Utilization of beech wood flours obtained after thinning and beech cupula in wood plastic composite (WPC) production

Abstract

This study aims to determine the effects of the evaluation of beech woods obtained from thinning, which are in the firewood class, and also beech cupulas as a filler in the manufacturing of wood plastic composite (WPC) on the technological properties of the composites. For this purpose, polypropylene (PP) based WPC production was carried out with the usage of 2 different fillers rate (0 or 50%) and three different types of lignocellulosic fillers (50% beech, 25% beech + 25% cupula or 50% cupula). In addition, maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP) in 2 different ratios (0% and 3%) was used as a compatibilizing agent and the effects of MAPP usage were investigated. The mechanical (tensile strength, elongation at break, flexural strength, modulus of elasticity and impact strength) and physical (density and hardness) properties of the produced WPCs were determined in accordance with the relevant standards. As a result, when the lignocellulosic fillers were compared within themselves, it was seen that the highest mechanical properties were obtained with the usage of beech wood flour. The mechanical strength properties were negatively affected by the addition of cupula flours into the composite materials, and the mechanical properties were negatively affected by the increase in the cupula rates. Generally, the usage of MAPP has improved the mechanical properties of the WPCs. In Composite groups produced by using only beech wood flour together with MAPP, the highest values were obtained in all mechanical properties except elongation at break, and significant increases were observed compared to the control group. As a result of the study, PP-based WPC productions, in which beech wood flours and cupula flours are used as fillers, have been successfully carried out. It is thought that better performance will be achieved when beech wood flours are used alone or their cupulas are used together with beech wood flours and less than 25%.

Keywords

• WPC
• MAPP
• Oriental beech
• Beech cupula
• Thinning

Aralama çalışması sonrasında elde edilen kayın odunlarının ve kupulasının odun plastik kompozit (OPK) üretiminde değerlendirilmesi

Abstract

Bu çalışma kapsamında aralama çalışması sonucunda yakacak odun sınıfında bulunan kayın odunlarının ve kayın kupulalarının odun plastik kompozit (OPK) üretiminde dolgu maddesi olarak değerlendirilmesinin üretilecek olan kompozitlerin teknolojik özellikleri üzerine etkilerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda 2 farklı dolgu maddesi kullanım oranı (%0 veya %50) ve 3 farklı tipte lignoselülozik dolgu maddesi kullanımı (%50kayın, %25kayın+%25kupula veya %50 kupula) ile polipropilen (PP) bazlı OPK üretimleri gerçekleştirilmiştir. Bunun yanı sıra 2 farklı oranda (%0 ve %3) maleik anhidrit aşılanmış polipropilen (MAPP) uyumlaştırıcı ajan olarak kullanılmış ve MAPP kullanımının etkileri incelenmiştir. Üretilen OPKların mekanik (çekme direnci, kopmada uzama, eğilme direnci, eğilmede elastikiyet modülü ve darbe direnci) ve fiziksel (yoğunluk ve sertlik) özellikleri ilgili standartlara uygun olarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar neticesinde lignoselülozik dolgu maddelerini kendi içerisinde karşılaştırıldığında kayın odun unlarının kullanımı ile en yüksek mekanik özelliklerin elde edildiği, kupula unlarının kompozit malzemelerin içerisine eklenmesi ile mekanik direnç özelliklerin negatif etkilendiği ve kupula kullanım oranının artması ile mekanik özelliklerinde negatif yönde etkilenmesinin arttığı görülmüştür. Genel olarak MAPP kullanımı üretilen OPKların mekanik özelliklerini iyileştirmiştir. Sadece kayın odun unlarının MAPP ile birlikte kullanılması ile üretilen Kompozit gruplarında kopmada uzama özelliği hariç tüm mekanik özelliklerde en yüksek değerler elde edilmiş ve kontrol grubuna nazaran belirgin artışlar gözlemlenmiştir. Çalışma neticesinde kayın odun unları ve kupula unlarının dolgu maddesi olarak kullanıldığı PP-bazlı OPK üretimleri başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Kayın odun unların tek başına, kupulalarının ise kayın odun unları ile birlikte ve %25 oranından daha az kullanılması ile daha iyi performans yakalanacağı düşünülmektedir.

Keywords

• OPK
• MAPP
• Fagus orientalis
• Kayın kupulası
• Aralama çalışması

Thanks

Yazarlar Sayın Prof. Dr. Fatih Mengeloğlu’na ve laboratuvar ekibine bu çalışmanın gerçekleştirilmesindeki katkılarından dolayı teşekkür etmektedirler.

