XIX. ULUSAL MEKANİK KONGRESİ
24-28 Ağustos 2015, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon
795 FINDIKKABUĞU VE EVSEL ÇAY ATIĞI KATKILI YÜKSEK YOĞUNLUKLU
POLĠETĠLEN KOMPOZĠTLERĠN FĠZĠKSEL VE MEKANĠKSEL ÖZELLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ
Nilay Küçükdoğan Öztürk1, Savaş Öztürk1
, Mücahit Sütçü1, Kutlay Sever1
1İzmir Katip Çelebi Üniversitesi, Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi, İzmir
ABSTRACT
In this study, household tea waste (HTW) and nutshell (NS) filled in high density polyethylene (HDPE) composite materials were produced and characterized. Firstly, filler materials were grinded using a ring mills thereby the powder form. Filler mixture in proportions ranging from 0% to 20% with a fixed HDPE matrix at 80%, were prepared in order to polymer composites by using thermo-kinetic (Gelimat) Mixer. The flexural and tensile strength, crystallographic and thermal properties of filler materials reinforced HDPE composites were investigated. E composite (20%NS+80%HDPE) exhibited the greatest flexural strengths. Furthermore, mechanical properties importantly gained with the addition of nutshell powders in relation to household tea waste content, which increased with low density. Key words: nutshell, household tea waste, HDPE, Thermo-kinetic mixer
ÖZET
Yapılan çalışmada, evsel çay atığı (EÇA) ve fındıkkabuğu (FK) ile dolgulandırılmış yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) kompozit malzemeler üretilmiş ve karakterize edilmiştir. İlk olarak dolgu malzemeleri toz formuna getirilmek amacıyla halkalı değirmen kullanılarak öğütülmüştür. Termo-kinetik (Gelimat) mikser kullanılarak %0-20 arasındaki dolgu karışımları ile %80YYPE matris oranı sabit tutularak polimer kompozitler hazırlanmıştır. Katkı malzemeleri ile hazırlanan YYPE kompozitlerin eğme ve çekme mukavemetleri, kristalografik ve termal özellikleri araştırılmıştır. E kompoziti (%20FK+80YYPE) en iyi eğme dayanımı göstermiştir. Ayrıca FK ve EÇA’nın ilavesi mekanik özellikleri önemli derecede arttırmıştır ve yoğunluğun düşüşünü arttırmıştır.
Anahtar kelimeler: fındıkkabuğu, evsel çay atığı, YYPE, Termo-kinetik mikser GĠRĠġ
Polimer kompozitlere olan ilgi, bu yapıların mekanik özelliklerinin metaller ile yarışabiliyor olmaları, hafiflikleri ve üretim maliyetlerinin az olmasından dolayı her geçen yıl daha da artmaktadır. Bu durum polimer kompozitlerin üretim maliyetlerinin azaltılmasını ve çevreyle daha uyumlu üretilmelerini ihtiyacını da ortaya çıkarmaktadır. Doğal fiberler ile takviyelendirilmiş polimer kompozitlere olan ilgi bu üretim yönteminin daha sürdürülebilir olması ve üretim enerji tüketiminin daha az olmasından dolayı son yıllarda hızlı bir şekilde artmaktadır [1]. Bu amaçla kevlar, koton, sisal, jüt gibi organik katkılar kullanılarak polimer
