LEE- Tekstil Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 10
-
ÖgeBimodal fonksiyonel dokusuz hava filtrelerinin üretimi ve geçirgenlik özelliklerinin karakterizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-12-14)Nüfus artışı ve hızlı sanayi gelişimi nedeniyle temiz havaya olan ihtiyaç artmaktadır. Katı partikül maddeler, organik maddeler ve salgın hastalıklara yol açan ajanları (mikrop, virüs vb) içinde barındıran kirli hava, insan sağlığı için önemli bir tehdit oluşturmaktadır. Mikro ve nano ölçekteki PM10, PM2.5, PM1.0 ve PM0.3 olarak kategorize edilen Partikül Maddeler (PM), hava kirliğinin kaynaklarıdır. Partikül maddeler solunum sisteminde alveollere kadar nüfuz edebildikleri için kanser dahil çeşitli hastalıklara yol açabilmektedir. Dünya Sağlık Örgütü'ne (DSÖ) göre, her yıl 10 mikrometreden daha küçük parçacıkları içeren kirli havaya uzun süre maruz kalan 4 milyondan fazla kişi hayatını kaybetmektedir. Bu nedenle, bu parçacıkların havadan uzaklaştırılması/filtrelenmesi gerekmektedir. Filtreleme işlemi, havanın, nano- veya mikrogözeneklere sahip filtre yüzeylerinden geçirilerek, partikül maddelerin ayrıştırılma süreci ile tanımlanmaktadır. Özellikle hastanelerdeki yoğun bakım üniteleri, ameliyathaneler ve hastaların bulunduğu tüm ortamlarda havayı filtrelemek için HEPA veya ULPA filtreler kullanılmaktadır. Bunun yanında, yüksek seviyede PM bulunan ortamlarda çalışan kişilerin yüz maskelerini kullanmaları büyük önem arz etmektedir. Nano- ve mikro gözenekli dokusuz yüzeyler, solunan havanın zararlı etkilerini en aza indirmek için filtreler ve yüz maskeleri gibi filtrasyon yüzeylerinin üretiminde kullanılmaktadır. Nanolifli yüzeylerdeki gözenek boyutları da nano seviyelerdedir, dolayısıyla bu tür filtrelerle nano boyuttaki PM'leri filtrelemek mümkündür. Bu nedenle, hava filtrelemesi için nanolifli filtreler, mikrolifli filtrelere göre daha yüksek filtrasyon verimliliği (ղ) sunarlar. Çok ince nanoliflerden (65 nm'nin altında) meydana gelen filtre yüzeyleri, nanoliflerin yoğun bir şekilde paketlenmesi ile yüksek katılık değerine ulaşabilmektedir. Bu durum, havanın filtre yüzeyinden geçmesini zorlaştıraraak basınç düşüşü değerini artırıp, filtre yüzeyinin hızla tıkanmasına ve partiküllerin etkili bir şekilde filtrelenmesine engel olmaktadır. Bu durum, filtre yüzeyinin hızla tıkanarak havanın filtre yüzeyinden kolay bir şekilde geçmesine engel olur. Filtre yüzeylerinin hızlı bir şekilde tıkanmasını ve yüksek basınç düşüşü değerleri göstermesini engellemek için, nano- ve mikroliflerin biraraya gelerek oluşturduğu bimodal (Tez başlığında yer alan bu terim tüm çalışma boyunca yaygın kullanılacak bir terimdir. Filtre yüzeyinde iki farklı ortalama kalınlığa (çapa) sahip liflerin mevcut olduğunu ifade eder.) filtre yüzeyleri ön plana çıkmaktadır. Bimodal filtre yüzeylerinin yapısında nano- ve mikroliflerin birlikte bulunmasından dolayı, hava akış değerleri geniş bir Knudsen aralığında yer almaktadır. Bu sayede filtre yüzeyinden hava akışı daha kolay gerçekleşir. Filtre yüzeyinde mukavemeti daha yüksek olan mikroliflerin varlığı filtre yüzeyinin mekanik dayanıklılığını artırmaktadır. Bimodal yapıdaki yüzeyler kullanılarak, yüksek ղ, düşük basınç düşüşü (∆P) ve yüksek mekanik dayanıklılığa sahip filtre yapıları elde edilir. Literatürdeki bimodal filtre yapısı üzerine yapılan ilk çalışmalar genellikle simülasyon veya teorik hesaplamalara dayanmaktadır. Bimodal lif üretimine yönelik ilk çalışmalar, eriyikten üfleme (MB) yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Eriyikten üfleme yöntemini kullanan çalışmalarda, farklı erime sıcaklıklarına ve molekül ağırlıklarına sahip iki farklı polimerin ayrı ayrı ekstrüderlerden, tek bir ekstrüderden veya iki polimerin düze deliğinde buluşmasıyla elde edilen denizde adacık (Island in the sea) tipi liflerden oluşan yüzeylerin elde edildiği gösterilmiştir. Ayrıca literatürde, bimodal yapıların, kalın lif katmanları ve ince lif katmanlarının tabakalı bir şekilde oluşturulduğu çalışmalar da bulunmaktadır. Bu konudaki en dikkat çekici olan çalışmalar, yapısında nanonet içeren çalışmalardır. Bunlara ek olarak, literatürde elektro-üretim ve melt-blowing (MB) yöntemlerinin kombinasyonuyla filtre yüzeyi oluşturan bimodal çalışmalar da bulunmaktadır. Bu çalışmalarda çeşitli polimerler kullanılmaktadır. Çözeltiden üretilen lifli yüzeyler, genellikle poliviniliden florür (PVDF), poliakrilonitril (PAN), termoplastik poliüretan (TPU), poliamid-6 (PA-6), poliamid-6.6 (PA-6.6), polivinil alkol (PVA), politetrafloroetilen (PTFE) gibi sentetik polimerlerden veya jelatin, kolajen, kitosan, karboksimetil selüloz gibi doğal kökenli polimerik malzemelerden elde edilebilir. MB yöntemi kullanılarak eriyikten elde edilen lifli yüzeyler ise polyester (PET), polipropilen (PP), polibütilen tereftalat (PBT), polilaktik asit (PLA) gibi çeşitli termoplastik polimerlerden veya cam yünü gibi doğal kökenli malzemelerden elde edilebilir. Bu çalışma kapsamında öncelikle PVDF'ten üretilen nanoliflerin malzeme ve üretim sistemi parametrelerinin optimizasyonu üzerinde durulmuş ve PVDF bazlı elektret (Bu çalışma kapsamında elektret kelimesi yaygın kullanılmaktadır. Bu terim polimerlerin yüzeylerine uygulanan harici etkenler nedeniyle polimer zincirindeki serbest uçların polimer yüzeyine yönlenmesiyle oluşan negatif veya pozitif yüklerle yüklenmesini ifade eder.) nanolifli yüzeylerin elektro-üfleme yöntemi ile üretimi optimize edilmiştir. Deneysel parametreler, Taguchi üç düzeyli L9 ortogonal tasarımı kullanılarak sistemli bir şekilde oluşturulmuş ve ANOVA ile istatistiksel olarak analiz edilmiştir. Bu bağlamda, incelenen parametreler çözelti konsantrasyonu, hava basıncı ve elektrik alan olmuştur. Bu parametreler arasında, lif çaplarını en çok etkileyen faktörlerin çözelti konsantrasyonu ve elektrik voltajı olduğu belirlenmiştir. En ince nanolifli filtre yüzeyini (124±71 nm) üreten optimum parametreler, sırasıyla %9 çözelti konsantrasyonu, 2 bar hava basıncı ve 30 kV elektrik voltajıdır. Ayrıca, numunelere uygulanan korona deşarj işlemi, kalite faktörlerinde %70'in üzerinde bir iyileşmeye neden olmuştur. Elektret filtre üretimine yöntelik araştırmalarımızda korona deşarjı ile polarizasyonunun oluşum mekanizmasını çözümlemek amacıyla yapılan bir başka çalışmada PVDF bazlı nanolif nanojeneratörler, elektro-üfleme (EB) yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Bu çalışmada uygulanan elektrik voltajı ve hava basıncının, lif morfolojisi ve piezoelektrik özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. 2 bar basınç altında üretilen numuneler, 3 bar basınç altında üretilen numunelerden daha ince lif çaplarına sahip olmuştur. Ayrıca, β-faz yüzdesi, uygulanan voltajın artmasıyla artmıştır. En yüksek β-faz yüzdesi, 2 bar hava basıncı ve 30 kV ile üretilmiş numunede gözlemlenmiştir. En yüksek piezoelektrik etki, 224±60 nm ortalama lif çapına sahip numuneden elde edilmiş, β-faz içeriği %88 olmuştur. Sonuç olarak elektro-üfleme yöntemi ile üretilen PVDF nanoliflerin β-faz ve piezoelektrik etkisini maksimize etmek için polarizasyonun en etkin mekanizma olduğu belirlenmiştir. Bu tez kapsamında yapılan, farklı oranlarda PVDF ve polietilen glikol (PEG) polimerlerini içeren çözeltilerden elektro-üfleme yöntemi ile nanolif/nanonet yapılı filtrelerin üretildiği bir başka çalışmada, çözelti içeriğindeki suda çözünebilir, düşük molekül ağırlıklı PEG içeriğinin artırılması ve üretilen yüzeylere, bu tez kapsamında özgün olarak tasarlanan, su banyosu işlemi uygulanarak yapıdaki PEG'in uzaklaştırılmasıyla, lif çapları azaltılmış ve daha gözenekli yapılar elde edilmiştir. En yüksek PEG içeriğine sahip PVDF:PEG (3:7) numunesi, 170 nm ve 50 nm civarında ortalama çaplara sahip öbekler halinde nanolif/nanonet benzeri yapılar sergilemiştir. Geliştirilen bu numunenin ղ değerinde, korona deşarj işlemi sonrasında %3.6'lık bir artış, kalite faktöründe ise %60'lık bir iyileşme gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, PVDF:PEG (3:7) numunesi, çok yüksek bir ղ değeri (%99.57), oldukça düşük bir ∆P (158 Pa) ve bu sayede tercih edilen bir kalite faktörü (QF) 0.0345 sunan nanolif yapılı filtrelerin başarılı bir şekilde üretilebileceğini göstermiştir. Tez kapsamında filtre yüzeyinde nano- ve mikroliflerin homojen dağılımı veya katmanlı kullanımı yoluyla bimodal filtreler elde edilmiştir. Çalışmada, bimodal yapısal tasarımın etkisi, eriyikten üfleme (MB), çözeltiden üfleme (SB) ve elektro-üfleme (EB) yöntemleriyle üretilen çeşitli katman konfigürasyonlarında ve farklı çaplardaki liflerden oluşan yüzeylerin filtrasyon performansları karşılaştırılmıştır. Filtre numunelerinin gramajı 30 gsm olarak korunurken, 4 katmanlı filtre (4L) yapılarının kullanılması, tek katmanlı numunelere (L) kıyasla hava geçirgenliğinin artmasıyla sonuçlanmıştır. Bu şekilde oluşturulan 4L numunesi 148 Pa basınç düşüşü değeri ve en yüksek filtrasyon verimliliğine (%99,52) sahip olmuştur. Ayrıca 4L yapısındaki MB katmanının, SB nanoliflerinin MB'ye homojen bir şekilde dahil edilmesiyle elde edilen bimodal yüzeyler (BM) katmanı ile değiştirilmesi, filtrasyon verimliliğini %99,61'e yükseltmiş ve ΔP neredeyse aynı kalmıştır. PVDF:PP masterbatch kullanılarak eriyikten üfleme yöntemi ile üretilen filtre yüzeyine uygulanan korona deşarj işlemi ile, işlemi ile elde edilen bimodal yapıdaki 4BML numunesinde en yüksek filtrasyon verimliliği (%99,99) elde edilmiştir. Bu numunelerde bir ay sonrasında dahi filtrasyon verimliliği %99,90 olarak korunmuş; bu durum, elektret filtrelerinde bimodal lif dağılımının