Renk değiştiren boyarmaddelerin mikrokapsülasyonu ve tekstil materyallerine uygulanması
Microencapsulation and textile applications of colour change dyes
Yazar: MÜYESSER SELDA TÖZÜM
Danışman: DOÇ. DR. SENNUR ALAY AKSOY ; PROF. DR. CEMİL ALKAN
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 çalışmada, sıcaklık değişimi ile renk değiştirebilen leyko boya esaslı üç bileşenli termokromik sistemlerin mikrokapsülasyonu ve tekstil materyallerine uygulanması amaçlanmıştır. Bu amaç için mikrokapsülün çekirdek maddesini oluşturan, sıcaklığa bağlı tersinir renk değişimi gösteren, üç bileşenli termokromik sistemler hazırlanmıştır. Termokromik sistemlerin hazırlanmasında, renk oluşturucu olarak kristal viyolet lakton boya, geliştirici olarak Bisfenol-A ve fenolftalein, çözücü olarak n-tetradekanol kullanılmıştır. Termokromik sistem içeren poli(metil metakrilat), poli(metil metakrilat-ko-metakrilik asit) ve poli(metil metakrilat-ko-glisidilmetakrilat) duvarlı mikrokapsüller emülsiyon polimerizasyon yöntemi ile farklı duvar/çekirdek madde oranlarında üretilmiştir. Çalışma kapsamında üçüncü olarak, seçilen mikrokapsüllerin pamuklu örme ve yün dokuma kumaşlara emdirme ve çektirme yöntemi ile uygulanmasıyla termokromik özellikli kumaşlar elde edilmiştir. Ayrıca kumaşlara kazandırılan termokromik etkinin yıkama ve sürtme sonrası kalıcılıkları araştırılmıştır. Çalışmada termokromik materyallerin düşük olan ışık haslığını geliştirmeye yönelik çalışmalar da yapılmıştır.

Mikrokapsüllerin morfolojileri ve parçacık boyut dağılımları Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve parçacık boyut analizi ile araştırılmıştır. Isıl özellikleri Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve ısıl stabiliteleri Termogravimetrik (TG) analiz   yöntemleri ile analiz edilmiştir. Yapısındaki çekirdek maddenin varlığının belirlenebilmesi için Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi (FT-IR) spektroskopisi yöntemi kullanılmıştır. Termokromik özellikleri UV-Vis spektrofotometre cihazı ile sıcaklık değişimine bağlı absorbans değerlerindeki değişim ve farklı sıcaklıklarda çekilen fotoğraf görüntüleriyle belirlenmiştir. Mikrokapsüllerin ve mikrokapsül uygulanmış kumaşların ısı düzenleme özellikleri sıcaklık ölçüm sensöründen ve veri kaydedici sistemden oluşan düzenek kullanılarak geliştirilen T-history testi ile incelenmiştir. Mikrokapsül uygulanmış kumaşların ısıl özellikleri DSC analizi, kumaş yapısındaki mikrokapsül varlığı ve dağılımı SEM analizi ile araştırılmıştır. Ayrıca, FT-IR analizi ile kumaş yapısındaki mikrokapsüllerin varlığı belirlenmiştir. Mikrokapsül uygulanmış kumaşların termokromik özellikleri farklı sıcaklıklarda alınan fotoğraf görüntüleri ve CIELab sistemine dayalı renk ölçüm cihazı ile belirlenmiştir. Kumaşların yıkama, sürtme ve ışık haslığı testleri sonrası renklerindeki değişim ise test öncesi ve sonrası ölçülen L*, a*, b*, C* ve K/S değerlerinin karşılaştırılması ile belirlenmiştir. 

