Kastamonu Menşeili Çam Kozalağı Külü ve PLA Bazlı Filamentlerden Üretilen Farklı Geometriye Sahip Liflerin Killi Zeminin Dayanım Parametrelerine Olan Etkisinin İncelenmesi
Proje Durumu: Devam Ediyor
Proje Yürütücüsü: Dr. Öğr. Üyesi Mehmet Uğur YILMAZOĞLU
Proje Kodu: KÜ-İHT/GTÜHIZDES-2024/02
Proje Başlama Tarihi: 11.10.2024
Proje Süresi: 24 Ay
ÖZET
Karadeniz Bölgesi, Türkiye’nin en yoğun orman varlığına sahip bölgelerinden biridir ve bölge, sahip olduğu zengin biyolojik çeşitlilik ve ekosistem hizmetleriyle ülke ekonomisine ve çevre dengesine önemli katkılar sağlar. Bu bölgedeki illerden biri olan Kastamonu, orman varlığı açısından Türkiye’de ön sıralarda yer almakta ve özellikle çam türlerinin yoğunluğu ile dikkat çekmektedir. Çam ağaçlarının yaygın olması, beraberinde yüksek miktarda çam kozalağı oluşumunu getirmekte ve bu malzeme çoğunlukla orman atığı olarak değerlendirilmekte, enerji üretimi veya diğer sanayi dallarında oldukça sınırlı bir şekilde kullanılmaktadır. Çam kozalaklarının bu denli bol olmasına karşın ekonomik ve endüstriyel anlamda değerlendirilememesi, bu biyokütlenin potansiyelinin araştırılmasını gerekli kılmaktadır. Bu proje, çam kozalağına yeni ve yüksek katma değerli bir kullanım alanı kazandırmayı hedefleyerek sürdürülebilir malzeme geliştirme çalışmalarına katkı sağlayacaktır. Proje kapsamında ilk aşamada Kastamonu ormanlarından toplanan çam kozalakları ön işlemden geçirilecek, belirli sıcaklıklarda kurutulacak ve ardından kontrollü ortamda yakılarak kül elde edilecektir. Elde edilen kül, homojen tane boyutuna ulaşıncaya kadar öğütülecek ve PLA (Polilaktik Asit) ile karıştırılarak farklı oranlarda (%0, %5, %10, %15, %20, %30) yeni kompozit filamentler üretilecektir. PLA, biyobozunur bir polimer olması sebebiyle çevre dostu bir yaklaşım sunar ve 3B yazıcı teknolojilerinde yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Filament üretimi sonrası, çekme testleri ve elastisite modülü ölçümleri yapılarak çam kozalağı külünün filamentin mekanik performansına etkisi ortaya konacak, optimum kül oranı belirlenecek ve elde edilen sonuçlara göre en uygun filament reçetesi oluşturulacaktır. İkinci aşamada, optimum formülasyona sahip bu filamentler kullanılarak FDM (Fused Deposition Modeling) yöntemiyle farklı lif geometrilerinde (örneğin düz, spiral, kancalı veya dalgalı formda) 3B baskılar yapılacaktır. Bu lifler, belirlenen oranlarda killi zeminlere karıştırılarak deney numuneleri hazırlanacaktır. Hazırlanan zemin numunelerine serbest basınç deneyi, üç eksenli basınç deneyi ve doğrudan kesme kutusu deneyi uygulanacak; kohezyon, içsel sürtünme açısı ve birim deformasyon davranışları değerlendirilecektir. Ayrıca zeminlerin donma-çözünme döngülerine karşı dayanıklılıkları incelenecek, termal iletkenlik katsayıları ölçülerek çam kozalağı katkısının ısı transferi üzerindeki etkileri ortaya konacaktır. Bu sayede, özellikle soğuk iklimlerde görülen donma-çözülme kaynaklı zemin problemlerinin önüne geçilmesi için geliştirilen malzemenin etkinliği test edilecektir. Mekanik ve termal testlerin yanı sıra, filamentlerin ve filamentle iyileştirilmiş zeminlerin mikro yapısı taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenecek, böylece liflerin zemin matrisinde nasıl dağıldığı, lif-zemin ara yüzeyinde oluşan bağ mekanizmaları ve muhtemel boşluklar detaylı olarak gözlemlenecektir. Bu mikro yapı analizleri, elde edilen makro ölçekli dayanım artışlarını daha iyi anlamaya katkı sağlayacak ve optimum lif geometrisinin belirlenmesine yardımcı olacaktır. Bu projenin sonucunda, çam kozalağı külünün PLA bazlı filamentlerin mekanik özelliklerine etkisi, optimum kül oranı, killi zeminlerin mühendislik özelliklerini iyileştirmede en etkili lif geometrisi ve katkı oranı ortaya konulacaktır. Elde edilen bulgular, çam kozalağının atık olmaktan çıkarılarak katma değerli bir ürüne dönüştürülmesi açısından önemli bir adım niteliğindedir. Ayrıca proje, sürdürülebilir malzeme bilimi, atık yönetimi ve geoteknik mühendisliği alanlarına yenilikçi bir yaklaşım kazandıracak ve benzer biyokütlelerin değerlendirilmesi için yol gösterici olacaktır.