en yüksek avantaj sağladığını göstermiştir. PVDF nanoliflerin yapısına eklenen katkı malzemelerinin filtre yüzeyinin morfolojik yapısına etkisinin incelendiği çalışmada, Al(NO3)3.9H2O, NaCl, LiCl, KCl gibi katkı maddelerinin PVDF çözeltisine %1 ağırlık oranında ilave edildiği çözeltilerden nanolifli yüzeyler üretilmiştir. Al(NO3)3.9H2O katkı malzemeli numuneden en ince lif çapı ve en düzgün lif morfolojisi elde edilmiştir. Ayrıca, korona deşarjı işleminden sonra %99,95 ղ değeri ve 195 Pa ∆P değerleri elde edilmiştir. Tüm bu ölçümler sonucunda, Al(NO3)3.9H2O numunesinin ince lif çapı ve yüksek filtrasyon verimliliği ile PVDF için uygun bir katkı malzemesi olduğuna karar verilmiştir. Farklı triboelektrik serilerde yer alan PVDF ve PA-6 polimerlerinden üretilen nanoliflerinden elde edilen katmanlı yapıların incelendiği diğer bir çalışmada, triboelektrik etki ile birlikte bimodal etkinin filtrasyon performansına etkileri incelenmiştir. Ortalama 60 nm çapındaki PA-6 nanolifleri ile 176 nm çapındaki PVDF nanoliflerinden elde edilen bimodal filtre yapıları, korona deşarjı sonrasında %99,997 ղ değeri ve 193 Pa basınç düşüşü değerine ulaşmıştır. Dört hafta sonra İPA yöntemi ile deşarj işlemine tabi tutulan numuneler, filtrasyon testi sonrasında hem 0.26 kV yüzey potansiyeli hem de %99,829 ղ değeri ile yüksek filtrasyon ve yüksek triboelektrik özelliğini muhafaza ettiği kanıtlanmıştır. Erişilen bu filtrasyon değerleri tez kapsamında elde edilen ticari olarak değerlendirilebilecek en önemli çıktıyı oluşturmaktadır.
-
ÖgeDevelopment of stretchable conductive fabric through different metals coating approach for e-textile applications(Graduate School, 2022-07-25)This study aims to manufacture and characterize various types of conductive (cotton knitted and polyester knitted) fabrics. The fabrics were prepared through the electro-less copper metal coating approach. The effect of copper electroleess plating on different types of fabric structures and on different crossections of yarns was also observed. The main response of prepared fabric was electrical conductivity, EMI shielding and their durability against washing and rubbing. The current research activity has multiple benefits considering extensive comparison with other studies. Previously electroless plating has been performed by different salts and reducing agents' combinations over different fibres. However, there were no study available to metallize the fabric structures having different GSM and different cross section of fibres. Secondly, we have also studied the effect of different fibrous cross-section (round, hollow round, W shape and octolobel) against copper electroless plating. At first, nine-combed cotton knitted fabric samples with different yarn fineness and elastane percentage were selected in order to see effect of these parameters on electrical conductivity and physical properties of samples such as an increase in weight and thickness, impact of washing cycles and abrasion resistance on the electrical conductivity of the fabric sample. The surface morphology of all the knitted cotton fabric samples were also explored before and after the coating method via scanning electron microscope (SEM) and it showed a remarkably uniform deposition of copper on the fabric surface. the energy dispersive spectroscopy (SEM-EDX) was performed to determine the coated material content on the surface of the fabric after the metal coating process. The utility of conductive fabrics was analyzed for electromagnetic shielding ability over frequency range of 30 MHz to 1.5 GHz. The electrical conductivity and amount of metal deposition was found to be higher for the fabric samples having less GSM and higher cotton percentages in their structures. The results revealed that knitted cotton fabric of 5% elastane with the finer yarn count (Ne=40/1) showed lowest resistivity (3.24 Ω.cm) as compared to the other knitted cotton fabric of 10% elastane with a finer count (Ne=40/1) or 5% elastane with coarser (Ne=30/1). The increase in elastane content into fabric structure also influences the fabric stretchability. The objectives of second part of the study were, to carry out research with the best performing three samples obtained from the first part of the study and three single jersey knitted cotton fabric samples were selected. The selected fabric samples with GSM (136, 154 and 176 GSM) out of nine fabric samples were used in this part. These fabric samples provided the lowest value of electrical resistivity coupled with high EMI shielding and more contents of metal particles. Thereafter, the selected samples were pre-treated with laser to enhance the surface roughness, then electroless plating was performed in order to see the impact of roughness on copper