Organik pamuklu örme kumaşların ultrasound teknolojisi ile terbiye yöntemleri
Finishing methods of organic cotton knitted fabrics by ultrasound technology
Yazar: SEMRA GÜRKAN
Danışman: DOÇ. DR. GÜLAY ÖZCAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Ağartma = Bleaching ; Beyazlık derecesi = Whiteness degree ; Reaktif boyalar = Reactive dyes ; Reaktif boyar maddeler = Reactive dyestuffs ; Renk haslığı = Color fastness ; Ultrasonik enerji = Ultrasonic energy

Özet:
Ultrason teknolojisi, insanın duyabilme sınırlarının üzerindeki ses dalgalarının bilimidir. Endüstride ultrasonun en yaygın kullanım alanlarından biri kavitasyondan yararlanılarak yapılan temizlik işlemleridir. Ultrason teknolojisi, kirlenmiş makina parçalarının, tıbbi gereçlerin ve elektronik bileşenlerinin ve klasik yöntemlerle temizlemenin zor olduğu ince girinti ve çıkıntılara sahip yüzeylerin temizliğinde alternatif bir yöntem olarak kullanılmaktadır. Ultrason teknolojisinin tekstil endüstrisinde kullanımı ise yeni bir metot olarak ortaya çıkmaktadır. Bu yöntemin, ön terbiye işlemlerinde tekstil malzemeleri üzerindeki istenmeyen safsızlıkların uzaklaştırılması amacıyla enzimlerin hareketliliklerinin arttırılmasında kullanıldığı da bilinmektedir.Yapılan literatür araştırmaları, ultrason enerjisinin tekstil malzemeleri üzerinde etkili olduğunu göstermiştir. Ayrıca, ultrason teknolojisi klasik yöntemlere göre malzemeye daha az zarar vermektedir. Ultrason teknolojisinin yaş bitim işlemlerinde kullanımı, işlem zamanı, enerji tüketimi ve kimyasal kullanımını azaltırken ürün kalitesini geliştirecek yönde etki göstermektedir. Ultrason teknolojisi tekstil endüstrisinde ön terbiye ve bitim işlemlerinde üretim verimliliğini arttırmak amacıyla kullanılmaktadır. Özellikle yıkama kapasitesi ve boya alım verimliliğini arttırmak için birçok araştırmacı ultrason teknolojisi üzerine çalışmalar yapmış ve bu konuda birçok makale yayınlanmıştır. Ancak literatürde klasik ağartma ve boyama yöntemleri ile ultrasonik yöntemi karşılaştıran çok fazla çalışma bulunmamaktadır. Bu nedenle bu çalışmada organik pamuklu örme kumaşların ultrasonik yöntemle peroksit ağartma ve reaktif boyarmaddelerle boyama işlemleri yapılarak klasik yöntem ile karşılaştırılması yapılmıştır.Tekstil malzemelerinin ağartma işlemlerinde ultrason teknolojisinin kullanımı, işlem hızını arttırmakta ve beyazlıkları geliştirmektedir. Bu çalışmada sıcaklık ve zaman parametreleri ayarlanabilen düşük frekanslı ultrasonik banyo kullanılmıştır. Genel olarak literatürde banyodaki sıcaklık ve basıncın mikroskopik seviyede artmasını sağlamak için 30-47 kHz frekansta ve 230W güce sahip ultrasonik banyolar kullanılmıştır. Bu çalışmada farklı olarak, bir sonraki adımda ağartma işlemini boyama işlemi ile birleştirmek üzere 26 kHz/120W güç çıkışı tercih edilmiştir. Organik pamuklu süprem ve ribana kumaşların klasik çektirme, emdirme (soğukta bekletme), çabuk kasar yöntemleri ve aynı reçetelerin kullanıldığı ultrasonik yöntemle ağartmaları yapılmıştır.Kumaşlar, çektirme yöntemi ile ağartmada 3 farklı H2O2 konsantrasyonunda (2, 4 ve 6ml/l) ve yüksek sıcaklıkta (90°C, 1 saat) işlem görmüştür. Çabuk kasar ile ağartmada peroksit konsantrasyonu daha yüksektir (14ml/l) ve 40-90°C sıcaklıkta işlem zamanı daha kısadır (10-60d). Emdirme-soğukta bekletme yöntemi ile ağartma ise 30ml/l H2O2 konsantrasyonunda 24 saat oda sıcaklığında bekletme işlemi ile gerçekleştirilmiştir. Bu işlemlerden sonra aynı reçeteler, farklı