796 XIX. Ulusal Mekanik Kongresi kullanılmaktadırlar.
Günümüzde atık üretiminin artması atık depolamayı giderek zorlaştırmaktadır. Birçok orman ürününün yanı sıra yiyecek endüstrisinde yapılan işlemler sonucu elde edilen atıklar boş alanlarda atıl olarak bırakılmaktadır. Doğanın korunmasına olumsuz etki eden bu durum araştırmacıları hiçbir ekonomik değeri olmayan atıkları değerlendirmeye yöneltmiştir. Yapılan literatür araştırması göstermiştir ki atıklar kullanılarak yapılan polimer kompozit üretiminde genellikle endüstriyel ve tarımsal atıklar kullanılmaktadır. Diğer önemli atık malzemeler ise haşlanmış çay atığı gibi evsel atıklardır. Çay (Camelia Sinensis), odun dışı bir üründür ve ülkemizde doğu Karadeniz bölgesinde üretimi yapılmaktadır. Bitki üzerinden toplanan yaprakların işlendikten sonra sıcak su ile haşlanmasıyla tüketilen bu içecek Türkiye’nin her yöresinde oldukça popülerdir. Bununla birlikte dünyada da çay kullanımı her yıl artmaktadır ve yıllık 5 milyon ton civarında çay tüketilmektedir. EÇA katı ev atığıdır ve genellikle çöp kutusuna atılmaktadır. Bu atığın değerlendirilmesine yönelik çalışmalar, tekstil endüstrisinde, çevresel (gübre olarak) uygulamalarda yapılmaktadır ve çoğunlukla hayvan yemi olarak değerlendirilmektedir. FK, zirai yan ürün olarak elde edilen geri dönüşebilir ligno-selülozik bir malzemedir. Türkiye istatistik kurumu (TÜİK) verilerine göre Türkiye’nin son 8 yılda ortalama kabuklu fındık üretimi yaklaşık 586bin tondur [9]. Fındığın ağırlıkça meyve: kabuk oranı fındık türüne göre değişmekle birlikte yaklaşık 55:45 civarındadır. Genellikle göreceli olarak düşük değerde olması nedeniyle yakacak, gübreleme, malçlama ve hayvan yemi olarak değerlendirilmektedir [1]. FK’nın polimer kompozit malzemelin üretiminde ligno selülozik takviye malzemesi olarak kullanılması ekonomik olarak değerini arttıracaktır. Evsel atık olan çay atığı ve tarımsal atık olan FK’nın kompozit malzeme üretiminde kullanılması hem ekonomik hem de çevresel polimer kompozit içerisinde katkı olarak kullanılması ekonomik değerini arttırmaktadır. Ayrıca FK gibi ligno-selülozik malzemeler, hem seramik hem de polimer matrislerin içerisine takviyelendirilerek veya katkılanarak önemli hale getirilmektedirler. Bu malzemelerin tamamen veya kolaylıkla geri dönüştürülebilir olması çevreye verilen zararı oldukça düşürmektedir.
MALZEME VE METOTLAR a. Hammaddeler
EÇA Çaykur firmasının Kamelya çayının içecek olarak sıcak suda haşlanması sonrasında ortaya çıkan çay posasının toplanması ile elde edilmiştir. Toplanan çay posaları bir kap içerisinde atık kara suyundan arındırılması amacıyla soğuk suyla 3 defa yıkanmıştır ve daha sonra 80±2o
C’de etüv (Binder ED53) içerisinde kurutulmuştur. Kurutulan çaylar 100µm boyutlara getirilmek amacıyla diskli öğütücü (Retch RS200) kullanılarak 5dakika öğütülmüştür. Öğütme işlemi sonrasında elde edilen toz malzeme elek sarsma cihazı (Retch AS200) ile boyutsal olarak sınıflandırılmıştır.
Deneysel çalışmalarda özellikle Trabzon yöresinde yetiştirilen foşa fındığı kabuğu kullanılmıştır. FK’nın polimer matrise eklenecek boyutlara indirilmesi işlemi diskli öğütücü (Retch RS200) 1000 dev/dakika çalışma hızında 5 dakika sürede öğütülmesiyle elde edilmiştir. Öğütme işlemi sonrasında elde edilen malzeme elek sarsma cihazı (Retch AS200) ile boyutsal olarak sınıflandırılmıştır.
Polimer matris malzemesi olarak kullanılacak 0,965g/cm3 (23oC’de) yoğunluğa ve 5,5g/10dakika erime akış hızına sahip YYPE malzemesi Türkiye Petkim’den tedarik edilmiştir.
Küçükdoğan Öztürk1, Öztürk1 ,Sütçü1
ve Sever1
XIX. Ulusal Mekanik Kongresi 797
b. Kompozitlerin Hazırlanması
Polimer kompozit malzemeler toz formuna getirilmiş EÇA ve FK kullanılarak Çizelge1’de verilen farklı katkı malzemesi:matris (toplam ağırlık 80 gr) oranlarına göre karışımlar hazırlanmıştır. Hazırlanan karışımlara ilk olarak 70ºC’de 1 saat etüv içerisinde nem giderme işlemi yapılmıştır. Nem giderme işlemi sonrasında karışımlar herhangi bir bağlayıcı ajan kullanılmadan Gelimat mikser cihazında homojen olarak karıştırılarak hamur kıvamına getirilmiştir.