deposition. This section of the research work addresses the development and characterization of conductive cotton fabrics treated with lasers in context of copper (Cu) metallization methodologies. The abrasion resistance, thickness, and durability of the laser-treated knitted cotton fabric samples were investigated. Additionally, samples exhibited exceptionally consistent deposition of Cu nanoparticles on the surface of cotton fabric when the surface morphology of the laser-treated surfaces was examined by employing the scanning electron microscope (SEM) both before and after the coating procedure. To assess the elemental analysis on the surface of the treated samples following the electroless metallization process, an energy dispersing spectroscopy (SEM-EDX) examination was performed. This section of the study indicated that fabric samples that had been laser-treated outperformed untreated fabric samples in terms of wear resistance. Abrasion resistance being one of the significant features in electric textile applications, laser-treated samples might thereby be the best options. The third part of the study was the development and characterization of conductive textured and non-textured polyester fabrics with different cross-sections. The electroless copper plating method was selected to impart conductivity on fabric structures. The deposition of copper nanoparticles on textured and non-textured polyester fabrics was characterized by electrical conductivity, electron scanning microscopy (SEM), microscopic morphology, and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). SEM images revealed a uniform copper nanoparticle coating of a thin film on textured and non-textured polyester fabrics. The properties of conductive textured polyester fabrics were compared in terms of electrical conductivity, wear resistance, thickness and durability with non-textured conductive polyester fabrics. Structural studies showed that the crystalline surface of the textured and non-textured polyester fabric structure is not affected by electroless metallization. Conductivity studies have shown that textured (lowest resistivity 2.18 Ω.cm) and non-textured (lowest resistivity 76.39 Ω.cm) polyester fabrics have good electrical conductivity. When the durability of conductive textured and non-textured polyester fabrics was examined against washing and rubbing fastness, the textured polyester fabrics showed good retention of copper nanoparticles by maintaining their electrical conductivity level after 250 abrasion cycles. Furthermore, resistivity analysis was also carried to study the effect of copper metallization and conductivity against different morphological structures of fibres. It was observed that there are lower values of electrical resistivity for each coated sample. The resistivity was found to be lowest for hollow round coated fibres (either textured or non-textured). The behaviour of metal deposition for hollow round fibers and electrical conductivity was further justified from the SEM analysis. The W shape fibers showed less amount of metal deposition and higher electrical resistivity values as compared to all. The final applications of developed copper plated fabrics are in the field of smart textiles, sensors, stretchable actuators, EMI shielded panels and stretchable electrodes. Keywords: Conductive textiles, Electroless plating, Copper coating, Electromagnetic interference shielding, sensors and actuators, Stretchable conductive fabrics, Smart textiles, metal coatings, textured polyester fabrics, Metal coated, Cross-sectional fiber.
-
ÖgeEv tipi yıkamalarda suyun tekrar kullanımı için yıkama atık suyundan renk giderme sisteminin geliştirilmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-11-23)Son yıllarda temiz su kaynaklarının hızla kirlenmesi nedeniyle su geri kazanımının önemi günden güne daha da artmaktadır. Bu tez çalışması öncelikle su kaynaklarının sürdürülebilir olmasını desteklemek ve kullanılan atık suyu tekrar kullanabilmek amacıyla tetiklenmiştir. Pazarda yaygın bulunan yüksek kapasiteli ve önden yüklemeli ev tipi çamaşır makinelerinde her çevrimde yıkama ve durulama adımlarının tamamında minimum 50 L ve üzerinde su tüketimi gerçekleşmektedir. Sunulan tez çalışmasında, ozonlama yöntemi kullanılarak renkli çamaşırların yıkanmasıyla ortaya çıkan çamaşır makinesi atık sularındaki rengin giderilmesi ve rengi giderilen suyun bir sonraki yıkamada tekrar kullanılması hedeflenmiştir. Bu hedef doğrultusunda, çamaşır makinesi atık suyundaki boyarmadde konsantrasyonunu tahminleme, ozon ile renk giderme sistemine sahip makine prototipinin hazırlanması çalışmaları ve bu makinede renk giderme testleri yürütülmüştür. Çamaşır yıkama sonucunda oluşan atık su, gri su kategorisindedir, hanelerde