sıcaklık ve süre şartlarında ultrasonik banyoda uygulanmıştır.Ağartma işlemleri tamamlandıktan sonra, ağartılmış kumaşların spektrofotometre ile beyazlık indeksleri ölçülmüş ve ISO ve AATCC standartları kullanılarak emicilik ve rijitlik testleri yapılmıştır. Elde edilen veriler, SPSS istatistik programı kullanılarak değerlendirilmiştir. Ağartma işlemlerinde bağımsız değişkenler; yöntem, süre, sıcaklık, peroksit konsantrasyonu ve kumaş türüdür. Bunlara bağlı bağımlı değişkenler ise beyazlık indeksi, rijitlik ve emicilik süresidir.Soğukta bekletme reçetesinin ultrasonik banyoda uygulanması ile ağartma için kabul edilebilir sonuçlar elde edilmiştir. Sonuçlar, ultrason enerjisinin bekletme süresini kısalttığını göstermekle birlikte aynı peroksit konsantrasyonunda 40°C sıcaklık ve 30 d. sürede daha iyi beyazlık ve emicilik sonuçları verdiğini göstermiştir. Uzun süreli (24 saat) klasik emdirme-soğukta bekletme yöntemi ile karşılaştırıldığında emdirme-soğukta bekletme reçetesinin ultrasonik banyoda uygulanması ile kabul edilebilir beyazlık indeksi ve emiciliklere ulaşılmıştır.Genel olarak, sıcaklık ve süre arttıkça kumaşların beyazlık indeksleri hem klasik hem de ultrasonik yöntemde artmıştır. Peroksit konsantrasyonu ve sıcaklığın birlikte değişiminin ultrasonik yöntemde süprem ve ribana kumaşların beyazlık indekslerini pozitif olarak etkilediği gözlenmiştir. Organik pamuklu süprem kumaşlar, ribana kumaşlara göre daha yüksek beyazlık indeksi değerleri ve daha iyi emicilik sonuçları vermiştir. Çektirme ve çabuk kasar metodları, klasik ve ultrasonik yöntemler açısından karşılaştırıldığında rijitlik değerleri açısından çok az bir farklılık göstermiştir. Ultrasonik enerji, süre ve peroksit konsantrasyonu arttıkça beyazlık indekslerinin arttığını göstermiştir. Soğukta bekletme reçetesi kullanılarak US yöntemle yapılan ağartmalar sonucu elde edilen patlama mukavemeti değerleri ham kumaşa ait değerlerle oldukça yakındır dolayısıyla US yöntemin patlama mukavemetini olumsuz etkilemediği sonucuna varılmıştır.Ultrasonik ağartma, uzun süre gerektiren emdirme-soğukta bekletme yöntemine bir alternatif oluşturduğundan çalışmanın ağartmadan sonraki kısmı olan boyama işlemlerinde de kullanılmıştır. Literatürde genellikle ultrasonik boyama işlemi, düşük frekanslarda yapılmaktadır. Bu çalışmada ise farklı olarak, ikinci bölümde ağartma ile boyamayı kombine etmek üzere düşük frekans tercih edilmiştir.Klasik yöntemle ağartması yapılmış organik pamuklu süprem ve ribana kumaşlara, Setaş Kimya firmasından temin edilen reaktif boyarmaddelerle bu boyarmaddeler için firmanın önerdiği reçete kullanılarak emdirme-soğukta bekletme yöntemi ile boyamalar yapılmış ve tutturulan renkler referans kabul edilmiştir. Klasik emdirme-soğukta bekletme yönteminde kullanılan bu reçete, aynı kumaşların ultrasonik yöntemle boyanması işleminde de kullanılmıştır. Ultrasonik boyama işlemleri, üç farklı sıcaklık-süre koşullarında (US1, US2, US3) gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, başlangıç sıcaklığı 25°C olarak belirlenmiş ve 25d. boyama ile son sıcaklık 40°C olacak şekilde boyama işlemi yapılmıştır (US1). İkinci yöntem olarak, başlangıç sıcaklığı 25°C'dir ve soğuk su ilavesi ile 30d. boyunca sıcaklık (27±1)°C'de sabit tutulmuştur (US2). US3 yönteminde ise iki farklı deney planı uygulanmıştır. İlk olarak, başlangıç sıcaklığı 25°C olup süre 45 dakikadır. İkinci olarak ise, başlangıç sıcaklığı 40°C olup süre 30 dakikadır.