Yoğunlaştırmada Kullanılan Mekanik Odun Modifikasyon Metotları

Ağaç malzeme basınç altında sıkıştırılarak, hücre çeperine bazı kimyasalların-reçinelerin emdirilmesiyle (impregnasyon) veya sıkıştırma ile impregnasyonun birlikte kullanılmasıyla yoğunlaştırılabilmektedir [5], [6]. Ağaç malzemenin sıkıştırılarak yoğunlaştırılmasında, malzemenin hücre çeperi çökertilerek ve boşluk hacmi azaltılarak yoğunlaştırma gerçekleştirilmektedir [22]-[24]. Kimyasal maddelerle yoğunlaştırmada ise, sıvı haldeki doğal ve yapay reçineler ağaç malzemenin boşluklarına emdirildikten sonra kimyasal reaksiyon veya soğutma sonucu bulundukları yerde katılaştırılarak yoğunluğu artırılmış ağaç malzeme elde edilmektedir [7], [46].

Ahşap malzemenin reçine emdirilmeden sıkıştırılarak yoğunlaştırılmasında, sıkıştırma sonrası rutubete veya su ile temasa maruz kalabileceği durumlarda geri esneme (spring- back) özelliğinden dolayı önemli sorunlar oluşturabilmektedir [23], [29] (Şekil 2.1).

Şekil 2.1. Sıkıştırılarak yoğunlaştırılmış ahşap malzemede oluşan geri esneme (spring- back) [23], [29].

Reçine emdirilmeden yapılan yoğunlaştırmada ölçüsel kararlılığı sağlamak için değişik çalışmalar yapılmış ve bir kısmı oldukça başarılı sonuçlar vermiştir. Bu çalışmalar; açık bir sistemde sıcaklık ve basınç kullanılarak yapılan yoğunlaştırma (Termo-Mekanik (TM)), kapalı bir sistemde sıcaklık, basınç ve buhar kullanılarak yapılan yoğunlaştırma (Termo-Higro-Mekanik (THM)), buhar ile ön yumuşatma işlemi yapılıp sıcaklık ve basınç kullanılarak yapılan yoğunlaştırma (Viskoelastik-Termal-Sıkıştırma (VTC)) ve yeni bir uygulama olan sıcaklık, basınç ve titreşim (vibrasyon) kullanılarak yapılan yoğunlaştırma (Termo-Vibro-Mekanik (TVM)) metodudur.

7

2.1.2.1. Termo-Mekanik (TM) Yoğunlaştırma

Termo-Mekanik (TM) yoğunlaştırma açık bir sistemde sıcaklık ve basıncın etkisi altındaki ahşap malzemenin yoğunlaştırılmasıdır. TM işlem süreci, 150 °C - 200 °C arasında değişen sıcaklık derecelerinde, %40, %50, %60 sıkıştırma oranlarında uygulanabilmektedir. Ahşap malzemenin Termo-mekanik (TM) yöntemle sıkıştırılabilme özellikleri; yoğunluk, yaz odunu oranı, hücre çeperi hacmi gibi ağaç malzemenin anatomik özellikleri ile sıkıştırma yönüne bağlı olabilmektedir [5]. Termo-mekanik (TM) yoğunlaştırma yönteminde ahşap malzemenin elastik davranışından dolayı, uygulanan basınç kuvvetinin kalkmasından sonra sıkıştırılmadan önceki orijinal şeklini geri dönme eğiliminin ortaya çıktığı, bu davranışın spring-back (geri esneme) olarak ifade edildiği ve sıkıştırılmış durumdaki ölçüde değişikliğe neden olabilmektedir [47]. Yüksek sıkıştırma miktarında daha fazla geri esnemenin oluştuğu, bu olayında malzeme bünyesinde daha fazla gerilme oluşmasından kaynaklanabilmektedir [48].

