Isıya ve pH'A duyarlı akıllı tekstillerin geliştirilmesi
Development of thermo-responsive and pH sensetive smart textiles
Yazar: SENA DEMİRBAĞ GENÇ
Danışman: DOÇ. DR. SENNUR ALAY AKSOY
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, çevre koşullarına duyarlı akıllı tekstil materyallerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç için ilk olarak, N-izopropilakrilamid esaslı ve N-vinilkaprolaktam esaslı olmak üzere altı farklı polimer sentezi serbest radikal katılma polimerizasyonu yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. N-izopropilakrilamid monomerinin kitosan polimeri ile aşı polimeri ve metakrilamit monomeri ile kopolimeri sentezlenmiştir. Kopolimer sentezinin amacı polimerlere ısıya duyarlı özellik yanında pH duyarlı özellik kazandırmaktır. Vinilkaprolaktam esaslı polimer sentezinde vinil kaprolaktam monomeri etilen glikol ile hidrolize edilmiş ve yeni bir monomer elde edilmiştir. Polimer sentezi elde edilen bu yeni monomer kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, sentezlenen polimerler iki farklı konsantrasyonda emdirme yöntemiyle pamuklu kumaşlara uygulanmıştır. Böylece, ısıya ve/veya pH'a duyarlı özellikli kumaşlar üretilmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise, N-izopropilakrilamid monomerinin direkt olarak kumaş yüzeyinde polimerizasyonu gerçekleştirilmiştir.
Sentezlenen polimerlerin kimyasal yapısı Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi (FT-IR) ve Nükleer Manyetik Rezonans (1H NMR) spektrumları analizi ile incelenmiştir. Polimerlerin moleküler ağırlıkları kriyoskopi yöntemi ile belirlenmiştir. Polimerlerin faz değişimi sergiledikleri alt kritik çözelti sıcaklığı (AKÇS) polimer sulu çözeltisinin bulanıklaşmaya başladığı sıcaklığın tayini ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) analizi ile araştırılmıştır. Isıya duyarlı polimer uygulanmış kumaşların morfolojileri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiş ve kumaşların yapısındaki polimerin varlığı FT-IR analizi ile ispatlanmıştır. Kumaşların ısıya duyarlı olarak hidrofilik/hidrofobik davranışları damla testi, absorbsiyon kapasitesi testi, temas açısı ölçümü, yüzey enerjisi analizi ve su buharı geçirgenliği testi ile araştırılmıştır. Tüm test ve analizler polimerin AKÇS sıcaklığının altınaki ve üstündeki sıcaklıklarda tekrarlanmış, sonuçlardaki farklar araştırılmıştır. Ayrıca, kumaşlara polimerler uygulamasının kumaşların eğilme direnci ve yırtılma mukavemeti üzerindeki etkileri incelenmiştir. Isıya duyarlı polimer uygulanmış kumaşların yıkamaya karşı kalıcılığı, 1 yıkama, 5 yıkama ve 10 yıkama sonrasındaki kumaşta meydana gelen gramaj kaybı ve absorbsiyon kapasitesi ölçümleri ile belirlenmiştir. 
Çalışma neticesinde, N-izopropilakrilamid esaslı ve N-vinilkaprolaktam esaslı polimerlerin sentezinin başarılı bir şekilde gerçekleştiği ve polimerlerin tersinir olarak ısıya duyarlı özellik sergilediği tespit edilmiştir. Sentezlenen polimerlerin AKÇS değerlerinin 31-41°C aralığında değiştiği ve polimerlerin faz değişimi gösterdikleri aralıkların tekstil uygulamaları için uygun olduğu görülmüştür. Isıya duyarlı kumaşlar üretmek için sentezlenen polimerler pamuklu kumaşlara uygulanmıştır. Sıcaklık artarken belirli bir sıcaklıkta kumaşların hidrofil karakteri hidrofob karaktere dönüşmüştür. Bu dönüşüm sıcaklıktaki değişime bağlı olarak tersinir olarak gerçekleşmiştir. Benzer şekilde, N-izopropilakrilamid monomerinin kumaş yüzeyinde polimerizasyonu ile ısıya duyarlı kumaş üretilebildiği ortaya konulmuştur. Bu kumaşta, hidrofilik ve hidrofobik karakterler daha belirgin olarak izlenebilmiştir. Bu sonucun sentezlenen polimerin kumaşa daha etkili nüfus etmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Geliştirilen ısıya duyarlı kumaşların sıcaklıktaki değişime bağlı olarak sergiledikleri değişken hidrofilik karakterleri ve gözeneklilikleri, sıcaklığa bağlı su buharı geçirgenlik değerlerinde de önemli değişiklere neden olmuştur. Polimer uygulaması sonrası kumaştan su buhar geçişine olanak sunan gözeneklerin kapanması ile ilişkili olarak su buharı geçirgenliği azalmıştır. Ancak polimer içerikli kumaşlarda sıcaklık AKÇS sıcaklığının üzerine çıktığında su buharı geçirgenliği ham kumaş geçirgenlik değerinin üzerine yükselmiştir. Sıcaklık arttıkça polimer uygulanmış kumaşların su buharı geçirgenliği önemli seviyede artmıştır. Ancak, kumaşa uygulanan polimer konsantrasyonundaki artış kumaşın ısıya duyarlı su buharı geçirgenliği davranışını olumsuz yönde etkilemiştir. Kumaşlarda sağlanan ısıya duyarlılık özelliğinin maksimum on yıkamaya karşı dayanım sergilediği ve dayanıklılığın uygulama koşulları ve polimer türüne göre değişebileceği sonucuna varılmıştır. N-izopropilakrilamid esaslı kopolimerlerin uygulandığı kumaşları ısıya duyarlılık yanında pH'a duyarlılık özelliği de sergiledikleri belirlenmiştir. Ayrıca, N-izopropilakrilamid esaslı kopolimerler ile modifiye edilen bu kumaşlar gram pozitif bakterisine karşı güçlü antibakteriyel etkiye sahiptir. Polimer uygulaması sonrası kumaşların yırtılma mukavemeti değerlerinin azaldığı, eğilme direnci değerlerinin ise polimer türündeki değişime bağlı olduğu belirlenmiştir. Genellikle N-izopropilakrilamid esaslı polimerlerin aplikasyonu sonrası kumaş eğilme direnci artarken, vinilkaprolaktam esaslı polimer aplikasyonu sonrası önemli bir değişim olmamıştır