References

1. Acar, H., 2014. MDF tozu ve pirinç sapı atıklarının termoplastik kompozitlerin üretiminde değerlendirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kahramanmaraş.
2. Adusumalli, R.B., Weber, H.K., Roeder, T., Sixta, H. and Gindl, W., 2010. Evaluation of experimental parameters in the microbond test with regard to lyocell fibers. J Reinf Plast Compos, 29:2356–2367. https://doi.org/10.1177/0731684409349929
3. ASTM D1238-10. 2013. Standard test method for melt flow rates of thermoplastics by extrusion plastometer. West Conshohocken, PA, USA.
4. ASTM D1505-18. 2018. Standard test method for density of plastics by the density-gradient technique. West Conshohocken, PA, USA.
5. ASTM D2240. 2017. Standard test method for rubber property-durometer hardness. West Conshohocken, PA, USA.
6. ASTM D256. 2010. Standard test for determining the izod pendulum impact resistance of plastics. West Conshohocken, PA, USA.
7. ASTM D3417-99. 2004. Standard test method for enthalpies of fusion and crystallization of polymers by differential scanning calorimetry (DSC). West Conshohocken, PA, USA.
8. ASTM D638. 2010. Standard test for tensile properties of plastics. West Conshohocken, PA, USA.

9. ASTM D648-18. 2018. Standard test method for deflection temperature of plastics under flexural load in the edgewise position. West Conshohocken, PA, USA.
10. ASTM D6662. 2001. Standard Specification for Polyolefin-Based Plastic Lumber Decking Boards. West Conshohocken, PA, USA.
11. ASTM D785-08. 2015. Standard test method for rockwell hardness of plastics and electrical insulating materials. West Conshohocken, PA, USA.
12. ASTM D790. 2010. Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. West Conshohocken, PA, USA.
13. ASTM D792. 2008. Standard test methods for density and specific gravity (relative density) of plastics by displacement. West Conshohocken, PA, USA.
14. Avcı, E., 2012. Ahşap plastik kompozitlerin kullanım performansları üzerine araştırmalar. Doktora tezi, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
15. Balatinecz, J.J., Woodhams, R.T., 1993. Wood-plastic composites, doing more with less. Journal of Forestry, 91(11): 22-26.
16. Başboğa, İ.H., Atar, İ., Karakuş, K., Mengeloğlu, F., 2020. Determination of some technological properties of injection molded pulverized‑hdpe based composites reinforced with micronized waste tire powder and red pine wood wastes. Journal of Polymers and the Environment, 28: 1776–1794. https://doi.org/10.1007/s10924-020-01726-7
17. Boran Torun, S., Peşman, E., Dönmez Çavdar, A., 2019. Effect of alkali treatment on composites made from recycled polyethylene and chestnut cupula. Polymer Composites, 40(11): 4442-4451.
18. Botros, M., 2003. The Effect of advanced maleic anhydride coupling agents on the performance of wood-plastic composites. Proceedings of Wood-Plastic Composites Conference, Vienna, Austria.
19. Carus, M., Eder, A., Dammer, L., Korte, H., Scholz, L., Essel, R., Breitmayer, E. Barth, M., 2015. Biocomposites: 352,000 t of wood and natural fibre composites produced in the european union in 2012 – executive summary. Wood-Plastic Composites (WPC) and Natural Fibre Composites (NFC): European and Global Markets 2012 and Future Trends in Automotive and Construction, Nova Institute, Hürth, Germany.
20. Çavuş, V., Mengeloğlu, F., 2017. The effect of lignocellulosic filler types and concentrations on the mechanical properties of wood plastic composites produced with polypropylene having various melt flowing index (MFI). Pamukkale Univ. Muh. Bilim Derg, 23(8): 994-999.
21. Dönmez Çavdar, A., 2011. Farklı lignoselülozik ve termoplastik maddelerle üretilen odun-plastik kompozitlerin özelliklerinin incelenmesi. Doktora tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon.
22. Gassan, J., Bledzki, A.K., 2000. Possibilities to improve the properties of natural fiber reinforced plastics by fiber modification - jute polypropylene composites. Appl Compos Mater, (7): 373–385. https://doi.org/10.1023/A:1026542208108
23. Johnson, B., 2020. Wood plastic composite (WPC) market production values and generate revenue of USD 9953.8 million with a CAGR of 9.5% worldwide By 2030. Apnews, https://apnews.com/press-release/wired-release/technology-business-virus-outbreak-corporate-news-diseases-and-conditions-600ee4b4fd2f0b7b0ce7de3214906333, Accessed: 07.02.2022
24. Karakuş, K., 2008. Üniversitemizdeki polietilen ve polipropilen atıkların polimer kompozit üretiminde değerlindirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kahramanmaraş.