TM yöntem ile yoğunlaştırma işlemine tabi tutulan ağaç malzemede eğilme direnci ve eğilmede elastikiyet modülü, sıkıştırma oranının artışına paralel olarak artırılabilmektedir [49]. TM yoğunlaştırma işleminde, elastikiyet modülünü etkileyen en önemli etken, sıkıştırma miktarı olmakta, pres sıcaklığının ise çok önemli etkisinin olmadığı kabul edilmektedir [29]. TM yoğunlaştırma işlemi sonrasında ağaç malzemenin sertliği arttırılabilmektedir [50]. TM yoğunlaştırma işleminden sonra ağaç malzemenin direnç değerlerindeki artışların, boşluk hacmindeki azalmadan ve yük taşıma özelliğine sahip birim hacimdeki hücre çeperi maddesi artışından kaynaklanmaktadır [21]. Yoğunlaştırma işlemi sonunda elde edilen yoğunluk artışı ile; liflere paralel basınç direnci, radyal ve teğet yönlerdeki eğilme direnci ile Brinell sertlik değerlerinde artışlar olabilmektedir [4]. Yapılan mikroskobik incelemelerde, düşük sıcaklık ve yüksek sıkıştırma oranı ile yoğunlaştırılmış ağaç malzemelerde hücre çeperi kırılmaları daha fazla oluşmakta ve bu durum direnç özelliklerini azaltabilmektedir [49] (Şekil 2.2).

8

Şekil 2.2. TM yoğunlaştırma işlemi ile yoğunlaştırılmış ağaç malzemenin hücre yapısında meydana gelen deformasyon (kırılma, çatlama v.b.) [26]. 2.1.2.2. Termo-Higro-Mekanik (THM) Yoğunlaştırma

Termo-Higro-Mekanik (THM) yoğunlaştırma işlemi, 1997’den beri uygulanan, kapalı bir sistemde sıcaklık, basınç ve buhar etkisi altındaki ahşap malzemenin yoğunlaştırılmasıdır [51], [52] (Şekil 2.3).

Şekil 2.3. THM yoğunlaştırma işleminde kullanılan kapalı sistem presin şematik görünümü [23], [29].

Yoğunlaştırma kapalı bir sistemde yapıldığından dolayı sıkıştırma işlemi boyunca doymuş buhar kullanımı kontrol edilebilmekte, THM sürecinde ağaç malzemeler, 150 °C sıcaklıkta doymuş buhar altında yoğunlaştırılmaktadır (Şekil 2.3). Ağaç malzeme yoğunlaştırma işlemi süresince bu şartlarda tutulmaktadır. Bu işlem sırasında uygulanan maksimum basınç kuvveti yaklaşık 130 kg/cm² dir. Kullanılan higro-termal haznesinin özelliklerinden dolayı, ağaç malzemenin ısıtılması doğrudan basınçlı buhar ile yapılmaktadır. Bu yöntem ile yoğunlaştırılmış ağaç malzemeler daha kararlı ve daha az

9

higroskobiktir. Mikroskopik incelemelerde, TM metod ile yoğunlaştırılmış ağaç malzemelerde hücre kırılmalarının oluştuğu ancak hücrelerin tamamen deformasyona uğramadığı ve lümenlerin açık durumda kaldığı görülmektedir (Şekil 2.2). THM yoğunlaştırmada ise hücre kırılmaları-çatlamaları yaşanmamaktadır [5], [44].

2.1.2.3. Viskoelastik-Termal-Sıkıştırma (VTC) Yoğunlaştırma

Ahşap malzemenin, Viskoelastik – Termal – Sıkıştırma (VTC) yoğunlaştırılması, mekaniksel olarak sıkıştırılmış ahşabın yoğunluğunu % 100 - % 300 arasında arttırmak için yapılan işlemlerdir. VTC yoğunlaştırma işlemi ahşap malzemeyi buhar ile ön yumuşatma, sıkıştırma ve son olarak ısıl işlem-kondüsyonlama basamaklarından oluşmaktadır. VTC işleminde en önemli nokta, yüksek basınçlı buhar ortamında ahşap malzemenin yumuşatılmasıdır. Bu işlem ile aşırı yük altındaki ahşabın hücre kırılmaları ve çökmeleri engellenmektetir. Sıkıştırma işleminden sonra ısıl işlem (ısıtma ve kondüsyonlama) uygulaması ile ölçüsel olarak kalıcı sabitleme sağlanmaktadır.

