Cam Elyaf Takviyeli Polyester (CTP) Atıklarının Geri Kazanımı

Şubat 05, 2018, 9:49 am
17 dakika

 

Sibel Yıldız
Ar-Ge Mühendisi
Polin Waterparks

 

 

 

 

Selen Gül Güzeliş
Ar-Ge Mühendisi
Polin Waterparks

 

 

 

 

 

Doç. Dr. Bağdagül Karaağaç
Kimya Mühendisliği Bölümü
Kocaeli Üniversitesi

 

 

 

Özet
CTP esaslı kompozit üretiminde temel olarak, kenar kesimi, şekillendirme, montaj deliği açılması gibi aşamalarda çeşitli
boyutlarda son ürün atıkları ortaya çıkmaktadır. Türkiye’de yılda yaklaşık 2500 ton, dünyada ise 166000 ton civarında CTP
atık çıkmaktadır. Söz konusu atıklar genellikle boyutu küçültüldükten sonra yakılarak, ardından özel sahalara gömülerek ya
da yaygın olmamakla birlikte çimento ve inşaat gibi sektörlerde dolgu maddesi olarak kullanılmak amacıyla, ek bir maliyet
karşılığında bertaraf edilmektedir. Bu çalışmada, atığın öğütülerek yeni üretilen CTP esaslı ürün içinde kullanıldığı durumda,
tane boyutu ve atık miktarı gibi parametreler, malzeme özellikleri üzerindeki etkileri açısından sistematik olarak incelenmiştir.

1. Giriş
Polimerik kompozitler; termoset veya termoplastik yapıda, tek ya da çok yönde takviye özelliği sağlayacak şekilde, cam elyafı
ve/veya diğer takviye malzemelerinden yeterli miktarda (uzunluk ve ağırlıkça) katılmış polimerik matrislerdir. Cam elyaf takviyeli
plastik (CTP), cam elyaf ile takviye edilmiş doymamış polyester reçineden üretilen, yüksek dayanımlı bir kompozit malzemedir.
Havacılık/uzay/savunma ve spor/eğlence alanlarındaki uygulamalar, CTP’lerin en yüksek katma değerisağlayan uygulamalar
olarak gösterilebilir [1].

CTP esaslı kompozit üretiminde kenar kesimi, şekillendirme gibi aşamalarda çeşitli boyutlarda son ürün atıkları ortaya çıkmaktadır.
Polin Su Parkları A.Ş. bünyesinde yılda yaklaşık 200, Türkiye’de 2500, dünyada ise 166.000 ton atık çıkmaktadır. Söz konusu
atıklar genellikle boyutu küçültüldükten sonra yakılarak ardından özel sahalara gömülerek bertaraf edilmekte ya da yaygın
olmamakla birlikte çimento ve inşaat gibi sektörlerde dolgu maddesi olarak kullanılmak amacıyla, ek bir maliyet karşılığında
bertaraf edilmektedir. Hem ulusal, hem de uluslararası alanda atığın bertarafı ve değerlendirilmesi için uygulanan prosedürler
mevcut durumda benzerlik göstermektedir. Yakılarak bertaraf esnasında mikronize karbon partikülleri, polisiklik aromatik
hidrokarbonlar (PAH), karbon monoksit gibi kanserojen olabilen atıklar ve küresel ısınmaya yol açan CO2 gazı açığa çıkmaktadır.
Gömme işlemi ise toprağın kirlenmesine sebep olmaktadır [2].

