Pamuk/polyester karışımı dokuma kumaşlarda güç tutuşurluğun sağlanmasına yönelik apre kimyasalının geliştirilmesi
Improvement of a new flame retardant finishing chemical for cotton/polyester woven fabrics
Yazar: AZİZE BİCAL
Danışman: DOÇ. GÜLAY ÖZCAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Günümüzde tekstil endüstrisinde gün geçtikçe müşteri ihtiyaçları artmakta bunun sonucunda da günlük kullanım ürünleri dahil ürünlere çeşitli fonksiyonel özellik kazandırılması beklenmektedir. Güç tutuşurluk tekstilde gelişmekte olan dinamik bir alanı kaplamaktadır. Modernleşmenin bir gerekliliği olarak malzemelerin yanmasını engelleyerek yangınlardan korunma geçmişten günümüze kadar süregelen bir gerekliliktir. Kullanılan güç tutuşur kimyasallar için getirilen yasalar araştırmacıları ve üreticileri çevre dostu ve insan sağlığına zarar vermeyen ürünler geliştirmeye zorlamaktadır. 
Polyester ve pamuk en çok kullanılan konvansiyonel lifler olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu liflerin günlük kullanımda performans özelliklerini değiştirmeden, çevreye ve insan sağlığına duyarlı ve kalıcı bir güç tutuşturucu aprenin piyasaya kazandırılması bu çalışmanın başlangıç noktası olmuştur. 
Halojenli güç tutuşur kimyasallar bu iki lif ve karışımı için uygun sonuçlar vermesine rağmen yanma esnasında duman oluşumunu arttırması, ve zehirli ürünler oluşturması  gibi sorunlardan dolayı  alternatif bir güç tutuşur apre geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Çeşitli araştırmalarla yanma esnasında kül oluşumunu arttırarark güç tutuşurluk sağlayan ve halojenli güç tutuşur kimyasallar gibi toksikolojik problemler yaratmayan fosfor esaslı bir apre ile güç tutuşurluk elde edilmesi hedeflenmiştir. Bunun yanında fosfor esaslı güç tutuşur kimyasallar azot ile sinerjik etki sağlamak için beraber kullanılabilmektedir. Azot esaslı güç tutuşur kimyasallar da diğer bileşiklere göre daha az toksik etki göstererek çevre dostu özellik göstermektedirler.
Çalışmamızda polimer bazlı  ve fosfor:azot grupları sinerjisi içeren  yeni yaklaşımlı bir güç tutuşur kimyasalı, polyvinil  alkol (PVA), geliştirilen kimyasalın polimere bağlanarak kalıcılığın sağlanması amacıyla hidrofil polyester reçinesi  (PR), fosforik asit ve disiyandiamid (DCDA) kullanılarak sentezlenmiştir. PVA(PR)-P-DCDA (Fireoff) apresi pamuk, polyester ve karışımı kumaşlara emdirme-kurutma-termofiksaj işlemi ile uygulanmıştır. Geliştirilen polimerin yapısı FTIR yöntemiyle ile karakterize edilmiştir.
Çalışmamızın ilk denemelerinde uygun termofiksaj sıcaklığının ve süresinin belirlenemebilmesi üzere  200, 300, 350  ve 400 g/L'lik Fireoff çözeltileri hazırlanmış ve emdirme yöntemiyle %100 pamuk ve %50/50 pamuk/polyester karışımı kumaşlara uygulanmıştır. 100°C'da 3dk kurutma ve sonrasında ayrı ayrı 180°C'da 2dk, 180°C'da 3dk ve 190°C'da 2dk termofiksaj işlemi uygulanmıştır. Giysilerin kullanımına en yakın duruş dikey yanma testi (ISO 6940) olduğundan, apre uygulanmış numunelerin yanma davranışı bu test ile değerlendirilmiştir. Testler sonucunda sonraki denemeler için termofiksaj sıvaklığı ve süresi 180°C'da 3dk olarak belirlenmiştir. 