evsel aktiviteler için kullanılan toplam su içerisinde yüksek bir paya sahip olup (%27) geri kazanım ve tekrar kullanım için potansiyel oluşturmaktadır. Günümüzde yaygın olarak tercih edilen pamuk içerikli tekstil ürünleri çamaşır makinelerinde sıklıkla yıkanmakta olup, bu ürünlerin renklendirilmesinde çoğunlukla reaktif boyarmaddeler kullanılmaktadır. Bu reaktif boyarmaddeler içerisinden azo ve antrakinon boyarmaddeler yaygınlık, suda yüksek çözünürlük göstermeleri, life fikse oranlarının düşük olması ve atık suda risk oluşturmaları nedeniyle tercih edilmiştir. Yıkamaya karşı renk haslığı düşük ve lekeleme konusunda problemli olarak bilinen kırmızı ve mavi renkler belirlenerek, bu renklerin elde edilmesi için azo boyarmadde sınıfından reaktif kırmızı 195 ve antrakinon boyarmadde sınıfından reaktif mavi 19 boyarmaddeleri seçilmiştir. Çalışmada yaygın kullanılan ve sık yıkama ihtiyacı bulunan örme kumaşlar tercih edilmiş ve ticari koşullarda üretilip boyanmıştır. Tekstil atık sularında organik kirleticilerin fazla bulunmasından dolayı, bu sulardan reaktif boyarmaddelerin giderilmesinde oksidasyon yöntemlerinden ozonlamanın ve ozon ile diğer yöntemlerin kombinasyonlarının sıklıkla tercih edildiği belirlenmiştir. Teknolojisinin olgunlaşmış olması, yan ürün açığa çıkarmaması, yerinde renk giderimini hızlı şekilde gerçekleştirebilmesinden dolayı çamaşır makinesi için ozonlama yöntemi tercih edilmiştir. Çamaşır makinesinde renk giderimi için yıkama çevrimindeki uygun yıkama adımının -hedef atık su çözeltisinin- belirlenmesi için yapılan deneysel çalışmada, yapılan ölçümlerde deterjan konsantrasyonu düşük olan ve yumuşatıcı içermeyen birinci durulama adımının renk giderim için daha uygun olduğuna karar verilmiştir. Literatür araştırması sırasında renk giderimi çalışmalarında çoğunlukla konsantrasyonu bilinen yapay çözeltiler ile çalışıldığı saptanmıştır. Oysa, çamaşır makinesinde yapılan yıkamalar sonunda ortaya çıkan atık suların içeriği farklı (lif, hav, deterjan vb.) ve oldukça kaotiktir. Literatürde rastlanmaması nedeniyle tezin yenilikçi yönü olarak yapay çözeltiler yerine "evsel çamaşır makinesi atık suları" ile çalışılmıştır. Ev tipi çamaşır makinesinden kaynaklı boyarmadde içeren atık suyun renginin giderilmesi için ozonlama ile renk giderme sistemi önerisi yapılmıştır. Yaşanan en büyük zorluk, yıkama sırasında boyalı kumaşlardan elde edilen atık suların boyarmadde konsantrasyonunun bilinememesidir. Bu atık suların boyarmadde konsantrasyonunun tahmin edilmesi için iteratif bir yaklaşım geliştirilmiştir. Boyarmadde konsantrasyonunun belirlenebilmesi için VIS spektrofotometre cihazı ile renkli atık su çözeltilerinin absorbans taraması yapılmış ve spektrumda maksimum absorbans değerini veren dalgaboyu tespit edilmiştir. Ancak, çamaşır makinesi atık suyunda yapılan ölçümlerde maksimum absorbans değeri elde edilememiştir. Boyarmadde konsantrasyonunun tahmin edilebilmesi için geliştirilen yaklaşımda, birinci adımda, saf su ile yapay olarak hazırlanan kontrol boya çözeltilerinin spektrum taramalarından maksimum absorbans değerlerinin elde edildiği dalgaboyları Reaktoset Red RFT (C.I. RR 195) için 540 nm, Reaktoset BRL Blue R Spec (C.I. RB 19) için 592 nm olarak belirlenmiştir. İkinci adımda, boya konsantrasyonları ve deterjan konsantrasyonları, sırasıyla, ana yıkama adımı için 10 –– 100 mg/L aralığında ve 4,6 g/L olarak; durulama adımı için 1 – 40 mg/L aralığında ve 0,5 g/L olarak hazırlanmış ve çözeltilerin absorbans ölçümlerinden kırmızı (RR 195) ve mavi (RB 19) boyalar için ana yıkama ve durulama kalibrasyon eğrisi denklemleri elde edilmiştir. Üçüncü adımda, renkli atık su çözeltileri tergotometer cihazında boyalı kumaşların yıkanması sonucunda elde edilmiştir. Bu çözeltiler ilgili dalgaboyunda net bir absorbans değeri vermediğinden, boyarmadde konsantrasyonunun hesaplanması için adım 2'de elde edilen kalibrasyon eğrilerine ait denklemlerin (kırmızı atık su için: A=0,0186C+0,0427, R² = 0,9997; mavi atık su için: A=0,0115C+0,0540, R² = 0,9966) kullanılmasına karar verilmiştir. Doğrulama testlerinde, denklemlerden hesaplanan boya konsantrasyonuna en yakın konsantrasyondaki deterjanlı yapay boya çözeltilerinin spektrumları ile renkli kumaşlardan elde edilen spektrumların karakteri farklı olmasına rağmen belirlenen dalgaboyunda üst üste çakıştığı saptanmıştır. Çamaşır makinesi ve tergotometer cihazından elde edilen atık su çözeltilerinin absorbans ve konsantrasyon değerleri arasında güçlü bir ilişki olduğu belirlenmiş ve tergotometer cihazının su ve kumaş sarfiyatını azaltmak amacıyla çamaşır makinesi yerine kullanılabileceği kanaatine varılmıştır. Renk giderme sistemine sahip makine prototipi için, bir ozon düzeneği kurularak çalışmalara başlanmıştır. Kurulan düzenekte hava kompresörü, hava kurutucu, akış ölçer, ozon jeneratörü, ventüri, su haznesi, iki adet su pompası ve debimetre yer almaktadır. Ozon düzeneğinde yapılan deney tasarımı sonucunda renk giderme etkinliği üzerinde en etkili faktörlerin sırasıyla %22,0 ile boyarmadde*ozon jeneratörü ikili etkileşimi, %15,4 ile ozon jeneratörü*ozonlama süresi ikili etkileşimi ve %14,8 ile tek başına ozon jeneratörü olduğu saptanmıştır. 