Faz Değişim Malzemelerinin Tekstil Ürünlerinde İncelenmesi

Abstract

Son yıllarda geleneksel tekstil ürünlerinden ziyade katma değeri yüksek yenilikçi tekstil ürünlerine olan ilgi hızla artmaktadır. Bu alanda hem bilimsel araştırmaların, hem de tekstil üretici firmaların araştırma ve geliştirme yatırımlarının arttığı görülmektedir. Akıllı tekstiller olarak bilinen dışarıdan gelen değişikliği algılayıp, değerlendiren ve uygun şekilde tepki gösteren tekstil ürünlerine olan talep hızla artmaktadır. Bunun nedeni insanların tekstil ürünlerinden beklentilerinin değişmesidir. Artık tekstillerde örtünme olgusundan ziyade çeşitli fonksiyonlara sahip olup olmaması tekstil ürünlerinin geleceğini belirlemektedir. Aynı zamanda, üzerinde önemle durulan ve araştırmaların hızla yükseldiği bir alan da tekstil ürünlerindeki konfor özelliğidir. Konfor kavramının ortaya çıkışıyla beraber, tekstil ürünlerindeki beklenti sadece fonksiyonellik yönünde olmayıp, kullanım sırasında kişiye dokunma, termofizyolojik ve psikolojik açıdan konfor sunması gerektiği yönündedir. Eskiden örtünmek, soğuktan ya da sıcaktan korunmak gibi amaçlarla tekstil ürünlerine talep doğuyorken, son yıllarda performans özelliklerinin yanı sıra konfor özellikleri talebi belirlemektedir. Günümüzde insanların hayat standartlarının artmasıyla tekstil ürünlerinden beklentileride değişmektedir. Akıllı tekstil ürünleri bu isteğe cevap verir niteliktedir. Gün içinde yoğun çalışma temposu, beraberinde yorgunluk ve stres getirmektedir. Bununla beraber gece boyunca konforsuz bir uyku bu olumsuzlukları daha da arttırmaktadır. Güne zinde başlamak için konforlu bir uyku şarttır. Gece boyunca sahip olunan konforlu uyku beynin tazelenmesini vücudun tekrar güçlenmesini sağlar. İşte bu tez araştırmasında ulaşılmak istenen temel amaç, yatağın konfor özelliklerini geliştirerek konforlu bir uyku elde etmektir. Bu çerçevede ısıl konfor sağlayan yatak tasarlanmıştır. Bu sayede, insanlarin arzuladıkları rahat uykuya ulaşmaları sağlanacaktır. Bu amaçla faz değişim maddesi (FDM) ve iletken iplik kullanılarak yatak üst yüzeyi tasarlanmıştır. Faz değişim maddeleri 1980’li yılların başlarında ilk olarak NASA tarafından yürütülen araştırmalarda astronotları aşırı sıcaklık dalgalanmalarından korunmak amacıyla kullanılmıştır. Günümüzde hala önemini arttırarak çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Faz değişim maddeleri, ortam sıcaklığı maddenin erime scaklığına yükseldiğinde, erimeye başlayan ve erime prosesi boyunca ortamdan ısı alan, tam tersi durumda sıcaklık maddenin donma noktasına kadar düştüğünde ise donma prosesi boyunca depoladığı bu ısıyı ortama geri verebilen maddelerdir. Yüksek ısıl enerji depolama kapasitelerine sahiptirler. FDM’lerin sürdürülebilir şekilde uzun süreli kullanılabilmesi için mikrokapsül denilen koruyucu kabuk içinde tutulması gerekir. Mikrokapsüller FDM’lerin taşınması ve tekstil ürününde bozulmadan etkinliğini sürdürmesi açısından gereklidir. ortamdan aldığı yüksek enerjiden faydalanarak ısıl yalıtım sağlamak hedeflenmiştir. Bunun için dört farklı kumaş, mikrokapsüllenmiş FDM içeren farklı konsantrasyonlardaki banyolardan geçirilerek fulartta emdirilmiştir. Ardından fiksaj işlemleri kurutucularda gerçekleştirilmiştir. Kumaşlardan ikisi %100 pamuk, bir tanesi %100 yün, diğeri ise %60 PET ve %40 viskoz karışımından meydana gelmiştir. 150 g/l, 300 g/l ve 600 g/l olmak üzere 3 farklı konsantrasyonda çözeltiler hazırlanmıştır. 300 g/l’lik çözeltilerden birisine ilave yumuşak tutum efekti elde etmek amacıyla yumuşatıcı konulmuştur. Burada farklı elyaf cinsleri üzerinde farklı konsantrasyon oranlarında FDM içeren banyoların etkinliği incelenmiştir. Elyaf cinsi ve farklı konsantrasyonların yanısıra kumaş sıklığının da değişik boyutlardaki FDM içeren mikrokapsüllerin kumaş yüzeyine diffüzyonuna olan etkisi gözlemlenmiştir. FDM olarak oktadekan, eikosan ve mikrokapsül olarak melamin-formaldehit kullanılmıştır. FDM ile emdirilmiş kumaşların yüzey morfolojisi tarayıcı electron mikroskobu arayıcılığıyla incelenmiştir. Burada, kumaş sıklığının mikrokapsüllenmiş FDM’lerin lifler arası diffüzyon yeteneğine