Yanma testleri sonrasında optimum reçetenin belirlenebilmesi  için 300, 350, 400 ve 450g/L konsantrasyonlarında hazırlanan Fireoff çözeltileri pamuk, polyester ve  karışımı kumaşlara uygulanmıştır. Ticari olarak pamuk ve pamuk/pamuk polyester karışımı (%20'ye kadar polyester) kumaşlarda kullanılan Pyrovatex CP ile karşılaştırılması amacıyla Pyrovatex CP için tavsiye edilen iki farklı reçeteye uygun olarak pamuk ve pamuk/polyester kumaşlara uygulanmış ve bütün numuneler dikey yanma testine tabi tutulmuştur. Testler sonucunda Fireoff ve Pyrovatex CP için benzer yanma davranışı gözlemlenmiştir. Her dört konsantrasyonda Fireoff ile işlem görmüş numunelere 20sn alev uygulanmasına rağmen, alev kaynağı uzaklaştırıldıktan sonra alevli yanma gözlenmemiş ve standartın belittiği şekilde uygun güç tutuşurluk özelliği elde edilmiştir.
Yanma testi sonrasında yüzde kütle kayıplarının hesaplanması için test öncesi ve sonrası numuneler tartılmış ve kütle kayıpları hesaplanmıştır. Fireoff uygulanmış kumaşların beyazlık indeksine etkisi datacolor spektrofotometrede değerlendirilmiştir. Alınan veriler çerçevesinde pamuk ve pamuk/polyester kumaşlarda hafif ama kabul edilebilir sararmalar gözlemlenmişken, polyesterde beyazlık indeksine etki tespit edilmemiştir. Beyazlık indeksi ve dikey yanma testi sonuçları incelendikten sonra 350 ve 400g/L çözelti konsantrasyonu ve 180°C'da 3dk termofiksaj sıcaklığı ve süresi optimum reçete olarak belirlenmiştir. 
Fireoff ve Pyrovatex CP uygulanan kumaşların içerdiği formaldehit miktarının belirlenmesi için ISO 14184-1standartına göre numuneler test edilmiştir. Test sonucunda Pyrovatex CP'de Dünya Sağlık Örgütü(WHO) tarafından kanserojen madde olarak belirlenen formaldehit maddesinden yüksek oranda tespit edilirken, Fireoff'da tespit edilmemiştir.
Fireoff ile işlem görmüş kumaşların termal özelliklerin belirlenmesi için termogravimetrik analiz (TGA) ve kaplama yüzeylerinin karakterizasyonu taramalı elektron mikroskobu (SEM)'de incelenmiştir. Geliştirilen apre ile işlem görmüş ve ham kumaşların FTIR analizleri yapılarak karşılaştırılmıştır. 
Geliştirilen aprenin kalıcılığının tespit edilmesi için ISO 6330 standartına uygun olarak 350 ve 400g/L konsantrasyonlarında aprelenmiş kumaşlar yıkanmıştır. Apreli kumaşlar 40° C'da standarta uygun olarak 50 dk. 5'er kez yıkanmış ve makinede kurutulmuştur. Yıkanmış kumaşlar ISO 6940 dikey yanma standartına uygun olarak teste tabi tutulmuş ve aprenin kalıcılığı değerlendirilmiştir. Dikey yanma testi kapsamında 20sn alev uygulanmış ve alev kaynağı uzaklaştırıldıktan sonra %100 polyester kumaşlarda yanma gözlenmemiştir. Pamuk ve pamuk/polyester karışımı kumaşlarda aynı sonuçlar elde edilememiştir. Bu kumaşlarda kalıcılığın iyileştirilmesine yönelik olarak geliştirilen aprede pamuğa bağlanan grup sayısının arttırılması çalışmaları devam etmektedir.  
%100 Polyester kumaşların 5 yıkama sonrasında dikey yanma testinde uygun sonuçların elde edilmesi sonrasında 10 ve 20 yıkamaları yapılmış ve numuneler tekrar ISO 6940'a göre test edilmiştir.   Aynı şekilde 20s alev tatbikinden sonra alevli yanma gözlenmemiştir. %100 Polyester kumaşlar için çevre dostu ve kalıcı bir güç tutuşurluk elde edilmiştir.