500 mg/sa kapasiteli (500-B kodlu) ozon jeneratörü ile en yüksek renk giderme oranlarına ulaşıldığından bu ozon jeneratörünün kullanılmasına karar verilmiştir. Ventüri sistemi ve geri kazanılan suyun bulunacağı depoya sahip 9 kg kapasiteli çamaşır makinesi prototipi hazırlanmıştır. Sistemin çalışma prensibi şu şekildedir: Dışarıdan hava kompresörü yardımıyla çekilen ortam havası ozon jeneratöründen geçirilerek ozon üretilmekte ve ventüri elemanına taşınmaktadır. Pompalar yardımıyla ventüri elemanında renkli su ve ozon buluşmakta, belirli süre yapılan sirkülasyon sonrasında ozonlama yoluyla renksiz su elde edilmektedir. Önerilen denklemler kullanılarak boya konsantrasyonları hesaplandığında, renkli kumaşların farklı tüketici koşullarında yıkanması sonucu atık su boya konsantrasyonunun 15 mg/L ile 90 mg/L arasında değişkenlik gösterdiği saptanmıştır. Çamaşır makinesinde ozonlama testleri iki aşamada yürütülmüştür. Birinci aşamada, çamaşır makinesinde 14 L olarak deterjanlı, 20 – 40 – 60 – 80 mg/L boya konsantrasyonuna sahip yapay çözeltiler hazırlanmış ve ozonlanmıştır. İkinci aşamada, gerçek yıkama koşulunu temsilen ticari koşullarda üretilen kumaşların (1 kg) Beko 9 kg çamaşır makinesinde pamuklu 40 programında 52 g standart deterjan ile yıkanmasından elde edilen birinci durulama suları toplanarak ozonlanmıştır. Kırmızı ve mavi yapay boya çözeltilerinde renk giderme oranı %95 ve üzerinde gerçekleşmiştir, görsel olarak rengin tamamen giderildiği tespit edilmiştir. Renk giderimi etkinliğinin başlangıç boya konsantrasyonuna ve boyarmadde tipine bağlı olduğu belirlenmiştir. Boya konsantrasyonu arttıkça renk giderimi daha uzun sürede gerçekleşmiştir. Reaktif kırmızı 195 boyarmaddesi ile hazırlanan çözeltilerde renk gideriminin reaktif mavi boyarmadde ile hazırlanan çözeltilere göre daha uzun sürdüğü belirlenmiştir. Kırmızı ve mavi kumaşlardan elde edilen birinci durulamaya ait atık suların boya konsantrasyonu sırasıyla 35,1 mg/L ve 42,3 mg/L olarak belirlenmiştir ve kırmızı ve mavi renkli atık su çözeltilerinde %80 civarında renk giderimi sağlanmıştır. Renk giderimi mavi atık su çözeltisi için yaklaşık üç kat daha hızlıdır. Kırmızı renkli atık sularda 240 dakikada %76 oranında renk giderimi; mavi renkli atık sularda ise 70 dakikada %82 oranında renk giderimi gerçekleşmektedir. Ozonlama ile boyarmaddenin kromofor grubunun parçalanıp parçalanmadığının analizi için, 100 mg/L boya konsantrasyonuna sahip deterjansız çözeltiler ozonlanmış ve dondurularak kurutulmuştur. FTIR cihazı analizleri sonucunda, kırmızı çözeltilerde ozonlama etkisiyle 1540 cm-1 civarında görülen N = N bağının kırıldığı, dolayısıyla azo kromofor grubunun parçalandığı; mavi çözeltilerde ozonlama etkisiyle 1575 cm-1 civarında görülen kromofor grubu temsil eden antrakinon halkasına ait bağların kaybolduğu belirlenmiştir. Ozon ile rengi giderilen suyun kalitesi incelendiğinde, çıkış suyu parametrelerinin giriş suyu parametrelerine göre daha iyi seviyede olduğu saptanmıştır. AKM, bulanıklık, KOİ (%54 düşüş) ve TOK (%35 düşüş) parametrelerinde ozonlama işlemi etkisiyle belirgin düşüş sağlanmıştır. Hazırlanan prototip makinede geri dönüştürülen su bir sonraki çevrimin ana yıkama adımında kullanılmıştır. 10 çevrim süresince ozonlanmış su ile yıkanan çeşitli tekstil numunelerinde herhangi bir tekstil hasarlanma etkisi görülmemiştir. Geri kazanılmış su ve şebeke suyu ile yapılan yıkamaların yıkama performansı değerleri arasında belirgin bir fark tespit edilememiştir. Çamaşır makinesi ozon ile renk giderme sisteminin enerji tüketimi, mavi kumaştan elde edilen suyu ozonlamak için pamuklu 40 programının enerji tüketiminin yaklaşık beşte biri, kırmızı kumaştan elde edilen suyu ozonlamak için pamuklu 40 programının yaklaşık üçte ikisidir. Ozon ile renk giderme sistemine sahip çamaşır makinelerinin yaklaşık dörtte bir oranında su tasarrufu sağlayacağı tahmin edilmektedir. 8-9-10 kg kapasiteli çamaşır makinelerinde çevrim başı yaklaşık 14 L'lik su tasarrufunun bir yılda yaklaşık 1,24 hm3'lük su tasarrufu sağlaması beklenmektedir. Çamaşır makinesi ortamında atık suyun kendi kaynağında renginin giderilmesi, geri kazanımı ve tekrar kullanımı ile sürdürülebilir yaşam desteklenebilecektir. Geliştirilen ürünün hem ticari açıdan hem çevresel açıdan başarı potansiyeli bulunmakta hem de sürdürülebilir ürün gamında kalıcı bir yer edinmesi beklenmektedir.