etkisi gözlemlenmiştir. Ayrıca mikrokapsül boyutunun da lifler arası diffüzyonda etkili olduğu görülmüştür. Isıl özellikleri ise diferansiyel taramalı kalorimetri ve termal kamera cihazları aracılığıyla araştırılmıştır. Mikrokapsüllenmiş FDM ile işlem görmüş kumaşların ne kadar ısıl kapasiteye sahip olduğu diferansiyel taramalı kalorimetri cihazı ile ne kadar sürede etkin olduğu ise termal kamera aracılığıyla bulunmuştur. Yatak üst astar kumaşları olarak PET/viskoz karışımından oluşan kumaşlar kullanılmıştır. Bunların piyasada yaygın olarak kullanıldığı bilindiğinden ve optimum sonuçları vermesinden ötürü tercih edilmiştir. Buyüzden, ileriki testlerde bu cins kumaşlar kullanılmıştır. Bu çalışmanın yenilikçi yönlerinde birisi faz değişim maddesi içeren mikrokapsüllerin tekstil ürününe aplikasyon yöntemidir. Çünkü klasik yöntem ile aplikasyonda faz değişim maddesi ya eriyikten lif çekme yöntemine göre lif içine hapsedilerek ya da kaplama yönteminde binder yardımıyla kumaş yüzeyine tutundurularak yapılmaktadır. Bizim yaptığımız çalışmada ise faz değişim maddesi içeren mikrokapsüllerin yüzeyinde fonksiyonel uç gruplar bulunmaktadır. Fonksiyonel uç grupların tekstil yüzeyi ile yaptıkları bağ vasıtasıyla faz değişim maddesi içeren mikrokapsüler lif yüzeyine tutunmaktadır. Ayrıca bu tez çalışmasının diğer yenilikçi yönü termal kameranın kullanım amacıdır. Çünkü bu tip araştırmalarda termal kameralar nitel analiz yöntemi olarak kullanılmaktadır. Ancak bu çalışmada nitel analizin yanı sıra nicel analiz içinde kullanılmıştır. Bunun için model kurulmuştur. Busayede faz değişim maddesinin tekstil ürününde etkinliği matematiksel veriler ile ortaya çıkarılmıştır. Yapılan literatür araştırması sonucu konforlu uyku için ideal yatak sıcaklığının 28°C -33°C arasında değiştiği bilgisine varılmıştır. Bu sıcaklık aralığının herkes için sabit olmadığı klinikten kliniğe değiştiği; ayrıca deneklerin cinsiyetine, yaşına, uyku probleminin olup olmamasına bağlı olarak değişim gösterdiği sonucuna ulaşılmıştır. Bu sıcaklık aralığını yakalamak amacıyla oktadekan ve eikosan yüzde elli oranında karıştırılarak kullanılmıştır. Burada emdirme yöntemi kullanılmıştır buyüzden reaktif grup içeren miktokapsüller tercih edilmiştir. Reaktif grupların mikrokapsül ve lif arasında bağ yapması sağlanmıştır. İleride üretilecek yatak modelinde kullanılacak olan paslanmaz çelik ipliği PET/viskoz kumaşa dikilmiştir. Çelik ipliği hem ısıyı hemde elektriği iyi iletebilmektedir. Bu nedenle, güç kaynağından üretilen elektrik enerjisi çelik ipliğe uygulanmıştır. Sonuç olarak, iletken paslanmaz çelik ipliği sahip olduğu dirençten ötürü ısıtılmıştır aynı zamanda FDM içeren kumaş örneğininde ısıtılması sağlanmıştır. Paslanmaz çelik ipliğinden elektrik enerjisinin geçirilmesiyle ısıtılan PET/viskoz kumaş üzerinde bulunan FDM’lerin eritilmesi sağlanmıştır. Daha sonra elektrik enerjisi kesilmiş ve soğuma adımına geçilmiştir. Eritilmiş halde bulunan FDM’ler ortam sıcaklığının düşük olmasından ötürü donmaya başlamıslardır. Bu sırada FDM’lerin ortama verdiği ısı miktarı, aynı zamanda sağlanan yalıtım süresi termal kamera kullanılarak hesap edilmiştir. Bu veriler ışığında bire iki metre boyutlarında olan bir yatak için aplike edilecek FDM miktarına bağlı olarak sağlanacacak yalıtım miktarı ve süresi bulunmuştur. Burada FDM’nin yalnızca soğuma adımındaki etkisi incelenmiştir. Çünkü eriyik haldeki FDM’ler oda sıcaklığı etkisiyle donmakta test verisi almak için yeterli süre elde edilmektedir. Buna rağmen ısıtıcı plaka ya da iletken ipliğe elektrik enerjisi verilmesi işlemleri ayrı ayrı incelendiğinde, ısıtma etkisine karşı FDM’lerin tepkisinin sağlıklı sonuçlar vermediği görülmüştür. Çünkü gerek ısıtıcı plakanın gerekse iletken ipliğin termal kapasitelerinin yüksek olmasından ötürü kumaşlar hızla ısınmaktadır. Ortam sıcaklığındaki en ufak oynamaların test sonucunu etkileyeceği bildiğinden soğutma işlemlerinde ortam sıcaklığı farklılığı dikkate alınarak veriler yorumlanmıştır. Son olarak, bu tez çalışması Avrupa Birliği 7. Çerçeve Programı kapsamında desteklenen ALL4REST projesinin ürünüdür. ALL4REST projesi konforlu