Anahtar Kelimeler: Kozalak külü, Biyobozunur filamentler, 3 boyutlu yazıcı, Zemin iyileştirme
ABSTRACT
The Black Sea Region is one of the areas in Türkiye with the highest forest coverage and contributes significantly to the national economy and ecological balance through its rich biodiversity and ecosystem services. Kastamonu, one of the provinces located in this region, ranks among the leading provinces in Türkiye in terms of forest density and is particularly notable for its high concentration of pine species. The widespread presence of pine trees results in the generation of a substantial amount of pine cones, which are mostly regarded as forest waste and used in a very limited manner, such as for fuel or minor industrial applications. Despite their abundance, pine cones remain economically and industrially underutilized, which necessitates exploring their potential as a valuable raw material. This project aims to introduce a new, high value-added application area for pine cones, thereby contributing to the development of sustainable materials. In the first stage of the project, pine cones collected from Kastamonu forests will undergo pre-processing, dried at controlled temperatures, and subsequently combusted under controlled conditions to obtain ash. The resulting ash will be ground until a homogeneous particle size is achieved and then mixed with PLA (Polylactic Acid) at different proportions (0%, 5%, 10%, 15%, 20%, and 30%) to produce new composite filaments. PLA, being a biodegradable polymer, offers an environmentally friendly approach and is widely used in 3D printing technologies. After filament production, tensile tests and elastic modulus measurements will be performed to determine the effect of pine cone ash on the mechanical performance of the filament. Based on the results, the optimum ash content will be determined, and the most suitable filament formulation will be established. In the second stage, the filaments with the optimum formulation will be used to produce fibers of various geometries (such as straight, spiral, hooked, or wavy) using the FDM (Fused Deposition Modeling) method. These fibers will be mixed into clayey soils at selected ratios to prepare test specimens. The prepared soil specimens will be subjected to unconfined compressive strength (UCS), triaxial compression, and direct shear tests, and parameters such as cohesion, internal friction angle, and strain behavior will be evaluated. In addition, the resistance of the soil samples to freeze–thaw cycles will be investigated, and their thermal conductivity coefficients will be measured to reveal the effects of pine cone ash on heat transfer properties. In this way, the effectiveness of the developed material in preventing freeze–thaw-induced soil problems, which are common in cold climate regions, will be assessed. In addition to mechanical and thermal tests, the microstructure of both the filaments and the improved soil samples will be examined using scanning electron microscopy (SEM). This will enable a detailed observation of the fiber distribution within the soil matrix, the bonding mechanisms at the fiber–soil interface, and the potential formation of voids or microcracks. Such microstructural analyses will contribute to a better understanding of the macroscale strength improvements and support the determination of the optimum fiber geometry. As a result of this project, the effect of pine cone ash on the mechanical properties of PLA-based filaments, the optimum ash content, and the most effective fiber geometry and mixing ratio for improving the engineering properties of clayey soils will be revealed. The findings will represent a significant step toward transforming pine cones from a waste product into a value-added material. Moreover, the project will provide an innovative approach to sustainable material science, waste management, and geotechnical engineering, and will serve as a guide for the utilization of similar biomass resources in future studies.
