Simulation-based analysis of porosity in needle punched nonwoven structures

Abstract

Nonwoven fabrics, produced without traditional weaving or knitting, offer advantages such as low production cost, fast processing, and high design flexibility. Among them, needle-punched nonwovens are notable for their mechanical bonding achieved without chemical binders, making them suitable for a wide range of technical applications. This thesis focuses on developing a simulation-based model to analyze the porosity of needle-punched nonwoven structures at the microstructural level. A Python-based algorithm was integrated with the TexGen software to simulate random fiber orientations, segmentations, and distributions, enabling virtual reconstruction of the nonwoven fabric. The literature review covers the evolution of nonwovens, web formation techniques bonding methods. It also discusses modeling strategies including statistical regression, artificial neural networks (ANN), and image-based simulations. These approaches are compared in terms of their ability to predict structural and performance parameters. Experimentally, needle-punched polyester nonwoven samples were prepared and tested for thickness, tensile strength, bursting strength, abrasion resistance, water contact angle, air permeability, and porosity. SEM imaging combined with ImageJ analysis was used to quantify fiber fraction and pore structures. Results showed high mechanical strength, strong hydrophobicity, and good air permeability. The modeled porosity (38%) closely matched experimental values (36%), with only a 2.3% deviation. In conclusion, the developed model effectively predicts porosity by incorporating parameters like fiber diameter, thickness, and alignment. The findings validate the model's accuracy and highlight its potential for use in designing high-performance nonwoven materials in various technical sectors. This work offers a digital tool that can reduce physical trial-and-error processes and accelerate product development in the nonwovens industry.

Dokunmamış (nonwoven) tekstil yüzeyleri, liflerin geleneksel dokuma veya örme işlemlerinden geçmeden fiziksel yöntemlerle bir arada tutulduğu, üretimi hızlı ve maliyeti düşük tekstil malzemeleri olarak öne çıkmaktadır. Bu yapıların en önemli avantajlarından biri, üretim süreçlerindeki esneklik ve düşük enerji gereksinimi sayesinde geniş bir ürün çeşitliliği sunabilmeleridir. Özellikle iğneleme (needle punching) yöntemi ile birleştirilen dokunmamış kumaşlar, herhangi bir bağlayıcı kimyasal kullanılmaksızın lifleri mekanik olarak kenetlediği için çevre dostu olup tekstil endüstrisinde çok çeşitli teknik uygulama alanları bulmuştur. Gözeneklilik, bu tür dokunmamış yapıların iç yapısını ve performansını belirleyen kritik bir parametredir; dolayısıyla gözenekli yapının doğru modellenmesi malzeme tasarımı açısından büyük önem taşır. Bu tez çalışmasının temel amacı, iğneleme yöntemiyle üretilmiş dokunmamış lif yapılarını mikroyapı düzeyinde sayısal olarak modelleyip, bu malzemelerin fiziksel ve mekanik özelliklerini önceden tahmin edebilmektir. Bu doğrultuda geliştirilen parametrik model ile lif yönelimi, lif çapı, katman (kumaş kalınlığı) ve birim alan ağırlığı gibi temel yapısal parametrelerin kumaş gözenekliliğine etkisi analiz edilmiş ve elde edilen sayısal sonuçlar deneysel veriler ile karşılaştırılarak modelin geçerliliği değerlendirilmiştir. Tezin literatür incelemesinde dokunmamış kumaşların tanımı, tarihsel gelişimi, üretim yöntemleri ve lif bağlama teknikleri ayrıntılı bir çerçevede ele alınmıştır. Dokunmamış tekstillerin geleneksel keçeleştirme