-
ÖgeDevelopment of textile based temperature sensor for wearable electronics(Graduate School, 2021-09-30)Due to their compressibility, bendability, and compatibility with irregular and curvilinear surfaces, flexible and stretchable devices are attracting attention and have a wide range of applications. The increasing number of publications in this field demonstrates the growing popularity of flexible sensors. Flexible sensors provide mechanical robustness, biocompatibility, multifunctionality, and comfort when compared to conventional rigid sensors. For this reason, next-generation wearable technologies are expected to be driven by interest in flexible, stretchable, and soft devices. Textiles, in addition to their protective and aesthetic functions, provide an exceptional flexible platform for providing sensing functions and comfort to the wearer with diverse range of fibers, yarns, and fabric structures. New developments in printed electronics enable mass production of sensors using efficient printing processes by considerably minimizing costs and enhancing the potential of large-scale production. In this thesis, at first, the capabilities of temperature sensors, their sensing method, and previous research that has been conducted on them are presented. Additionally, the techniques and uses of inkjet printing are examined in detail. A comprehensive explanation of inkjet printing technology and printing challenges are issued. Dispersion is required for the development of inks that include carbon nanotubes. Due to the hydrophobic nature of carbon nanotubes, they must be distributed using a combination of mechanical and chemical methods. Numerous methods, including ultrasonication, non-covalent and covalent alterations, were used to disperse nanotubes. The use of various types of carbon nanotubes in CNT ink formulations is also studied. The development of conductive inks formulations containing CNT, PEDOT:PSS and CNT/PEDOT:PSS with a proper evaluation guideline is studied. Moreover, the concepts and properties of functional materials, as well as the critical additives used during the printing process that can have a significant influence on the printing process of conductive inks are discussed. The physical, structural, morphological, and electrical properties of the materials are investigated using various techniques (UV-Vis, FTIR, optical profilometer, SEM, AFM, optic microscope, multimeter, etc.). With relevant to print quality, the textile basis material should be dependable, maintaining a level surface and good uniformity during the printing process. In order to create conductive material sensors for temperature measurement, the inkjet printing process was used, which has the advantage of reducing ink waste while also being a low-cost and simple method. Following the procurement of CNT-based inkjet suitable dispersion, a PEDOT:PSS/CNT composite ink and a PEDOT:PSS inkjet appropriate dispersion are manufactured for temperature sensing. Appropriate ink formulations have been developed to produce high-quality inkjet-printed sensors, which are typically characterized by low imperfection points throughout the surface of the printing material. The sensor manufacturing process is then completed by including silver yarn, followed by the application of silver based conductive glue and an encapsulating operation. Spectrophotometer studies were conducted to determine the qualities of carbon nanotube printing when many print passes are used, as well as the color characteristics of the produced specimens. The properties of CNT based, PEDOT:PSS based and CNT/PEDOT:PSS composite based sensors are compared to investigate their temperature sensing performance. Hence, proper ink formulations with appropriate physical and chemical properties that typically affects homogeneous printing surface characteristics and sensing properties, were successfully developed by analysing their morphologies and printing parameters. It was determined whether the printed temperature sensors performed properly by subjecting them to a temperature range ranging from 25 to 50 degrees Celsius. Furthermore, wear and performance tests, such as durability against bending, folding, humidity, rubbing, washing, light, and human sweat, were carried out with the help of some characterization methodologies in order to investigate the sensor's reliability and durability under unfavorable situations. The sensor real time measurement using of a mannequin and human gloved hand are reported with discussions. As a result, during our proof-of-concept inquiry, our newly designed temperature sensor was placed to a mannequin's skin and human body on a gloved hand for temperature monitoring. Our developed wearable sensor provides highly accurate temperature monitoring. Lastly, the application based on artificial intelligence for the modeling of wearable sensors in various temperature and humidity conditions is described. Artificial neural networks (ANN) are used to model wearable sensors in various temperature and humidity conditions. The relationship between temperature, humidity, and electrical resistance is presented with the use of ANN. This innovative wearable temperature sensor development process is expected to aid development of smart wearable technologies. The developed sensor with its good mechanical properties and excellent sensing performance is believed to be useful for use in the textile products. Moreover, this developed sensor also offers the opportunity to be directly included in wearable smart systems in industrial production. In addition to the lack of standardized and consistent manufacturing techniques, there are unfortunately not yet any regular and comparable tests that can be used for the development and implementation of wearable e-textile sensors. Hence, this study will pave a way for development phases and implemenation of wearable e-textile sensors, in particular, contribute to industrialization in this area. To conclude, the developed textile-based sensor might be a solution instead of rigid device components for human body temperature monitoring and it can be directly utilized by sticking the sensor on various garment types while maintaining the user's comfort. Hence, it reveals a strong potential for use in wearable healthcare and biomedical applications.
-
ÖgeSynthesis of bleach activators for textile industry(Graduate School, 2021-06-29)Cotton fiber, is the most widely used natural fiber worldwide, contains undesired natural yellowish-brown coloring matters that hinder absorbency (wetting), reduce the natural whiteness of the fibers. These coloring impurities, which may cause poor dyeing quality, poor finishing performance and end product defects, must be removed by bleaching process to prepare the textile materials for dyeing and finishing. Hydrogen peroxide (H2O2), a universal and environment-friendly bleaching agent, is widely used for cotton and cotton blends. Conventional hot hydrogen peroxide bleaching is conducted under alkaline medium (pH 10.5–12) at high temperatures near boiling (at around 98 °C), leading extensive use of energy and severe chemical damage to textiles. Increasing demands for textile bleaching include reduction in processing costs (energy and water consumption), reduction in environmental impact and improvement in quality. Since energy is one of the main cost factors in textile industry, there has been considerable interest in recent years in ''low temperature'' bleaching. Activated peroxide systems have been investigated