Keywords: Pine cone ash, Biodegradable filaments, 3D printing, Soil improvement
BEKLENEN PROJE ÇIKTILARI
(KISA-ORTA-UZUN VADE)
Bu proje kapsamında elde edilecek çıktıların etki alanı yalnızca laboratuvar ölçeğinde kalmayacak; kısa, orta ve uzun vadede hem bilimsel literatüre hem de uygulamalı mühendislik pratiklerine katkı sağlayacaktır. Aşağıda, beklenen proje çıktıları vade perspektifiyle detaylı biçimde açıklanmıştır.
Projenin ilk aşamalarında en temel çıktı, Kastamonu ormanlarından toplanacak çam kozalaklarının kontrollü şekilde yakılması ile elde edilecek külün karakterizasyonu olacaktır. Bu kapsamda XRD ve FTIR analizleriyle külün kimyasal ve mineralojik yapısı belirlenecek, içerdiği silika, kalsiyum oksit ve diğer bileşenlerin tespiti yapılacaktır. Ardından PLA ile farklı oranlarda (0, 5, 10, 15, 20, 30 %) karıştırılan kompozit filamentler üretilecek ve bunların çekme dayanımı ile elastisite modülü ölçülecektir. Bu aşamada optimum kül oranı belirlenecek ve filamentlerin mikro yapısı SEM görüntüleme ile analiz edilerek külün matris içindeki dağılımı değerlendirilecektir. Kısa vadede beklenen en kritik çıktı, mekanik test sonuçlarına dayalı olarak “en uygun kompozit tasarımının” ortaya konmasıdır. Böylece hem çam kozalağı külünün değerlendirilmesine dair bilimsel veri üretilecek hem de 3B yazıcı sektörüne uygulanabilir bir biyokompozit reçetesi sunulacaktır. Bu veriler, ulusal kongrelerde bildiri olarak sunulacak ve ilk bilimsel makale hazırlıkları başlatılacaktır.
İkinci aşamada optimum formülasyona sahip filamentlerden FDM yöntemiyle farklı geometride lifler üretilecek (düz, spiral, kancalı ve kancasız), bu lifler belirlenen oranlarda killi zemine karıştırılarak deney numuneleri hazırlanacaktır. Serbest basınç, üç eksenli basınç, kesme kutusu deneyleri ile zeminlerin kohezyon, içsel sürtünme açısı ve deformasyon parametrelerindeki değişim ortaya konacaktır. Ayrıca donma-çözünme döngüleri sonrası dayanım kayıpları hesaplanarak bu malzemenin soğuk iklim koşullarındaki performansı değerlendirilecektir. Termal iletkenlik deneyleri ile de zeminin ısı transfer özelliklerine etkisi analiz edilecektir. Orta vadede beklenen en önemli çıktı, zemin iyileştirme performansına ilişkin güvenilir bir veri setinin oluşturulması ve lif geometrisinin optimizasyonudur. Bu sonuçlar uluslararası dergilere makale olarak gönderilecek, ayrıca proje kapsamında en az bir faydalı model veya patent başvurusu yapılması planlanmaktadır. Böylece hem bilimsel çıktı hem de fikri mülkiyet potansiyeli yaratılacaktır.