uygulamalarından, sanayi devrimi ile gelişen iğneleme makinelerine ve 20. yüzyıldaki termoplastik lif teknolojilerine uzanan tarihsel gelişimi vurgulanmıştır. EDANA tarafından ortaya konan dokunmamış kumaş tanımının ve ASTM'nin 1962 yılında yaptığı resmi sınıflandırmanın, bu malzemelerin ayrı bir kategori olarak kabul edilmesindeki rolü tartışılmıştır. Üretim teknikleri bağlamında kuru serim, ıslak serim ve polimer eriyikten doğrudan elyaf serme (spunmelt, ör. spunbond ve meltblown) yöntemleri karşılaştırılarak, farklı lif türleri (doğal, sentetik, geri dönüştürülmüş, biyobozunur) ve işlem adımlarının elde edilen dokunun yapısal özelliklerine etkisi literatür ışığında açıklanmıştır. Liflerin bir arada tutturulması için uygulanan bağlama süreçleri arasında mekanik (iğneleme ve hidroçaprazlama/spunlace), termal (kalenderleme) ve kimyasal (binder reçine spreyleri) teknikler değerlendirilmiş; her bir yöntemin nihai ürün performansına etkileri önceki çalışmalar referansıyla özetlenmiştir. Ayrıca modelleme yaklaşımları konusunda, dokunmamış yapılara yönelik istatistiksel modellerden yapay zeka tabanlı yöntemlere uzanan geniş bir yelpaze incelenmiştir. Örneğin liflerin rastgele yerleşimlerini simüle etmek amacıyla Monte Carlo benzeri algoritmalar ve yapay sinir ağları (YSA) kullanıldığı; bunun yanı sıra taramalı electron mikroskobu (SEM) görüntülerinin dijital analizi ile lif yönelimi ve gözenek geometrisinin nicel olarak belirlenebildiği çalışmalar literatürde öne çıkmaktadır. Lif yönelimi, lif çapı dağılımı ve dokunun yoğunluğu gibi parametrelerin kumaşın nihai mukavemet, hava geçirgenliği ve termal yalıtım gibi özelliklerine etkisini öngören önceki araştırmalar incelenmiş; bu çalışmaların tekstil endüstrisinde üretim parametrelerini optimize etme ve ürün geliştirme süreçlerini iyileştirme açısından sunduğu katkılar tartışılmıştır. Bu çalışmada araştırma yöntemi olarak hem deneysel hem de sayısal simülasyon teknikleri kullanılmıştır. Deneysel kısımda, 6.7 denye inceliğinde ve 64 mm lif boyunda boşluklu (hollow) polyester lifler taraklanarak düz bir web haline getirilmiş ve ardından iğneleme işlemiyle mekanik olarak kenetlendirilerek dokunmamış numuneler üretilmiştir. Elde edilen numunelerin fiziksel ve mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla çeşitli testler uygulanmıştır: kumaş kalınlığı ölçümü, çekme mukavemeti testi, patlama dayanımı testi, sürtünmeyle aşınma (abrasion) testi, yüzey su temas açısı ölçümü ve hava geçirgenliği testi. Ayrıca, gözeneklilik analizini yapabilmek için numunelerin mikro yapısı taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüntülenmiş ve elde edilen kesit görüntüler üzerinde ImageJ yazılımı kullanılarak lif hacim fraksiyonu ile gözenek oranı hesaplanmıştır. Bu veriler, sayısal modelin doğrulanması için temel kıstaslar olarak kullanılmıştır. Sayısal modelleme aşamasında ise Python tabanlı özel bir algoritma geliştirilerek TexGen yazılımı ile entegre edilmiştir. Bu modelleme yaklaşımı, liflerin 3B uzayda rastgele yönelimlerle konumlandırılmasını ve her bir lifin belirli segmentlere ayrılmasını sağlamıştır. Her lifin başlangıç konumu, yönelim açısı ve segment uzunluğu gibi parametreler rastgele atanarak, gerçekçi bir sanal dokunmamış yapı modeli oluşturulmuştur. Geliştirilen model aracılığıyla lif yoğunluğu, katman kalınlığı ve lif çapı gibi parametreler kolaylıkla ayarlanabilmiş; böylece farklı yapısal senaryoların gözeneklilik üzerindeki etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Modelle hesaplanan gözeneklilik değeri daha sonra deneysel olarak belirlenen gözeneklilik ile karşılaştırılarak modelin öngörü