Çalışma sonucunda, SEM görüntüleri ve parçacık boyutu testi sonuçlarına göre, küresel ve tanecik yapılı mikrokapsül üretiminin gerçekleştiği ve mikrokapsüllerin ortalama parçacık boyutlarının 11,21 μm-35,16 μm arasında değiştiği belirlenmiştir. DSC sonuçlarından, mikrokapsüllerin kabuk/çekirdek oranına göre 145,5-207,1 j/g aralığında ısı depoladıkları tespit edilmiştir. Sıcaklığa bağlı ölçülen UV absorbans analiz sonuçları, mavi rengin görünür olduğu dalga boyu aralığında mikrokapsüllerin absorbanslarının sıcaklık artışı ile birlikte azaldığını göstermiştir.  Farklı sıcaklıklarda kamera ile alınan fotoğraf görüntülerinden 25 °C'de mavi renkte olan mikrokapsüllerin 50 °C'de açık mavi renge dönüştükleri gözlenmiştir. TG analiz sonuçları, mikrokapsüllerin kumaş kurutma ve fikse sıcaklıklarına dayanıklı olduklarını göstermiştir. 

Mikrokapsül uygulanmış pamuk ve yün kumaşların fotoğrafları,  SEM ve DSC analiz sonuçları en verimli mikrokapsül uygulama yönteminin çektirme yöntemi olduğunu göstermiştir. 50 °C'de renksiz halde olan mikrokapsül uygulanmış kumaşlar 25 °C'de mavi renktedir. SEM görüntüleri ve FT-IR analizi ile kumaşların yapısındaki mikrokapsül varlığı ispatlanmıştır. Mikrokapsül uygulanmış pamuklu ve yün kumaşların gizli ısı depolama kapasiteleri sırasıyla 23,4-76,1 j/g ve 62,1-89,2 j/g aralığındadır. Renk analizi sonuçları, mikrokapsül uygulanmış kumaşlara ait L* değerinin sıcaklık ile arttığını yani kumaş renginin açıldığını göstermiştir. a* ve b* değerlerinden hesaplanan renk açısı (h) değerleri incelendiğinde, 25 °C'de mavi renk tonuna karşılık gelen renk açısı 50 °C'de sarı yada soluk mavi renk tonunu gösteren renk açısına dönüşmüştür. Kumaşların yıkama ve sürtme haslıkları, gri skalaların değerlendirilmesi ve test öncesi ve sonrası spektrofotometre ile ölçülen L*, a*, b*, C* ve K/S değerlerinin karşılaştırılması ile belirlenmiştir. Yıkama ve sürtme sonrası kumaşların L* ve b* değerlerinin artışı ve K/S değerinin azalması, kumaş yapısından bir miktar mikrokapsülün uzaklaştığını göstermiştir. Işık haslığı testi sonrası değerlendirme, test öncesi ve sonrası ölçülen L*, a*, b*, C* ve K/S değerlerindeki değişim incelenerek yapılmıştır. Mikrokapsül üretimi ve kumaş uygulaması aşamalarında eklenen UV absorblayıcının ışığa karşı dayanımı düşük olan termokromik materyallerde meydana gelen bozulmayı geciktirdiği sonucuna varılmıştır.

Sonuç olarak, bu tez çalışmasında pamuklu ve yün kumaşlara uygulanabilecek termokromik ve ısı depolama özellikli mikrokapsül üretimi farklı duvar/çekirdek oranlarında emülsiyon polimerizasyon yöntemi ile başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Kumaşlara aplikasyon için, en verimli renk değişimi ve maksimum ısı depolama/yayma kapasitesinin elde edildiği 0,5:1 duvar/çekirdek oranında üretilen mikrokapsüller seçilmiştir. Mikrokapsüller kumaşlara emdirme ve çektirme yöntemiyle uygulanmıştır. En verimli aplikasyon yöntemi ise çektirme yöntemi olarak belirlenmiştir. Çalışmanın sonucunda, kumaşlara termokromik ve ısı düzenleme özelliklerinin tek bir uygulama ile kazandırılmasının mümkün olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
In this study, it was aimed the microencapsulation of leuco dye based three-component thermochromic systems which can change color by temperature change and their application onto textile materials. For this purpose, three-component thermochromic systems which show reversible color change depending on temperature, forming the core material of microcapsule were prepared. In preparation of thermochromic systems, crystal-violet lactone dye, Bisphenol-A or phenolphthalein, and 1-tetradecanol was used as color former, color developer, and solvent respectively. Microcapsules with poly (methyl methacrylate), poly (methyl methacrylate-co-methacrylic acid) and poly (methyl methacrylate-co-glycidylmethacrylate) shells containing thermochromic systems were produced by emulsion polymerization method at different ratios of shell/core material. In the scope of study, the fabrics with thermochromic properties were obtained by application of the selected microcapsules to cotton knitted and wool woven fabrics by the impregnation and exhaustion method. In addition, the durability of the thermochromic effect on fabrics after washing and rubbing was investigated. In the study, studies on improving the low light fastness of thermochromic materials were also done.