Çizelge 1. Çalışılan malzeme karışım oranları BileĢenler (%ağırlık) Kompozit tipi A B C D E EÇA FK YYPE-matriks 20 0 80 15 5 80 10 10 80 5 15 80 0 20 80
Gelimat mikserden homojen olarak hamur kıvamında alınan malzeme polimer kalıbı içerisine konulduktan sonra sıcaklık ve basınç kontrollü bir sıcak pres (Fontijne LabEcon) kullanılarak plaka şeklinde üretilmiştir. Kalıplama işlemi 175±2oC sıcaklıkta 10 dakika 5MPa basınç
altında uygulanarak 100mmx100mmx2mm nominal boyutlarında kompozitler üretilmiştir. İşlem sırasında elde edilen hamur, metal kalıba parafinli kağıt kullanılarak direk olarak konularak işlem gerçekleştirilmiştir. Analiz ve testlerin gerçekleştirilmesi için kalıplanan kompozitler, ISO ve ASTM standartlarına uygun şekilde test edilmişlerdir.
c. Mekanik Özellikler
Kompozit malzemelere çekme testleri uygulanarak çekme mukavemeti, young modülü ve yüzde (%) uzama oranı çekme test cihazı (Shimadzu AGS-X Series) kullanılarak belirlenmiştir. Üretilen kompozit plakalar, özel olarak hazırlanmış çekme kalıplarından yararlanılarak elde edilmiştir. Çekme testleri oda sıcaklığında 1mm/dakika çekme hızında ASTM D3039 standardına uygun olarak gerçekleştirilmiştir.
Üç nokta eğilme testi, üniversal çekme cihazında (Shimadzu AGS-X Series) eğilme test aparatı kullanılarak ASTM D790 standardına uygun olarak yapılmıştır. Eğilme testlerinde kullan mesnetler arası mesafe (span) 80mm ve eğilme hızı 1.3mm/dakika olarak, en az 5 numuneye uygulanmıştır.
d. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM)
Kompozit malzeme üretiminde kullanılan FK ve EÇA’nın morfolojik olarak incelenmesinde taramalı elektron mikroskobu (Coxem EM-20) cihazıyla elde edilmiştir. Öncelikle incelenecek numuneler iyon kaplama cihazında (Coxem KIC-1A) nano boyutlarda altın kaplanarak elektriksel iletkenlikleri sağlanmıştır.
e. Termogravimetrik Analiz (TGA)
Uygulanan analizler Perkin Elmer STA 8000 cihazında, 20o
C’den 600oC’ye uzanan aralıkta 10oC dak-1 sabit ısıtma hızında ve N2 inert atmosferinde gerçekleştirilmiştir.
798 XIX. Ulusal Mekanik Kongresi
testlerinde kompozitler arasında istatiksel olarak farklılıklar olduğu Çizelge 2 incelendiğinde gözlemlenmektedir. Genel olarak, mekanik özelliklerin davranışı, elde edilen ortalama değerlere yakın özellikler sergilemektedir. Polimer matris malzeme olan YYPE’nin elastik modül değerleri ile üretilen kompozitlerin elastik modül değerleri karşılaştırıldığında yaklaşık 2,5 kat artış olduğu ve bu artışın E kompozitinde gerçekleştiği görülmektedir. E kompozitinin elastik modül değerleri, A kompozitinin elastik modül değerinden yaklaşık %10 daha yüksektir. Bu nedenle, kompozitlere FK katılması elastik modül değerinde artış sağlayarak malzemenin dayanımını arttırmaktadır.
Çizelge 2. Kompozitlerin mekanik özellikleri
Kompozit Elastik modül (MPa) Çekme dayanımı (MPa) Eğme dayanımı (MPa)
Saf YYPE 798.002±33.829 21.654±0.679 29.247±0.693 A 1949.414±56.380 19.338±0.201 30.295±0.860 E 2140.366±38.877 18.072±0.685 28.810±0.535 B 1939.253±30.870 19.592±0.216 29.782±0.611 C 2062.886±15.002 18.894±0.361 29.589±0.687 D 2084.223±53.389 19.131±0.745 29.210±0.587 Üretilen kompozitlerin çekme ve eğme dayanımları matris polimer malzemesi olan YYPE ile kıyaslandığında %2-3 değişimlerin olduğu gözlemlenmiştir. Magalhaes ve ark. dolgu malzemelerinin düzensiz şekillerde bulunması polimer matriste gerilim iletimini desteklememektedir. Bu durumda, birleştirilmiş malzemeler dolgu maddesinden çok takviye malzemesi görevini görmektedir. Yapılan çalışmada, FK katkısı da benzer şekilde elastik modülün de önemli bir artışa sebep olmuş ve kompozit içerisinde takviye malzemesi olarak görev yapmıştır.