Abstract:
Fire takes a steady threat for human life and property. The results are generally tragic. Fire, which is a very fast proceeding process, feeds itself with the high heat and the toxic smoke and proceeds with a loop. The heat that evolves with fire starts the ignition of the neighbouring materials which results to burning and decomposition of the whole and leads to the growth of the fire.
Synthetic and natural polymeric materials bring many advantages but most of them are burned easily in the presence of oxygen and a heat source. The combustion of polymers is driven by the decomposition or pyrolysis of solid polymer into smaller substances in the presence of heat. Then these substances volatilize, mix with oygen and combust. More heat is released with this combustion. This heat will effect unburned polymer and thus unburned polymer will pyrolysis and combust. This cycle will continue untill the lack of heat, fuel or oxygen. This is a simple explanation but it is basically true for all polymeric materials. 
The first material to ignite and burn among the textile materials is clothing textiles (90,6%), and is followed by bedlinings (6%), upholstery (1,7%) and other decorative fabrics. Many researches are carried for the easy flammability of the clothing textiles and the risk they hold for the health of man  in USA and Europe but unfortunately very little research is done about the subject in our country. 
Many regulations are determined for the flammability of clothing and upholstery and these regulations played a big role on determining the risks of the textile materials. The solutions that are brought for the flammability of these materials were sufficient but due to the aesthetic concerns, the lack of comfort and the high pricing; they couldn't find the applicability they deserve. In addition to that; the toxicity of the chemicals commonly used for the applications such as Tris-2,3- dibromopropyl phosphate creates a health concern for the users.
Cotton-polyester blends have a high usage in home textiles, clothing and knitwear. However, due to their high flammability, fire retardancy is one of the essential properties for these blends. Cotton-polyester blends materials have a special flammability problem because the thermal and mechanical properties of the fibers are so different from each other. When a blend of these two fibers is burned, the molten polyester tends to wick on cotton char and provides a scaffold for the molten polyester. Polyester shrinks away when exposed to a flame. However, this scaffolding effect prevent its escape from the flaming zone. 
The chemicals for the flame retardancy of cotton-polyester blends are not sufficient to comply with European standards. Additionaly they have some difficulties in application such as requirement of additional equipment for binding.Therefore there is a need of a fire retardant chemical which will be durable, easy applicable and environmental friendly.
Using of durable and environmentally friendly flame retardants is one of the growing industry. In our project, a novel polymeric flame retardant with phosphorous-nitrogen synergism was synthesized by polyvinyl alcohol(PVA), hydrophilic polyester resin (PR), phosphoric acid and dicyandiamide (DCDA). The polymer's structure was characterized by FTIR. %100 Polyester, %100 Cotton and % 50/50 Polyester/Cotton blends were treated via pad-dry-cure process with PVA(PR)-P-DCDA (Fireoff).
In our project firstly four Fireoff solutions were prepared in different concentrations (200g/L, 300g/L, 400g/L and 450g/L) to decide proper concentration and curing temperature and time. Cotton and cotton/polyester (50/50) fabrics were impragnated via padding through the solutions.  Padding carried out at room temperature. Fabrics were padded by 3 dip 3 nip method The padded samples were dried at 100°C for 3min. For each concentration group, three curing temperetures and curing times were applied. These were 180°C for 2 min, 180°C for 3 min and 190°C for 2 min. After that fabrics were tested according to ISO 6940 Vertical Flammability Test. For each group  6 specimens were tested. From the test results 180°C for 3 min was found acceptable to decide the proper recipe.
After curing time and temperature were decided, again four Fireoff solutions were prepared in different concentrations: 300, 350, 400 and 450g/L. Cotton, polyester and their blend (50/50) fabrics were impragnated via padding through the solutions. The padded samples were dried at 100°C for 3min and subsequently cured at 180°C for 3 min. To compare the effect of Fireoff, fabrics were treated with Pyrovatex CP according to two different recipes which were advised by its producer. Pyrovatex CP is a flame retardant which is used for cotton and cotton polyester (until 20% polyester) fabrics.
