodfiber-Plastic Composites, May 26-27 1999, The Madison Concourse Hotel Madison, Wisconsin, 199-201
[5] Akbulut, T. 2001. Lif Levha Endüstrisi Ders Notları, 21-24
[6] Reddy, N.,Y. Yang, 2005. Biofibers From Agricultural Byproducts for Industrial Applications, TRENDS in Biotechnology Vol.23 No.1
[7] Mengeloğlu, F., M.H. Alma, 2002. Buğday Saplarının Kompozit Levha Üretiminde Kullanılması, KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi 5(2):37-48
[8] Backiel, A. 1995. The Fiber Side of Equation, Woodfiber-Plastic Composites Virgin and Recyled Wood Fiber and Polymer for Composites, Madison USA, 3-7
[9] Ray, D., J. Rout, 2005. Thermoset Biocomposites, In: Natural Fibers, Biopolymers, and Biocomposites Mohanty, A.K., M. Misra, L.T. Drzal, CRC Press, 291-345, Boca Raton
[10]Groom, L.H., S.M. Shaler, L. Mott, 1995. The Mechanical Properties of Individual Lignocellulosic Fibers, Woodfiber-Plastic Composites Virgin and Recycled Wood Fiber and Polymer for Composite, Madison, Wisconsin
[11]Aslan, M., 2008. Odun Plastik Kompozitlerinde Geri Dönüşüm ve Atık Malzeme Kullanımı. VI. Ulusal Orman Fakülteleri Öğrencileri Kongresi, s: 63-67
[12]Ayrilmis, N., Kaymakci, A. 2012. Fast Growing Biomass as Reinforcing Filler in Thermoplastic Composites: Paulownia Elongata Wood, Industrial Crops and Products 43 (2013) 457- 464
[13]Ayrilmis, N., Dundar, T., Kaymakci, A., Ozdemir, F., Kwon, J.H. 2014. Mechanical and Thermal Properties of Wood-plastic Composites Reinforced with Hexagonal Boron Nitride, Polymer Composites, 35 (1), DOI 10.1002/pc.22650.

 

---

R E K L A M