Projenin tamamlanmasıyla birlikte, hem filament hem de zemin iyileştirme uygulamaları için bir tasarım rehberi oluşturulacaktır. Elde edilen veriler ışığında, PLA-çam kozalağı külü kompozitlerinin sanayi ölçekte üretimine yönelik öneriler geliştirilecek, bölgedeki orman atıklarının ekonomik değer kazanması için bir yol haritası sunulacaktır. Uzun vadede beklenen en önemli çıktılar; çevre dostu, düşük maliyetli, geri dönüştürülebilir ve zemin stabilizasyonuna katkı sağlayan yeni bir mühendislik malzemesinin inşaat sektörüne kazandırılmasıdır. Bu sayede hem atık yönetimine hem de döngüsel ekonomiye katkı sağlanacak, karbon ayak izi azaltılacaktır. Ayrıca proje çıktılarının, ileride büyük ölçekli pilot saha uygulamalarıyla desteklenmesi ve belediyeler, karayolları ve özel sektör iş birlikleriyle altyapı projelerine entegre edilmesi hedeflenmektedir. Akademik anlamda ise proje çıktılarının en az iki yüksek lisans veya doktora tezine konu olması ve uluslararası indeksli dergilerde çok sayıda yayın yapılması öngörülmektedir.
BEKLENEN PROJE ÇIKTILARININ UYGULAMA PLANI
(KISA-ORTA-UZUN VADE)
Projenin ilk yılında, öncelikli hedef laboratuvar ölçeğinde çam kozalağı külünün karakterizasyonunun tamamlanması ve PLA ile optimum karışım oranının belirlenmesidir. Bu amaçla öncelikle Kastamonu ormanlarından çam kozalakları toplanacak, kontrollü ortamda yakılarak kül elde edilecek ve külün kimyasal yapısı XRD ve FTIR analizleri ile detaylandırılacaktır. Bu analizlerin sonuçlarına göre PLA ile farklı oranlarda karışımlar hazırlanacak, ekstrüder cihazında filament üretimi yapılacaktır. Kısa vadeli uygulama planı, bu filamente çekme testleri uygulanması, gerilme-gerinim grafikleri çizilmesi ve elastisite modüllerinin hesaplanması ile tamamlanacaktır. Bu aşamada optimum kül oranı belirlenecek ve bu bilgi, sonraki aşamalarda kullanılacak filament üretimi için temel veri sağlayacaktır.
Elde edilen kısa vadeli sonuçlar proje ekibi içinde düzenli teknik toplantılarla değerlendirilecek, uygun görülmesi halinde ulusal sempozyum veya çalıştaylarda bildiri olarak sunularak akademik toplulukla paylaşılacaktır. Ayrıca bu aşamada oluşan teknik veri setleri, daha sonraki uygulamalara geçmeden önce proje danışma kurulunca onaylanarak sürecin planlandığı şekilde ilerlediği doğrulanacaktır.
İkinci yıl, projenin saha uygulamalarına temel oluşturacak deneysel çalışmaların gerçekleştirilmesi için kritik bir dönemdir. Öncelikle optimum oranlı PLA-çam kozalağı külü filamentleri kullanılarak FDM yöntemiyle farklı geometrilerde lifler üretilecektir. Bu lifler, belirlenen dozajlarda kil zeminle karıştırılacak ve standart boyutlarda numuneler hazırlanacaktır. Bu numuneler 7, 28, 56, 90 ve 180 gün süreyle kürlenerek serbest basınç, üç eksenli basınç, kesme kutusu, donma-çözünme ve termal iletkenlik deneylerine tabi tutulacaktır. Bu aşamadaki uygulama planı;
– Deneysel verilerin istatistiksel olarak analiz edilmesi,
– Lif geometrisi – dayanım parametreleri ilişkisini belirleyen ampirik modellerin oluşturulması,
– SEM analizleri ile zemin-lif ara yüzeyinin mikro yapısının incelenmesi,
– Ortaya çıkan verilerin hem mühendislik raporlarına hem de en az bir SCI veya TR Dizin makalesine dönüştürülmesi şeklinde ilerleyecektir.