Fabrics' flammability was tested according to ISO 6940 Vertical Flammability Standard. For each fabric type, twelve fabric specimens, 200mm ᵡ 80mm length and width, were prepared and conditioned at 20±2°C and 65±2% relative humidity for 24 hours before testing. The conditioned specimens were mounted in a suitable clamp and placed in a standard cabinet that allows 2mm/second airflow, and the bottom surface of fabric was exposed to a standard flame (40mm length) for 5 second. Due to the fabrics weren't continued to flame after ignition source removed, the flame applied for 10 second to next specimen. Fabric weren't flame for 10 second, 15 second and 20 second as well. According to ISO 6940; the fabric which doesn't continue to flame after ignition source has been applied for 20 second and removed is accepted non ignite fabric. This test normally measure demaged length. However to have more realistic approach, each fabric was weighed before and after burning. Percentage weight loss was evaluated. Same test was applied to fabrics which treated with  Pyrovatex CP. Test results showed similar results for Fireoff and Pyrovatex CP. The performed fire behaviour of cotton, polyester and their blend showed that the Fireoff was successful for these three kind of fabrics. 
Grey fabrics flammability was tested according to ISO 6941 standard. For each fabric type, six specimens (three lengthwise direction, three widthwise direction), 560mm ᵡ 170mm length and width were prepared and conditioned at 20±2°C and 65±2% relative humidity for 24 hours before testing. The conditioned specimens were mounted in a suitable clamp and placed in a standard cabinet that allows 2mm/second airflow. Three mercerized bleached 50 tex cotton threads were strung at 220, 370 and 520 mm over the surface of sample. The bottom surface of fabric was exposed to a standard flame (40mm length) for 10 second. The time of any thread damaged was automatically recorded from sensors. All untreated fabrics were completely burned, as expected.
The whiteness index for fabrics which treated with Fireoff were tested in datacolor spectrophotometer. It showed that Fireoff tends to yellow cotton and cotton/polyester fabrics. However, the results were acceptable. A big ddifference wasn't observed  for %100 polyester fabrics which treated with Fireoff. From whitness index and vertical flammability test results 350g and 400g/L Fireoff concentrations were selected for the optimum recipe. 
According to ISO 14184-1 (Water Extraction Method) formaldehyde test was performed. Test was applied to both fabrics which finished with PVA (PR)-P-DCDA (450g/L) and Pyrovatex CP (280g/L-350g/L). Formaldeyde has been classified as a carcinogen by World Health Organization (WHO). Oeko-Tex Standard 100 established a limit for textiles for babies which should release less than 20 mg/kg of formaldehyde. This value is 75 mg/kg for the textiles in direct contact with the skin. It is important to use a formaldeyhde free flame retardant chemical to keep European standards. Acording to test result; fabrics wich treated with Pyrovatex CP were included high amount of formaldehyde. Formaldehyde wasnt detected for the fabrics which treated with Fireoff.
The FTIR analysis of fabrics treated with Fireoff and untreated fabrics were compared. P and NH2 compounds were detected as expected for P-N synergistic effect. SEM is used for evaluation and comparision of surface morphology of treated and untreated fabrics.
Thermal decomposition of polymers were evaluated via thermogravimetric analysis (TGA). It was observed that Fireoff tends to increase char formation as expected.
ISO 6330 test standard was used to evaluate durability of treated fabrics aganist domestic washing. Cotton, polyester and their blend fabrics which were treated with 350 and 400g/L were subjected to 5 laundering cycles. Fabrics were washed at 40°C for 50 min for each washing cycle. Drying was performed in tumbe dry. After washing treatments, fabrics flammability was tested according to ISO 6940 and 12 specimen were tested for each group . The performed fire behaviour of fabrics are showed that the applied chemical was successful for flame retardancy of %100 Polyester fabrics. However, test results were showed that washing durability of cotton and cotton/polyester blends fabrics was needed to be improved. New approaches is tried to increase durability of the finishing chemical for cotton and cotton/polyester blend fabrics. 10 and 20 laundering cycles were performed for %100 Polyester fabrics and again their flammability were tested. After 20 laundering cycles, %100 polyester fabrics' flammability was tested and still proper results were achieved. Test results showed that a durable flame retardancy achieved for 100% Polyester fabrics and a neglectable weight loss (0.01%) is observed.