doğruluğu değerlendirilmiştir. Deneysel testler sonucunda elde edilen bulgular, üretilen iğne delikli dokunmamış kumaşın çeşitli performans kriterlerinde tatmin edici özellikler sergilediğini göstermiştir. Çekme testinde, kumaşın yaklaşık 0.50 MPa maksimum çekme direncine ve %56 civarında kopma uzamasına sahip olduğu belirlenmiş; bu da yapının yeterli mekanik dayanım ve esneklik sağladığını kanıtlamıştır. Patlama dayanımı testinde, kumaşın \~10 kg/cm²'lik bir basınca dayanabildiği görülmüş ve bu seviyenin teknik tekstil uygulamaları için uygun olduğu not edilmiştir. Aşınma testlerinde, numuneler 1500, 3000 ve 4500 döngüde incelenmiş; daha yüksek döngülerde yüzeyde belirgin aşınma gözlenmekle birlikte 4500 döngüye kadar yapının bütünlüğünü koruyabildiği, dolayısıyla orta düzeyde bir aşınma direncine sahip olduğu tespit edilmiştir. Hidrofobiklik ölçümünde, polyester liflerin yapısal özelliği gereği su temas açısının 143° gibi oldukça yüksek bir değer olduğu kaydedilmiş, bu da kumaş yüzeyinin yüksek derecede hidrofobik olduğunu doğrulamaktadır. Hava geçirgenliği testinde ise kumaş kalınlığının hava akışına önemli etkisi olduğu, numunenin yüksek hava geçirgenliği değerleri sergilediği belirlenmiştir. Sayısal model üzerinden hesaplanan gözeneklilik oranı yaklaşık %38 olup, deneysel yöntemle ölçülen gözeneklilik oranı \~%36 olarak bulunmuştur. İki değer arasındaki yaklaşık %2,3'lük fark oldukça küçük olup modelin öngörü kabiliyetinin yüksek olduğunu göstermektedir. Ayrıca, fiziksel numune ile sayısal modelin mikroyapıları karşılaştırıldığında lif oryantasyonu, tabaka dizilimi ve boşluk dağılımı bakımından büyük ölçüde benzerlik olduğu görülmüştür. Bu yapısal uyum, modelin gerçek malzemeyi başarıyla temsil ettiğinin bir göstergesidir. Parametrik analizler neticesinde, dokudaki lif çapının artmasıyla gözeneklilik oranının belirgin biçimde azaldığı; benzer şekilde birim alandaki katman sayısının (dolayısıyla kumaş kalınlığının) artmasının da yapının gözenekliliğini düşürdüğü tespit edilmiştir. Bu eğilimler, modelin lif çapı, lif düzeni ve tabaka yoğunluğu gibi yapısal parametrelerin gözeneklilik üzerindeki etkilerini doğru bir şekilde yakalayabildiğini ve literatürde öngörülen sonuçlarla uyumlu olduğunu ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması dokunmamış tekstillerin gözeneklilik gibi kritik içyapı özelliklerini sayısal modelleme ile öngörmeye yönelik yenilikçi bir yaklaşım sunmuştur. Geliştirilen model, mikroyapı düzeyindeki parametreleri (lif yönelimi, lif çapı, lif yoğunluğu vb.) ayarlayarak makro ölçekteki malzeme özelliklerini önceden tahmin edebilmesi bakımından literatüre önemli bir katkı sağlamıştır. Modelin deneysel verilerle doğrulanmış olması, benzer simülasyon tabanlı yaklaşımların gelecekte farklı lif tipleri, lif karışımları, çok katmanlı yapılar veya farklı iğneleme yoğunlukları için de uygulanabileceğine işaret etmektedir. Ayrıca, elde edilen sayısal model gelecekte sadece gözeneklilik ile sınırlı kalmayıp, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) veya sonlu eleman analizi gibi yöntemlerle entegre edilerek dokunmamış yapıların filtrasyon, akustik soğurma ya da termal yalıtım performanslarının öngörülmesi amacıyla da kullanılabilir. Bu çalışma sayesinde dokunmamış kumaşların tasarım aşamasında performans tahminleri yapılarak deneme-yanılma ihtiyacı azaltılabilir. Endüstriyel açıdan bakıldığında ise, sunulan modelleme tekniği yeni teknik tekstil ürünlerinin geliştirilmesinde mühendis ve tasarımcılara güçlü bir dijital araç sağlamakta, üretim parametrelerinin optimizasyonunu ve yenilikçi ürün geliştirme süreçlerini hızlandırmaktadır.