Orta vadede, proje ekibi çıktıları üniversite–sanayi iş birliği kapsamında ilgili kamu kurumları (Karayolları Genel Müdürlüğü, belediyeler) ve özel sektör (altyapı ve zemin iyileştirme firmaları) ile paylaşacak, teknoloji transferi toplantıları düzenlenecek ve olası saha uygulamalarının planlanması için ön görüşmeler yapılacaktır. Ayrıca bu aşamada en az bir faydalı model veya patent başvurusunun yapılması hedeflenmektedir.
Projenin tamamlanmasının ardından elde edilen sonuçların geniş kitlelere ulaştırılması, endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğinin test edilmesi ve sahaya aktarılması uzun vadeli uygulama planının temelini oluşturur. Bu kapsamda:
Saha Pilot Uygulamaları: Elde edilen optimum filament ve lif geometrisi bilgisi kullanılarak küçük ölçekli pilot zemin iyileştirme uygulamaları yapılacak, yol dolgusu veya temel altı tabakalarda performans gözlemleri gerçekleştirilecektir.
Standardizasyon ve Rehber Dokümanlar: Deneysel veriler, mühendislik standartlarıyla uyumlu olacak şekilde düzenlenerek akademi ve sektörün kullanabileceği bir teknik kılavuz hazırlanacaktır.
Sanayi ve Kamuya Yaygınlaştırma: Proje sonuçları, sektör toplantılarında ve teknik seminerlerde sunulacak, kamu kurumları ve altyapı planlayıcılarına politika önerileri sunularak geri dönüştürülmüş biyokütle bazlı zemin iyileştirme malzemelerinin kullanımı teşvik edilecektir.
Akademik Yaygın Etki: Proje kapsamında hazırlanacak doktora ve yüksek lisans tezleri tamamlanacak, uluslararası indeksli dergilerde en az iki yeni makale yayımlanacaktır. Böylece proje, sadece kısa süreli laboratuvar çalışmalarıyla değil, uzun dönemde literatüre ve eğitim süreçlerine katkı sağlayacaktır.
Uzun vadeli uygulama planı, çam kozalağı külü gibi bir atığın endüstriyel ölçekte değerlendirilmesi için bir model oluşturmayı hedefler. Bu sayede hem Kastamonu özelinde hem de Türkiye genelinde orman atıklarının ekonomiye kazandırılması sağlanacak, döngüsel ekonomiye katkıda bulunulacaktır. Ayrıca geliştirilen bu biyokompozit malzemenin maliyet avantajı, altyapı projelerinde daha geniş çapta benimsenmesini kolaylaştıracak ve çevre dostu mühendislik çözümlerinin yaygınlaşmasına katkıda bulunacaktır.
PROJENİN BÖLGESEL KALKINMAYA KATKISI
(KISA-ORTA-UZUN VADE)
Bu proje, Kastamonu ve çevresinde bulunan orman atıklarının değerlendirilmesi, ekonomik değer kazandırılması ve sürdürülebilir zemin iyileştirme malzemelerinin geliştirilmesi ile yalnızca bilimsel bir katkı sunmakla kalmayacak, aynı zamanda bölgesel kalkınma hedeflerine doğrudan hizmet edecektir. Proje çıktıları, kısa, orta ve uzun vadede bölgedeki ekonomik, sosyal ve çevresel dinamiklere somut katkılar sağlayacaktır.
Projenin ilk aşamalarında bölgeden toplanacak çam kozalakları, orman atıklarının ekonomiye kazandırılması açısından önemli bir başlangıç noktasıdır. Bu süreç, orman köylüleri ve yerel tedarikçiler için ek gelir kapısı oluşturacak, çam kozalaklarının atık olmaktan çıkıp ekonomik bir değer kazanmasına öncülük edecektir. Kozalak toplama ve ön işleme süreçlerinde yerel iş gücü istihdam edilerek bölge halkına kısa vadede ekonomik katkı sağlanacaktır.