Literatürde CTP esaslı atıkların yeniden kullanımına yönelik çalışmalar temel olarak ikiye ayrılmaktadır. Bunlar; atığın öğütülerek
doğrudan kullanımına yönelik çalışmalar ve atığın içerdiği elyafı geri kazanmak üzere yapılan çalışmalardır. Correria ve Almeida’nın
çalışmalarında, ince öğütülmüş (<100 μm) atık CTP tozunun doğrudan hacimce %0, 5, 10, 15, 20 oranlarında beton karışımında
kum yerine kullanımını denemiştir. %5’e kadar olan kullanımında CTP tozunun betonun elastikiyetini iyileştirdiği, böylece çatlama
eğilimini azalttığı görülmüştür [3]. Cunliffe ve Williams’ın yaptıkları çalışmada CTP’ye 450°C’de sabit yataklı reaktörde piroliz
uygulanmıştır. DMC’lerde (dough moulding compound) katı atıktan kurtarılan cam elyafın %20 oranına kadar yeni cam elyaf
yerine kullanılabileceğini göstermiştir [4]. Iwaya ve arkadaşları CTP içindeki polyester reçineyi etkin bir şekilde depolimerize
edebilecek ve elyafı dolgu ve reçineden ayırabilecek superkritik solvent ile çalışılmışlardır. Polyesterin dönüşümü, katalizör
varlığında katalizör/solvent molar oranı arttıkça hızlanmıştır [5]. Kao ve arkadaşlarının yaptıkları çalışmada solvoliz (hidroliz)
teknolojisi ile geri kazanılan cam elyafların mekanik performansa etkisi incelenmiştir. Polyester reçineyi çözmek ve cam elyafı
geri kazanmak için yapılan kimyasal reaksiyonda altkritik (subcritical) su kullanılmıştır [6]. Kennerley ve arkadaşlarının yaptıkları
çalışmada cam elyaf, 450°C’de akışkan yataklı reaktör kullanılarak SMC atığından ayrılmıştır. %50 oranında kullanıma kadar ise
fiziksel ve mekanik özelliklerde önemli bir değişim gözlenmemiştir [7]. CTP’nin tamamen ya da kısmen geri kazanıldığı çok sayıda
çalışma olmakla birlikte, çalışmaların çok büyük bir kısmı ana hatlarıyla, yukarıda özetlenen çerçevede gerçekleştirilmiştir.
Literatürde hem elyaf hem de reçinenin birlikte yeni karışımlarda değerlendirildiği sistematik bir çalışmaya rastlanmamıştır.

Bu çalışmada, atığın öğütülerek yeni üretilen CTP esaslı ürün içinde kullanıldığı durumda, tane boyutu ve atık miktarı gibi
parametreler, malzeme özellikleri üzerindeki etkileri açısından sistematik olarak incelenmiştir. Malzeme değeri oldukça yüksek
olan bu atıkların, yeni üretilen CTP ürün içinde, uygun tane büyüklüğünde ve/ veya uyumluluğunun geliştirilmesi yoluyla matris-atık
etkileşimi arttırılıp kullanımının, atıkların katma değerinin arttırılabilmesi ve olumsuz çevresel etkilerinin giderilmesi anlamında
önemli bir katkı olabileceği düşünülmektedir.

2. Yöntem
Atık malzeme, üretim hurdalarının doğrudan öğütülmesi ile hazırlanmıştır. 300 μm, 1 mm ve 3 mm boyutlarındaki öğütülmüş atık,
taze polyester reçine içerisine %5, 10, 15 ve 20 oranlarında eklenmiştir. Kompozit örnekler, keçe elyafın atık içeren reçine ile
işlenmesiyle, el yatırması yöntemiyle hazırlanmıştır. Öğütülmüş atık içeren numunelerin karakterizasyonu için çekme, üç nokta
eğme, darbe, kısa kiriş dayanımı ve kül fırınında yakma testleri yapılmıştır. Bununla birlikte, atık ilavesinin reçine kür profiline
etkisini incelemek için jel ve kür süreleri ile pik kür sıcaklığı ölçümü yapılmıştır. Hazırlanan kompozit örneklerinin bileşimleri ve
kodları Tablo 2.1’de verilmiştir.