Çalışmanın amacı klasik emdirme-soğukta bekletme yönteminden elde edilen referans renkleri bekletme sürelerini ortadan kaldırarak ve daha az kimyasal kullanarak gerçekleştirmek olduğundan, kimyasal tüketimini azaltmak amacıyla boyama ve yıkama işlemlerinde üre ve asetik asit gibi yardımcı kimyasallar kullanılmamıştır.Boyama işlemlerinden sonra kumaşların CIE Lab (L*,C*,h°) ve K/S (renk kuvveti) değerleri, Datacolor Spektrofotometre ile ölçülmüştür. UV-VIS Spektrofotometre cihazı ise ultrasonik boyamalar öncesi ve sonrası boyama çözeltilerinin absorbans değerlerini ölçmek için kullanılmıştır. Kalibrasyon denklemleri UV-VIS spektrofotometre kullanılarak otomatik olarak hesaplanmıştır. Bu denklemlerde her bir yöntem ile boyama sonrası elde edilen absorbans değerleri yerine konarak boyama sonrası banyodaki boyarmadde konsantrasyonu (son konsantrasyon) hesaplanmıştır. Ayrıca, kumaşların ilgili standartlar kullanılarak kuru ve yaş sürtme, yıkama ve su haslık testleri yapılmıştır.Elde edilen sonuçlar, ultrasonik yöntemle daha iyi K/S ve (L*,C*,h°) değerlerinin elde edilebileceğini göstermiştir. Uygulanan üç farklı US metot karşılaştırıldığında, US1 ve US2 yöntemleri ile birbirine yakın K/S değerleri elde edilmiştir. En iyi K/S değerlerine ise US3 yönteminde ulaşılmıştır. Ultrasonik banyodaki maksimum işlem süresinin 45 dakikaya indirilebileceği göz önüne alındığında ultrasonik yöntemin bekletme sürelerini önemli ölçüde azalttığı düşünülmektedir. Boyama sonrası yapılan ard yıkama işlemlerinde Setaş Kimya'nın önerdiği boyarmadde reçetesinde yer alan asetik asit ile nötralizasyon işlemi yerine saf su ile ılık durulama işlemi yapılmıştır ve beklenen haslık değerlerine ulaşmada yeterli olmuştur.Kumaşların kuru sürtme haslık değerleri, klasik ve ultrasonik yöntemde birbirine çok yakın sonuçlar vermiştir. Numunelerin yaş sürtme haslıkları değerlendirildiğinde hem ultrasonik yöntem hem klasik yöntemle çok yakın sonuçlar elde edilmiştir. Boyama sonrası numunelerin yıkama ve su haslıkları da ultrasonik yöntemden olumsuz yönde etkilenmemiştir.Çalışmadaki klasik ve ultrasonik boyama işlemlerinde klasik yöntemle ağartması yapılmış kumaşlar kullanılmıştır. Boyama işlemlerinin sonucunda ultrasonik yöntem için örnek bir reçete belirlenmiştir. Bu reçetede başlangıç sıcaklığı 25°C'dir ve ultrasonik banyoda kumaşların artan sıcaklıkla 20-25 d. gibi kısa sürelerde boyama işlemleri yapılmıştır. Sıcaklık artışının 0,6°C/d. olduğu bilindiğinden bu reçetede son sıcaklık 40°C'dir. Ağartma ve boyama işlemlerinin sonucunda elde edilen en iyi ağartma ve boyama reçeteleri kullanılarak çalışmadaki iki reaktif boyarmadde ile süprem ve ribana kumaşlara ultrasonik ağartma ve boyama işlemleri uygulanmıştır.Sonuçlar, özellikle süprem kumaşlarda ultrasonik yöntemle ağartılmış kumaşların klasik yöntemle ağartılmış süprem kumaşlara nazaran örnek reçete ile ultrasonik boyama sonrası daha iyi K/S değerleri elde edildiğini göstermiştir. Bu durum, ultrasonik ağartma işleminin klasik emdirme-soğukta bekletme işlemine alternatif olabileceğini göstermektedir.Bu çalışma ile ultrasonik yöntemin organik pamuklu kumaşların ön terbiye ve boyama işlemlerine uygun olacağı sonucuna varılmıştır. Ayrıca, sonuçlar, ultrasonik yöntemin klasik emdirme-soğukta bekletme yöntemine ağartma ve boyama işlemlerinde alternatif olabileceğini göstermektedir. Ultrasonik enerji, işlem süresi, enerji ve kimyasal tüketimini azaltmakla birlikte ürün kalitesini de geliştirecektir.