Yoğunlaştırma işlemi yapılan malzeme viskoelastik termal sıkıştırılmış ahşap (VTC ahşap) olarak adlandırılmaktadır. VTC işlemi uygulanacak ahşabın rutubeti lif doygunluğu noktasından daha yüksek olabilir ancak %15 - %30 arasında bir rutubette olması tercih edilmektedir. Isıtma ve kondüsyonlama uygulaması nemi hızla yeniden dağıtacağından, numunelerin kalınlıkları boyunca eşit nem içeriğine sahip olması gerekmez. Yoğunlaştırmada kullanılacak ağaç malzeme kalınlıklarının 3 mm - 12 mm arasında olması, ince malzemelerin kuruması (desorpsiyon) daha hızlı ve tekdüze gerçekleşeceğinden bu yöntem için en uygun ölçülerdir. Isıtma ve kondisyonlama aşamasında sıcaklığın 160 °C-175 °C arasında ve ağaç malzemenin orta kısmındaki basıncın 650 kPa - 2000 kPa aralığında olması tercih edilmektedir. Ancak daha yüksek yoğunluklu ağaç malzeme elde etmek için, 175 °C - 225 °C arasında sıcaklık ve 2000 kPa- 4000 kPa arasında mekaniksel bir basınç uygulanmaktadır. Bu aşamada uygulanan sıcaklık ve basıncın seviyesi, önceki aşamada gerçekleştirilen sıkıştırmanın derecesine bağlıdır. İşlem tamamlandığında istenen yoğunluk değerine ulaşan ağaç malzemenin rutubeti yaklaşık % 2 civarında ve daha az higroskopiktir. Dış ortam ile denge rutubetini sağlayabilmesi için malzeme yüzeyine son olarak su püskürtme işlemi uygulanır. VTC yoğunlaştırma yönteminde, ahşabın mekanik direnç özellikleri artarken özellikle ölçüsel stabilizasyonu yüksek derecede sağlanmaktadır [5], [23], [38], [53], [54].VTC yoğunlaştırma süreci gelişmiş mekanik özelliklere sahip ahşap malzeme ile sonuçlanır (Şekil 2.4).

10

Şekil 2.4. (Sol) Melez kavak ağacının doğal haldeki görünüşü ve (Sağ) VTC ile yoğunlaştırılmış haldeki görünüşü [8].

2.1.2.4 Quintus Preste Yarı-Izostatik (Semi-Isostatic) Yoğunlaştırma (CaLignum) Ağaç malzemenin Quintus preste yarı-izostatik sıkıştırma (CaLignum) ile yoğunlaştırılması esasına dayanan bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntem ile elde edilen ürünün ismi ise “CaLignum” dur [5]. Quintus presinde (CaLignum) ahşabı sıkıştırarak, yoğunluk artırılabilmekte ve mukavemet özellikleri kontrol gerektirmeden geliştirilebilmektedir. Aslında bu pres metal levhaların bükme ve şekillendirilebilmesi için geliştirilmiştir. Quintus pres (akıcı sıvı ile basınç uygulama sistemi) yönteminde, esnek yağ dolu kauçuk bir diyafram aracılığı ile sert ve sabit bir pres tablası arasında kalan ağaç malzemelere 140 MPa’ya kadar basınç uygulanabilmektedir. Ahşap yoğunlaştırma işleminde basınç arttıkça ağaç malzemenin yapısal olarak zayıf bölgelerinde (ilkbahar odunu) daha fazla ezilme ve çökmeler meydana gelmekte, yüzeyde girinti ve çıkıntılar oluşmakta ve sonuçta pürüzlü-düzensiz bir yüzey meydana gelmektedir [3], [23].

Quintus preste (CaLignum) sıkıştırma basıncı 140 MPa’ya kadar yükseltilebilmekte ve hemen ardından atmosferik basınca indirilmektedir. Bu işlem yaklaşık olarak 3 dakika sürmekte ve ısıya ihtiyaç duyulmamaktadır. Ağaç malzemenin rutubet miktarı önemlidir ve %4 - %18 arasında olmalıdır. Sıkıştırma işlemin başlangıcında basınç, tek yönlü ve pres tablasına dik olarak uygulanmaktadır. Lastik diyaframın yağla doldurulması nedeniyle basınç arttıkça diyafram, pres masasına yerleştirilen ağaç malzemenin yüzü hariç tüm yüzeylerin etrafında kapanmakta ve basınç izostatik hale gelmekte ve presleme gerçekleşmektedir [3], [5].

Quintus preste yarı-izostatik (CaLignum) sıkıştırılmış Sarıçam (Pinus sylvestris L.)’ın yoğunlaştırma işlemi öncesi ve sonrası görünümü Şekil 2.5’de verilmiştir.

11

Şekil 2.5. Quintus preste yarı-izostatik (CaLignum) yoğunlaştırılmış Sarıçam (Pinus sylvestris L.)’ın yoğunlaştırma öncesi ve sonrası görünümü [55].