Tablo 2.1.Hazırlanan kompozit örneklerinin bileşimleri ve kodları

3. Bulgular ve Tartışma
3.1. Mekanik Özellikler
Hazırlanan kompozit örneklerinin mekanik özellikleri Tablo 3.1.’de verilmiştir.

 

Artan atık miktarı ile, malzeme mekanik dayanımında beklendiği şekilde kısmi düşüşler gözlenmiştir. Bu durum, CTP atığının
sadece fiziksel olarak geri kazanımı sonucunda, taze polyester reçine ile kimyasal olarak ilgisi bulunmadığından dolayı
atık-matris arayüzeyinin zayıf olması ile açıklanabilir. %20 oranında 3 mm atık kullanımında çekme ve eğme dayanımlarında
ortalama %50, darbe dayanımında ise ortalama %45’lik bir düşüş gözlenmiştir. Bununla birlikte, kullanılan atık boyutunun
artışıyla genel olarak mekanik özelliklerde kayıp meydana gelmiştir. Mekanik dayanımlardaki düşüş tane boyutunun küçültülmesi
ile azaltılabilmektedir.

Atık ilavesinin bir başka önemli etkisi de matris viskozitesinin artması sonucu aynı orandaki elyafın ıslantılabilmesinde daha yüksek
miktarda reçine gereksinimidir. Hazırlanan kompozit örneklere 650oC’de kül fırın testi yapılarak içeriklerindeki elyaf miktarları
belirlenmiştir. Atık kullanılmadığı durumda kompozit içerisindeki elyaf içeriği %45,3 iken bu değer atık kullanımının ve tane
boyutunun artışı ile birlikte azalmaktadır. Kompozit malzeme içerisine 3 mm tane boyutunda %20 oranında atık girildiğinde elyaf
miktarı %24,3 olarak ölçülmüştür. Bu durum, CTP atığının ortalama %25 oranında elyaf içermesine ve reçine içerisindeki atık
oranı artışı ile viskozitenin artması sonucu elyafların ıslanması için daha fazla reçineye ihtiyaç duyulması ile açıklanabilir.

Atık kullanımı ile birlikte kompozit içerisindeki elyaf oranları azaldığı için sabit bir elyaf oranında taze atık ve polimerik matris
oranının mekanik özellikler üzerindeki  etkisini değerlendirebilmek için test sonuçları sabit elyaf oranına göre normalize edilmiş,
çekme, eğme ve darbe dayanımları tekrar değerlendirilmiştir (Şekil 3.1, Şekil 3.2, Şekil 3.3). Normalize edilen grafikler
incelendiğinde, gerçekte sadece atıktan faydalanılması sonucu malzeme özelliklerindeki kayıpların, Tablo 2’de raporlanan
değişimlere kıyasla daha makul seviyelerde olduğu anlaşılmaktadır. Bu etki, icelenen örneklerin darbe dayanımı üzerinde de
benzer olmakla birlikte, atığın tane boyutunun artmasıyla birlikte darbe dayanımındaki kayıp oranının düşmesi dikkat çekici bir
bulgudur. Darbe sırasındaki kırılma mekanizmasının aydınlatılması için kırılma yüzeylerinin morfolojik incelemeleri devam
etmektedir.

3.2. Fiziksel Özellikler
Atık kullanımının reçinenin kür profiline ve fiziksel özelliklerine etkisini incelemek amacı ile referans ve atık içeren reçinelerin jel
süresi, pik kür sıcaklığı, pik kür süresi, vizkozitesi, lineer büzülmeleri ve sertlikleri ölçülmüştür. Test sonuçlarına göre atık ilavesi
ile jel ve kür süresinin azaldığı görülmüştür. Bu durum, atık içerisinde de çapraz bağlayıcı bulunmasına bağlanabilir. Pik kür
sıcaklığının azalması ise, atık oranı artışı ile yığın polyester miktarının azalmasından kaynaklanmaktadır. Atık kullanımının artışı ile
viskozite ve sertlik değerleri artmıştır. Post-kür uygulanmadan önceki ve sonraki lineer büzülme değerleri incelendiğinde ise atık
ilavesinin karma içerisinde dolgu gibi davranarak polyesterin lineer çekme değerini azalttığı görülmüştür. Kompozit örneklerin
hazırlanmasında kullanılan atık içeren ve içermeyen reçinelerin fiziksel özellikleri Tablo 3.3’te verilmiştir.