Şekil 1a’daki SEM görüntüleri incelendiğinde FK tozlarının elipsoid görüntüde ve tane boyutlarının homojene yakın olduğu görülmektedir. Şekil 1b’deki EÇA tozunun SEM görüntüleri incelendiğinde ise 10µm altı ve yaklaşık 100µm boyutlarda tanelerin bir arada olduğu gözlemlenmiştir. FK ve EÇA aynı öğütme parametreleri kullanılarak öğütülmüştür fakat EÇA’nın çalışılan parametreler ile FK’ya oranla daha fazla öğütüldüğü ve tane boyutunun 10µm altına indiği gözlemlenmiştir ayrıca büyük tanelerin çay atığının lifli bölgelerinin (çay yaprağı sapı) öğütülmesi ile oluştuğu belirlenmiştir.
Küçükdoğan Öztürk1, Öztürk1 ,Sütçü1
ve Sever1
XIX. Ulusal Mekanik Kongresi 799
Şekil 1. Katkı malzemelerinin SEM görüntüleri, a) Fındıkkabuğu b) Evsel çay atığı tozu Literatürde, doğal fiberler ile ilgili pek çok araştırma yapılmıştır ve bu araştırmalar göstermiştir ki doğal fiberlerin termal dengelerinin tanımlanmasında yapılarında bulunan selüloz, hemi-selüloz ve lignin miktarları önemli rol oynamaktadır. Mohan ve ark. göre ligno-selülozik malzemelerin temel bileşeni olan lignin, doğal malzemelerin %16-33’ünü oluşturmaktadır. Üç bileşen arasından lignin en zor termal bozunmaya uğramaktadır. Lignin bozunma sıcaklığı 280-500°C aralığında gerçekleşmektedir. Selülozdan daha düşük moleküler ağırlığa sahip olan hemi-selüloz, tekrar eden sakkarit monomerleri yaklaşık 150 iken selülozun 5000-10000 aralığında değişmektedir. Bu nedenle, hemi-selülozun termal bozunma sıcaklığı 200-260°C arasında gerçekleşmekte ve selülozdan daha düşük sıcaklıklarda meydana gelmektedir [13, 14].
Şekil 2a ve b’de sırasıyla FK ve EÇA’nın TGA analizi sonuçları verilmiştir. Her iki doğal atıkta benzer olarak 220-500°C aralığında hızlı bir şekilde kütle kaybına uğramıştır. Yapılan testler sonucu %28-30 kül miktarı değerine ulaşılmıştır. Termal bozunma sıcaklık değerleri Çizelge 3’te verilmiştir. FK için temel bozunma sıcaklığı 356°C iken EÇA için 365°C’dir. Daha önceki çalışmalarla kıyaslandığında selülozun bozunduğu sıcaklık aralığı 240-370°C olduğu gözlemlenmektedir.
Şekil 2. TGA analiz sonuçları, a)Fındıkkabuğu, b) Evsel çay atığı
Her iki organik atık yaklaşık %10-12 miktarlarında fiziksel su içerdiği TGA analiz sonuçları incelendiğinde belirlenmektedir. Ayrıca 1000°C’deki kül miktarlarının belirlenmesi çalışmaları da yapılmıştır ve FK için %20 ve EÇA için %18 olarak belirlenmiştir.
Çizelge 3. Katkı malzemelerinin TGA verileri Kütle
kaybı %10 %50 %70 %kül içeriği
FK 122 C° 365 C° 512 C° 20
EÇA 265 C° 402 C° 595 C° 18
%20 FK ve EÇA ile katkılandırılmış kompozitlerin derivatif termogravimetrik (DTG) eğrileri Şekil 3’te verilmiştir. FK’nin temel bozunması 163 C°’de başlamış ve 395°C’de bitmiştir. EÇA’nın temel bozunması 198°C’de başlamış ve 401°C’de bitmiştir. Bu iki malzemenin temel bozunma sıcaklığının maksimum değerleri doğal fiberlere göre oldukça yüksek termal stabilite değerleri olarak FK için 354°C ve EÇA için 361°C olarak belirlenmiştir. Her iki katkı malzemesinin %20 katkılanması ile üretilen kompozitlerin TGA eğrileri incelendiğinde her
800 XIX. Ulusal Mekanik Kongresi
bozunma sıcaklıkları olmasından dolayı birincil bozunmanın selülozun dehidrasyonundan kaynaklandığı düşünülmektedir. FK ve EÇA’nın ikincil ve temel bozunma sıcaklıkları ise sırasıyla 390°C ve 392°C’dir.