Kısa vadede proje, Kastamonu Üniversitesi ve diğer araştırma kurumları arasında iş birliği oluşturacak, yerel laboratuvarların etkin kullanımını sağlayarak üniversite–sanayi–toplum üçgeninde bilgi transferi başlatacaktır. Proje çıktıları, bölgedeki teknik personelin, araştırma görevlilerinin ve öğrencilerin yeni teknolojiler (ekstrüder kullanımı, 3B yazıcı filament üretimi, SEM analizi) ile tanışmasını sağlayarak bilgi ve beceri düzeylerini artıracaktır. Bu da bölgedeki insan kaynağının niteliğinin kısa vadede gelişmesine katkıda bulunur.
Projenin ikinci yılında, elde edilen filamentler ve zemin iyileştirme deneylerinden çıkarılan sonuçlar, bölgedeki mühendislik projelerine doğrudan entegre edilebilecek öneriler sunacaktır. Bu dönemde Kastamonu’daki inşaat sektörü, karayolları ve altyapı planlamacıları ile iş birliği yapılarak, geliştirilen PLA-çam kozalağı külü liflerinin uygulama potansiyeli tanıtılacaktır. Böylece bölgedeki zemin iyileştirme uygulamalarında, ithal çimento veya kireç gibi malzemelerin yerine kısmen yerli ve atık kaynaklı bir malzeme kullanılabilecek, bu da proje maliyetlerini düşürerek bölgesel ekonomiye tasarruf katkısı sağlayacaktır.
Orta vadede, proje kapsamında geliştirilen yöntemlerin uygulanabilirliği bölgesel pilot projelerle test edilecektir. Bu pilot uygulamalar, özellikle yol dolguları, küçük ölçekli temel iyileştirmeleri veya heyelan önleme çalışmaları gibi alanlarda gerçekleştirilecek, böylece bölge için stratejik öneme sahip altyapı projelerinde maliyet etkin ve çevreci çözümler ortaya konacaktır. Ayrıca, proje çıktılarının sanayiye entegre edilebilir olması, yeni üretim hatlarının ve küçük ölçekli filament üretim atölyelerinin kurulmasına zemin hazırlayacak, yerel girişimcilere yeni iş alanları yaratacaktır.
Uzun vadede projenin en önemli katkısı, Kastamonu ve Karadeniz Bölgesi genelinde sürdürülebilir bir “orman atığı ekonomisi” modelinin oluşturulmasıdır. Bu sayede çam kozalağı, yalnızca orman tabanında çürüyen bir atık olmaktan çıkarak, endüstriyel ölçekte kullanılan bir hammaddeye dönüşecektir. Bu durum, orman köylülerinin düzenli gelir elde etmesini sağlayacak ve kırsal kalkınmaya kalıcı bir destek oluşturacaktır.
Uzun vadede ayrıca geliştirilen PLA-çam kozalağı külü kompozitlerinin, ulusal ve uluslararası düzeyde standartlaştırılması hedeflenmektedir. Bu standartlar, bölgedeki inşaat firmalarının çevre dostu ve düşük maliyetli zemin iyileştirme çözümlerine erişimini kolaylaştıracak, bölgenin altyapı projelerinin daha hızlı, ekonomik ve sürdürülebilir şekilde hayata geçirilmesine olanak tanıyacaktır. Böylece bölge, inovatif malzeme kullanımında öncü bir rol üstlenerek ülke genelinde bir “örnek model” haline gelecektir.
Ayrıca, uzun vadede Kastamonu Üniversitesi ve bölgedeki diğer eğitim kurumlarında proje sonuçlarının ders içeriklerine entegre edilmesiyle yeni nesil mühendislerin çevre dostu malzeme geliştirme konusunda bilinçlenmesi sağlanacaktır. Bu da bölgesel insan kaynağının niteliğinin kalıcı olarak yükselmesine ve inovasyon kültürünün yaygınlaşmasına katkı sağlayacaktır.