4. Sonuçlar
Bu çalışmada, atığın öğütülerek yeni üretilen CTP esaslı ürün içinde kullanıldığı durumda, tane boyutu ve atık miktarı gibi
parametreler, malzeme özellikleri üzerindeki etkileri açısından sistematik olarak incelenmiştir. Kompozit örneklerde kullanılan
atığın hem oranının hem de tane boyutunun artışı ile mekanik dayanımda azalma gözlenmiştir. CTP atığı sadece fiziksel
işlemden geçerek toz haline getirildiği için kimyasal bağlanmaya katılmayarak karma içerisindeki çağrazbağ derişimini
düşürmektedir. Bu da mekanik dayanımda düşüşe sebep olmaktadır. CTP atığının ortalama %25 oranında elyaf içermesine ve
reçine içerisindeki atık oranı artışı ile viskozitenin artması ile birlikte elyafların ıslanması için daha fazla reçineye ihtiyaç duyulması,
atık kullanımının ve tane boyutunun artışı ile birlikte elyaf miktarında azalmaya yol açmaktadır. Bu sebeple mekanik değerler elyaf
oranı sabit tutularak normalize edilmiş ve elyaf içeriği atık kullanılmadığı durum ile aynı olduğunda çekme ve eğme dayanımlarında
referans kompozit değerlerine yakın değerler elde edilmiştir.

Çalışmanın devamında yapay sinir ağları ile modelleme yapılarak tolere edilebilir fiziksel ve mekanik özelliklere sahip, en yüksek
atık içerecek CTP bileşimi belirlenecektir. Atık içeren ürünlere ait geniş bir kullanım alanı aralığı hazırlanacak, alternatif ürün
spektleri tanımlanacaktır.

Kaynaklar 
1. Yurddaş Ç., Afşar E., CTP Teknolojisi, Cam Elyaf Sanayii A. Ş., http://www.camelyaf.com.tr/images/pdf/CTPcamelyaf. pdf
(Ziyaret tarihi: 02 Kasım 2015).
2. EuCIA, Composites Recycling Made Easy, http://www.avk-tv.de/files/20130212_recycling_made_easy.pdf (Ziyaret tarihi:
11.08.2017)
3. Correia J. R., Almeida N. M., Figueira J. R., Recycling of FRP Composites: Reusing Fine GFRP Waste in Concrete Mixtures,
Journal of Cleaner Production, 2011, 19, 1745-1753.
4. Cunliffe A. M., Williams P. T., Characterisation of Products From The Recycling of Glass Fibre Reinforced Polyester Waste By
Pyrolysis, Fuel, 2003, 82, 2223-2230.
5. Iwaya T., Tokuno S., Sasaki M., Goto M., Shibata K., Recycling of Fiber Reinforced Plastics Using Depolymerization By
Solvothermal Reaction With Catalyst, J Mater Sci, 2012, 43, 2008, 2452-2456.
6. Kao C. C., Ghita O. R., Hallam K. R., Heard P. J., Evans K. E., Mechanical Studies of Single Glass Fibres Recycled From
Hydrolysis Process Using Sub-Critical Water, Composites Part A, 2012, 43, 398-406.
7. Kennerley J. R., Kelly R. M., Fenwick N. J., Pickering S. J., Rudd C. D., The Characterisation and Reuse of Glass Fibres
Recycled From Scrap Composites By The Action of a Fluidised Bed Process, Composites Part A, 1998, 29A, 839-845.

 

 

  • (gizli tutulacaktır)