25. Karmarkar, A., Chauhan, S.S., Modak, J.M., Chanda, M., 2007. Mechanical properties of wood–fiber reinforced polypropylene composites: Effect of a novel compatibilizer with isocyanate functional group. Compos Part A Appl Sci Manuf, (38): 227–233. https://doi.org/10.1016/J.COMPOSITESA.2006.05.005
26. Kattas, L., Gastrock, F., Levin, I., Cacciatore, A., 2000. Plastic Additives in Modern plastics handbook. The McGraw-Hill Companies, USA.
27. Kayhan Saygılı, E., 2011. Hopa Cankurtaran mevkii kayin meşcerelerinde farkli aralama derecelerinin büyüme ve biyokütle üzerine etkileri. Yüksek Lisans Tezi, Artvin Çoruh Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Artvin.
28. Matuana, L.M., Jin, S., Stark, N.M., 2011. Ultraviolet weathering of HDPE/wood-flour composites coextruded with a clear HDPE cap layer. Polymer Degradation and Stability, 96(1): 97-106.
29. Matuana, L.M., Mengeloğlu, F., 2002. Manufacture of rigid pvc/wood-flour composite foams using moisture in wood as foaming agent. Journal of Vinyla and Additive Technology, 8(4): 264–270.
30. Mengeloğlu, F., Çavuş, V., 2019. Additives used in wood plastic composite manufacturing. In: Research & Reviews in Agriculture, Forestry and Aquaculture Sciences (ed: Bozdoğan, A.M., Yarpuz-Bozdoğan, N.,), First edit. Gece Kitaplığı, Ankara, pp. 51–64.
31. Mengeloğlu, F., Gezer, E.D., Karakuş, K., Atar, İ., Başboğa, İ. H., Bozkurt, F., 2019. Gel permeative chromatography (GPC) analysis of Polycaprolactone (PCL) based biodegradable composites through laboratory soil test. Journal of Anatolian Environmental and Animal Sciences, 4(4): 674-678.
32. Mengeloglu, F., Kabakci, A., 2008. Determination of thermal properties and morphology of eucalyptus wood residue filled high density polyethylene composites. Int. J. Mol. Sci., (9): 107–119.
33. Mengeloǧlu, F., Karakuş, K., 2008. Some properties of eucalyptus wood flour filled recycled high density polyethylene polymer-composites. Turkish J Agric For, (32): 537–546. https://doi.org/10.3906/tar-0801-7
34. Mrowka, M., Szymiczek, M., Skonieczna, M., 2021. The impact of wood waste on the properties of silicone-based composites. Polymers, 13(7): 1-17.
35. Ormancılık Araştırma Enstitüsü, 1985. Kayın. Ormancılık Araştırma Enstitüsü Yayınları, Muhtelif yayınlar serisi: 42, El kitabı dizisi:1.
36. Özdemir, F., Serin, Z.O., Mengeloǧlu, F., 2013. Utilization of red pepper fruit stem as reinforcing fller in plastic composites. BioResources, (8): 5299–5308. https://doi.org/10.15376/biore s.8.4.5299-5308 98.
37. Ramezani Kakroodi, A., Kazemi, Y., Rodrigue, D., 2013. Mechanical, rheological, morphological and water absorption properties of maleated polyethylene/hemp composites: Effect of ground tire rubber addition. Composites B, (51): 337–344. https://doi. org/10.1016/j.compositesb.2013.03.032
38. Rowell, R.M., 2006. Advances and challenges of wood polymer composites. In: Yusoff MNM, Poh KM, Jantan MD, et al., (eds) Proceedings of the 8th Pacific Rim Bio-Based Composites Symposium. 20-23 November, Kuala Lumpur, Malaysia, pp. 2–11.
39. Sain, M., Panthapulakkal, S., 2006. Bioprocess preparation of wheat straw fibers and their characterization. Ind Crops Prod, (23): 1–8. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2005.01.006
40. Stark, N.M., Berger, M.J., 1997. Effect of species and particle size on properties of wood-flour-filled polypropylene composites. Proceedings of Functional Fillers for Thermoplastic and Thermosets, December 8-10, Le Meridien at Coronado, San Diego, California, pp. 1-22.
41. Steckel, V., Clemons, C.M., Thoemen, H., 2007. Effects of material parameters on the difusion and sorption properties of wood four/polypropylene composites. J Appl Polym Sci, (113): 752–763. https://doi.org/10.1002/app.25037
42. Taşdemir, Ç., Başboğa, İ.H., Hiziroglu, S., 2020. Surface quality of wood plastic composites as function of water exposure. Applied Sciences-Basel, (10): pp. 1-8. https://doi.org/10.3390/app10155122
43. TS EN ISO 178. 2011. Plastikler-Eğilme özelliklerinin tayini. TSE, Ankara, Türkiye
44. Yang, H., Yan, R., Chen, H., Lee, D.H., Zheng, C., 2007b. Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis. Fuel, (86): 1781–1788. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2006.12.013
45. Yang, H.S., Wolcott, M.P., Kim, H.S., Kim, S., Kim, H.J., 2007a. Effect of different compatibilizing agents on the mechanical properties of lignocellulosic material filled polyethylene bio-composites. Compos Struct, (79): 369–375. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2006.02.016
46. Yuan, Q., Wu, D., Gotama, J., Bateman, S., 2008. Wood fiber reinforced polyethylene and polypropylene composites with high modulus and impact strength. J Thermoplast Compos Mater, (21): 195–208. https://doi.org/10.1177/0892705708089472