The morphology and particle size distributions of the microcapsules were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and particle size analysis. The thermal properties of the microcapsules were analyzed by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal stability were analyzed by thermal gravimetric (TG) analysis. Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy method was used to determine the presence of core material in the structure of microcapsules. The thermochromic properties of microcapsules were determined by the changes in the measured absorbance values depending on the temperature change using the UV-Vis spectrophotometer device and the photographs were taken at different temperatures. The thermo-regulation properties of microcapsules and microcapsule applied fabrics were investigated by T-history tester which was composed of temperature measuring sensor and data logger system. Thermal properties of microcapsule applied fabrics and microcapsule presence and distribution in fabric structure were investigated by DSC and SEM analysis respectively. In addition, the presence of microcapsules in fabric structure was determined chemically by FT-IR analysis. Thermochromic properties of microcapsule applied fabrics were determined by photographic images taken at different temperatures and color measurement device based on CIELab system. The color changes of the fabrics after washing, rubbing and light fastness tests were determined by comparing the measured L *, a *, b *, C * and K / S values before and after the test.

At the end of the study, according to the SEM images and the particle size test results, it was determined that spherical and granular microcapsules were produced, the mean particle sizes of microcapsules ranged from 11.21 μm to 35.16 μm. From the DSC results, it was determined that the microcapsules stored heat energy in a range of 145.5-207.1 j/g according to core/shell ratio. The results of UV absorbance analysis results depending on temperature indicated that the absorbance of the microcapsules decreased with the temperature increase in the wavelength range where the blue color was visible. From the photographs taken with camera at different temperatures, it was observed that the microcapsules which were blue at 25 °C were converted to light blue color at 50 °C. TG analysis results showed that the microcapsules were stable up to fabric drying and fixation temperatures.

The photographs, SEM and DSC analysis results of microcapsule applied cotton and wool fabrics, indicated that the most efficient microcapsule application method is extraction method. The microcapsule applied fabrics which were colorless at 50 °C, was blue at 25 °C. The presence of microcapsules in the fabric structure had been proven with SEM images and FT-IR analysis. The latent heat storage capacities of the microcapsule applied cotton and wool fabrics were in the ranges of 23.4-76.1 j/g and 62.1-89.2 j/g respectively. Color analysis results showed that the L value of the microcapsule applied fabrics increased with the increasing temperature that is the color of the fabric was lightened. According to the color angle (h) values calculated from a * and b * values, the color angle corresponding to the blue hue at 25 °C changed into to a color angle indicating a yellow or pale blue hue at 50 °C. Washing and rubbing fastness of the fabrics were determined by evaluating gray scale and comparing L*, a*, b*, C* and K/S values measured by spectrophotometer before and after test. The increase of L* and b* values and decrease of K/S values of the fabrics after washing and rubbing showed that some amount of microcapsules were removed from the fabric structure. It was concluded that the added UV absorber during microcapsule production and fabric application process delayed the deterioration of thermochromic materials which had low light resistance.

As a result, in this thesis, production of thermochromic and heat storing microcapsules which can be applied to cotton and wool fabrics have been successfully carried out with emulsion polymerization method at different shell/core ratios. For application to fabrics, microcapsules produced at a shell/core ratio of 0.5: 1 where the most efficient color change and maximum heat storage/release capacity were obtained were selected. Microcapsules were applied to fabrics by impregnation and exhaustion method. The most efficient application method was determined as exhaustion method. As a result of the study, it was concluded that it was possible to impart thermochromic and heat regulation properties to the fabrics with a single application.