uyku koşullarını geliştirmeyi hedeflemektedir. Projeye 13 partner, Almanya, Portekiz, Hollanda, İspanya ve Belçika’dan katılmıştır. Proje dört ayrı koldan incelenmiştir: Bunlar, doğaya zarar vermeyecek materyaller kullanılarak konforlu uyku sağlayıcı ürünler yaratmak; kapsülleme sistemleri kullanılarak konforlu uyku sağlayıcı ürünler geliştirmek; termal konforlu uyku ortamı sağlamak amacıyla faz değişim maddelerinin kullanılma yollarının araştırılması ve son olarak sensör sistemleri monte edilerek uyku kalitesinin ölçülmesidir. Proje numarası FP7-SME-2010-1 262652’dir. Bizimde bu proje adı altındaki hedefimiz ısıl konfor yaratan yatak sistemini tasarlamaktır. Ayrıca yapılan çalışma İstanbul Teknik Üniversitesi Tekstil Mühendisliği Fakültesi ve Gent Üniversitesi Tekstil Mühendisliği Bölümleri arasında gerçekleşen Erasmus Öğrenci Değişim Programı tarafından desteklenmiştir.

The expectancies of humans from textile garments are changing as their life standard increases. Smart textiles respond to these desires. An intensive working life is a cause of stress and fatigue. Moreover, an uncomfortable sleep raises negative feelings. In this regard, the ultimate aim of the study presented in this thesis is to improve sleeping comfort by means of enhancing bed comfort properties. Therefore, phase change materials (PCMs) and conductive yarn were used in order to create thermal comfortable bed system. NASA firstly used phase change materials in space research to protect astronauts from excessive temperature oscillating in outer space. It still maintains its importance in variety of areas increasingly. We also used PCMs to create a thermal comfortable bed system. Because of this reason, four different kinds of mattress ticking fabric were padded with microencapsulated PCM including solutions, which were in different concentration. These were 150 g/l, 300 g/l and 600 g/l. Softener was added to the one of the 300 g/l solution. Fabrics were passed through the cylinders in fulard. Two fabrics were 100% cotton, one was 100% wool and another one consisted 60% polyester (PET) -%40 viscose (CV). Their thermal behaviors were investigated. Octadecane, eicosane and melamine-formaldehyde were used as PCM and microcapsule, respectively. The surface morphology of the treated fabrics was evaluated by Scanning Electron Microscope (SEM), thermal properties were evaluated by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and thermographic camera. Consequently, PET/viscose fabric was used for future tests because of widely usage as bed mattress ticking material. After doing a literature survey, it came out that the ideal bed microclimate to have a comfortable sleep should be between 28°C and 33°C. The comfortable bed temperature is not at a certain point. The results exhibit partly change clinics to clinics besides, it depends on the gender, age and insomnia problems of the subjects. Initially, n-octadecane was used to attain thermal insulation effect. Then, n-octadecane and n-eicosane were mixed in 50% proportion accordingly in order to attain the comfortable bed microclimate. Afterwards, stainless steel yarn was embroidered onto the surface of PET/viscose fabric to generate bed model for future investigation. Conductive stainless steel yarn has resistance so electric energy was applied to conductive yarn by means of power supplier. Not only the yarn but also the PET/viscose fabric was getting warm. Then, PCMs inside microcapsules melted. After, all PCMs melted power application was terminated. In conclusion, thermal properties were able to be examined by thermographic camera in the cooling step. As a result, PET/viscose exhibited adequate thermo capacity. This research was funded by European Union 7th Framework Program under the name of ALL4REST project. The project involves 13 partners coming from Germany, Portugal, Spain, Netherland and Belgium. The project number is FP7-SME-2010-1 262652. Moreover, the thesis was carried out by means Erasmus Student Exchange Program between Istanbul Technical University Textile Faculty and Ghent University Textile Engineering Department.