Şekil 3. %20 katkılı kompozitlerin TGA sonuçları, a) EÇA/YYPE b) FK/YYPE SONUÇLAR
Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki FK ve EÇA katkısı ile üretilen kompozitlerin saf YYPE ile kıyaslandığından çekme ve basma mukavemetleri değişmese de elastik modülü yaklaşık 2.5 kat artmıştır. Saf YYPE’nin temel bozunma başlangıç sıcaklığı yaklaşık 390C’dir. FK ve EÇA’nın %20 katkılandırılması ile üretilen kompozitlerin TGA grafikleri incelendiğinde temel bozunma başlangıç sıcaklığının her iki ilavede de 400C’nin üzerine çıktığı gözlemlenmektir ve bu sonuçlar göstemektedir ki FK ve EÇA katkıları YYPE’nin termal stabilite sıcaklığını arttırmaktadır. Yapılan bu çalışmalar ile ekonomik değeri olmayan organik katkıların katma değeri olan ürün üretiminde kullanılabiliyor olmasının yanı sıra elde edilen sonuçlar her iki katkı malzemesi de YYPE’nin mekanik ve termal özelliklerini iyileştirmiştir.
Küçükdoğan Öztürk1, Öztürk1 ,Sütçü1
ve Sever1
XIX. Ulusal Mekanik Kongresi 801
KAYNAKLAR
[1] N. Sutivisedsak, H. N. Cheng, , C.S. Burks, J. A. Johnson, J.P. Siegel, E.L. Civerolo, & A. Biswas, Use of nutshells as fillers in polymer composites. Journal of Polymers and the
Environment. 20(2) (2012) 305-314. doi:10.1007/s10924-012-0420-y.
[2] S.J. Eichhorn, C.A. Baillie, N. Zafeiropoulos, L.Y. Mwaikambo, M.P. Ansell, A. Dufresne, P.M. Wild, Review: current international research into cellulosic fibres and composites, Journal of Materials Science. 36(9) (2001) 2107-2131. doi:10.1023/A1017512029696.
[3] N. Saba, M.T. Paridah, M. Jawai, Mechanical properties of kenaf fibre reinforced polymer composite: A Review, Construction and Building Materials. 76 (2015) 87–96. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.11.043.
[4] Y. Xu, Q. Wu, Y. Lei, F. Yao, Creep behavior of bagasse fiber reinforced polymer composites, Bioresource Technology. 101 (2010) 3280–3286. doi:10.1016/j.biortech.2009.12.072.
[5] D. Verma, The use of coir/coconut fibers as reinforcements in composites, Biofiber
Reinforcements in Composite Materials. (2015) 285-319. doi:10.1533/9781782421276.3.285.
[6] A. Nourbakhsh, A. Ashori, Wood plastic composites from agro-waste materials: Analysis of mechanical properties. Bioresource Technol. 101(7) (2010) 2525-8. doi:10.1016/j.biortech.2009.11.040.
[7] S. Ersoy, H. Küçük, Investigation of industrial tea-leaf-fibre waste material for its sound absorption properties, Applied Acoustics. 70(1) (2009) 215-220. doi:10.1016/j.apacoust.2007.12.005.
[8] L. Yusriah, S.M. Sapuan, E.S. Zainudin, M. Mariatti, M. Jawaid, Thermo‐physical, thermal degradation, and flexural properties of betel nut husk fiber reinforced vinyl ester composites, Polymer Composites. (2015). doi:10.1002/pc.23379.
[9] Fındık üretim miktarı, Türkiye İstatistik Kurumu, (2014). http://www.tuik.gov.tr/ Ust Menu.do?metod=temelist (ulaşım Şubat 25, 2015).
[10] B.D. Mattos, A.L. Misso, P.H. Cademartori, E.A. Lima, W.L. Magalhães, D.A. Gatto, Properties of polypropylene composites filled with a mixture of household waste of mate-tea and wood particles, Construction and Building Materials. 61 (2014) 60-68. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.02.022.
[11] M.M. Haque, M. Hasan, M.S. Islam, M.E. Ali, Physico-mechanical properties of chemically treated palm and coir fiber reinforced polypropylene composites, Bioresource
Technology. 100(20) (2009) 4903-4906. doi:10.1016/j.biortech.2009.04.072.
[12] O. Faruk, A. K. Bledzki, H. P. Fink, M. Sain, Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000–2010, Progress in Polymer Science. 37(11) (2012) 1552-1596. doi:10.1016/j.progpolymsci.2012.04.003.
[13] H. Yang, R. Yan, H. Chen, D.H. Lee, C. Zheng, Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis, Fuel. 86.12 (2007) 1781-1788. doi:10.1016/j.fuel.2006.12.013. [14] D. Mohan, C.U. Pittman, P.H. Steele, Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil: a critical review, Energy Fuel. 20(3) (2006) 848–89. doi: 10.1021/ef0502397.