as an alternative approach to cotton bleaching at lower temperatures. Although there have been many reports on the use of cationic bleach activators for cotton bleaching, yet it has never reached the commercial success due to either production cost on a large scale, environmental concerns and/ or activity. This study focuses on the development and synthesis of novel, sustainable based on aliphatic acid chloride and more cost-effective cationic bleach activators, with the aim of reduced production cost, improved affinity and bleaching performance, reduced fiber damage for low temperature cotton bleaching to overcome the drawbacks of conventional hot hydrogen peroxide bleaching and other cationic bleach activators based on aromatic acid chloride. Compared to conventional peroxide bleaching, using a bleach activator in a peroxide bleaching bath is an effective and kinetically more potent oxidation generating highly reactive peracid in situ, providing low-temperature bleaching. Activated bleach systems have the potential to produce more efficient kinetically potent bleaching systems through increased oxidation rates with reducing energy cost, saving time and, hence, causing less cellulose polymer chains damage or degradation than conventional hot peroxide bleaching. Cationic bleach activators have been investigated as the next generation bleach activators with inherent substantivity towards cellulosic fibers. In this study, facile synthesis of more sustainable and cost-effective bleach activators (N-[4-(N,N,N)-triethylammoniumchloride- butyryl] caprolactam, TBUCC, and N-[4- (N,N,N)-triethylammoniumchloride- butanoyl] butyrolactam, TBUCB, based on an aliphatic acyl chloride (4- chlorobutyryl chloride), was reported. Fourier transform infrared and high resolution mass spectrometry and 1HNMR confirmed the molecular structure of the synthesized bleach activator. Bleaching performance of newly- synthesized bleached activators was evaluated in terms of whiteness index, water absorbency and fiber damage (degree of polymerization) and compared with conventional peroxide system. Central composite design (CCD) (orthogonal blocks) was used to establish an optimized TBUCB-activated hot peroxide-cotton bleaching system at lower temperature for providing reduced energy cost and maintaining the integrity of cellulose polymer chains. The significance of the process parameters (independent variables) and their interactions were statistically evaluated using Minitab. First principles density functional theory (DFT) calculations were performed to elucidate the reaction mechanism via identifying plausible transition state(s) of the nucleophilic attack of perhydroxyl anion (HOO-) with different carbonyl carbons and identifying the advantages and limitations of TBUCB activator for hydrogen peroxide bleaching for cotton. The synthesis of bleach activators was conducted using a two-step reaction procedure. In the first step, intermediate product was synthesized by condensation reaction of 4- chlorobutyryl chloride with lactam leaving groups (caprolactam and butyrolactam). In the second step, quaternization step was performed to obtain the cationic bleach activators. Experimental results show that, in TBUCC-H2O2 system, the whiteness index (WI) of bleached samples improved when 1:8 and 1:10 molar ratio of TBUCC: H2O2 was used at 60 °C for 30 min. Using 1:8 molar ratio of TBUCC: H2O2 at 36.7 mmol/L activator provided a WI of 70. As the temperature increased from 60 to 70 °C, WI increased to 75.72 and 78.97 at 1:10 and 1:12 molar ratio of TBUCC to H2O2, respectively. The optimum pH was found to be 11.5 for effective bleaching performance. It was concluded that the effective concentration of generated PAA depends on the concentration of H2O2 up to a certain level. Based on the results of the experimental design and statistical analysis, a WI higher than 70 was achieved for TBUCB-activated bleach system at 9.47 g /L (29.7 mmol/L) and higher activator concentrations and at a molar ratio of 1:6-1:10 activator: H2O2. WI higher than 80 can be achieved between 11.7 g/L (36.7 mmol/L) and 13.93 g/L (43.7 mmol/L) of activator concentrations at a temperature of 80 0C. Considering the significance of the process parameters (independent variables) and their interactions, temperature (D) followed by molar ratio of activator: H2O2 (B) and concentration of activator (A), respectively, have the highest statistical relevance on whiteness index. On the other hand, it was revealed that the two-way interaction between the concentration of activator (A) and the molar ratio of activator: H2O2 (B) is greater than the other two-way interactions. When the bleached samples with similar whiteness values were compared (WI= ~ 75) in terms of fiber damage for conventional and activated peroxide bleaching systems, a 19.5% decrease in the average degree of polymerization (DP) was observed in conventional peroxide bleaching, while a decrease of 11.4% and 9.8% was observed in the TBUCC and TBUCB activated peroxide bleach systems, respectively. All these results show that whiteness index greater than 80 for cotton can be achieved by using TBUCC and TBUCB activated peroxide bleaching systems at lower temperature, providing reduced energy cost while maintaining the integrity of cellulose polymer chains. Density functional theory calculations were performed to elucidate the reaction mechanism of the bleach activator with cellulose and rationalize the superior efficiency of the bleach activator while maintaining the integrity of cellulose polymer chains compared to conventional hydrogen peroxide bleaching. DFT calculations elucidated the reaction mechanism, reactivity and peroxide bleaching reaction pathway of the perhydroxyl anion attack at carbonyl group of the butanoyl segment not at the carbonyl carbon of the butyrolactam, which is consistent with the experimental results. Reactions were found to follow two step mechanisms, which are perhydroxyl anion attack at the carbonyl carbon and the peracid formation. Reaction barrier for the perhydroxyl anion attack at the carbonyl carbon was calculated by using sum of electronic and thermal free energies at 70 ̊C under water solvation effect and determined as 12.55 kcal/mol. For perhydroxyl anion attack, TBUCB was found to have a lower reaction barrier and higher solubility than TAED, which was determined as 13.72 kcal/mol. These newly developed and synthesized aliphatic acid chloride-based cationic bleach activators, which are more cost-effective, sustainable and highly reactive compared to other aromatic based cationic bleach activators, enable peroxide bleaching possible at lower temperature (70 0C) compared to conventional hot peroxide bleaching (98 0C). With a sustainable production approach, using these novel cationic bleach activators in hot peroxide bleaching bath provides many advantages such as energy savings, reduced production cost, improved affinity and bleaching efficiency (whiteness index), and less fiber damage. This study provides key fundamental science principles and suggestions at the molecular level of novel and sustainable bleach activators for cotton using a combined experimental and first principles DFT calculations. This study is expected to provide a great contribution to the commercialization of these novel, more sustainable and effective cationic bleach activators for cellulose and cellulosic materials and to the future development of cost-effective industrial bleach activators and sustainable bleaching systems.