Abstract:
In this thesis, it was aimed to develop smart textile materials that were responsive to environmental conditions. For this aim, firstly, the synthesis of six different polymers which were N-isopropylacrylamide and N-vinylcaprolactam based, was carried out using free radical polymerization method. The copolymer of N-isopropylacrylamide monomer with methacrylamide monomer and graft copolymer with chitosan polymer were synthesized. The purpose of the copolymer synthesis is to give the polymers pH-sensitive property as well as thermo-responsive property. In the synthesis of vinylcaprolactam-based polymer, the vinyl caprolactam monomer was hydrolyzed with ethylene glycol to form a novel monomer. Polymer synthesis was carried out using this new monomer. In the second part of the study, synthesized polymers were applied to cotton fabrics by impregnation method in two different concentrations. Thus, the fabrics with thermo-responsive and/or pH sensitive properties were produced. In the last part of the study, polymerization of N-isopropylacrylamide monomer directly on the fabric surface was performed.
The chemical structure of the synthesized polymers was investigated by Fouirer Transform Infrared (FT-IR) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectra analysis. The molecular weights of the polymers were determined by method of cryoscopy. The lower critical solution temperature (LCST) in which the polymers exhibited phase change was investigated by determination of the temperature that the polymer aqueous solution started to become turbid and Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis. The morphology of the fabrics treated with thermo-responsive polymer was examined by Scanning Electron Microscopy (SEM) and the presence of polymer in the fabric structure was proved by FT-IR analysis. Hydrophilic and hydrophobic properties of the fabrics were examined by drop test, absorption capacity test, contact angle measurement, surface energy analysis and water vapor permeability test. All tests and analyzes were repeated at temperatures below and above the LCST of the polymer and the differences in the results were investigated. Besides, the effects of polymer application on the bending and tear strength of the fabrics were examined. The washing fastness of the thermo-responsive behaviour of the polymer applied fabrics was investigated by the measurements of weight loss and absorption capacity after 1, 5 and 10 washes. 
As a result of the study, it was determined that the synthesis of N-isopropylacrylamide and N-vinylcaprolactam based polymers was successfully performed and the polymers exhibited reversible thermo-responsive feature. It was seen that the LCST values of the synthesized polymers were changed between 31-41°C and their phase change temperature intervals were proper for textile applications. Thermo-responsive fabrics could be produced by the application of the synthesized polymers to the cotton fabrics. As the temperature increased, the hydrophilic character of the fabrics transformed to the hydrophobic character from a certain temperature. This conversion was realized reversibly depending on change in the temperature. Similarly, it has been demonstrated that the thermo-responsive fabric could be produced by polymerization of the N-isopropylacrylamide monomer on the fabric surface. In this fabric, the hydrophilic and hydrophobic characters could be more clearly observed. This result is thought to result from the more efficient penetration of the synthesized polymer into the fabric. The variable hydrophilic character of the developed thermo-responsive fabrics due to the change in temperature caused significant changes in their water vapor permeability values depending on change in temperature. Water vapor permeability was reduced in relation to the closure of pores which allowed water vapor passage through the fabric after polymer application. However, in polymer containing fabrics, when the temperature rised above the LCST temperature, the water vapor permeability increased above the raw fabric permeability value. Water vapor permeability of polymer treated fabrics increased significantly as temperature increased. However, the increase in the polymer concentration applied to the fabric adversely affected the heat sensitive water vapor permeability behavior of the fabric. It has been concluded that the thermo-responsive behaviour of the fabrics was durable to maximum ten-times washes and the durability may vary according to application conditions and polymer type. The fabrics treated with N-isopropylacrylamide based copolymers were found to exhibit pH sensitivity as well as heat sensitivity. Besides, these fabrics that were modified with copolymer had strong antibacterial activity on gram positive bacteria. It was determined that the tear strength values of the fabrics decreased after the application of polymer and the bending rigidity values were dependent on the change in polymer type. Generally, fabric bending rigidity increased after application of N-isopropylacrylamide-based polymers, whereas no significant change occurred after application of vinylcaprolactam-based polymer