Abstract:
Ultrasonic is the science of sound waves above the limits of human audibility. The most common usage area of ultrasonic in industry is cleaning with help of cavitation. Ultrasonic arises as an alternative procedure for cleaning of contaminated machine parts, medical and electronical materials or materials which have small bulges and indents. The ultrasound in textile industry is a new method. It can be used for removing undesirable materials on textiles and improving effectiveness of enzyme molecules.On the other hand, it has been discovered that ultrasonic energy can be used to enhance removing the stains on the fabrics and the ultrasonically treated fabrics have shown less tenacity loss than the conventional methods. Therefore, the use of ultrasonic energy in wet finishing has potential in decreasing the amount of the process time, energy, chemicals used in and in improving product quality. Ultrasonic technology is used for enhancing productivity of pretreatment finishing and dyeing processes in textile industry. In recent decades ultrasound has established an important place in different industrial processes such as the medical field, and has started to revolutionize environmental protection. In order to develop washing capacity and dye uptake, various workers have focused on the ultrasonic dyeing technology and published relevant articles. But in the literature, not much work has considered the comparative approaches to conventional bleaching and dyeing methods and ultrasonic technology. Accordingly, we have conducted comprehensive research of organic cotton knitted fabrics that have been used extensively in recent years to investigate the possibility of H2O2 bleaching and dyeing processes in the ultrasonic bath.The use of ultrasonic energy in bleaching textiles has a positive effect on the speed of the process and improving the whiteness of the materials. Ultrasonic bleaching bath is arranged changing bleaching temperatures at different time intervals and at the same low ultrasound frequency. In the literature generally, 30- 47 kHz ultrasound frequency and 230 W power output were used for bleaching and scouring processes for increase in pressure and temperature in the bath at microscopic level. Differentiatelly, 26 kHz/120W power output is preferred for dyeing processes to combine bleaching with dyeing at the next step. In this study, organic cotton single jersey and rib knitted fabrics are treated in both exhaust bleaching, pad batch, quick bleaching in padder and ultrasonic bleaching bath using the same liquor contents and ratios.The fabrics were treated in exhaust bleaching at higher temperatures (90°C, 1h) in three different H2O2 concentrations (2, 4 and 6ml/l). In quick bleaching the H2O2 concentration (14ml/l) was higher and the treatment time (10-60 s) was shorter at 40-90°C temperature. In addition, cold pad-batch bleaching was processed in 30ml/l H2O2 concentration at room temperature batching for 24 h. After that, the same liquor contents and ratios are applied in ultrasonic bath in different temperature and time conditions.After the completion of the bleaching processes, the bleached samples have been tested for whiteness using Datacolor Spectrophotometer and hydrophilty and rigidity obtained using relevant ISO and AATCC standards. Finally, the obtained results have been evaluated using SPSS statistical program. In the bleaching processes the independent variables were; method, time, temperature, hydrogen peroxide concentration and fabric type. The dependent variables were whiteness index, rigidity and hydrophilty.The application of the pad-batch recipe in the ultrasonic bath gave acceptable results. The results showed that the ultrasonic energy not only shortens the batching time it also provides better whiteness and hydrophilty values at 40°C and 30 s in the same peroxide concentration. When compared with long time (24h) traditional pad-batch method, by applying the pad-batch recipe in the ultrasonic bath, the acceptable whiteness and hydrophility values can be obtained by the ultrasonic method.Generally, as the temperature and time increase, the whiteness index of the fabrics increase in both conventional and ultrasonic method. Variations on the hydrogen peroxide concentration and temperature have a positive effect on the whiteness index of the ultrasonically bleached single jersey and rib fabrics. The results showed that the single jersey cotton fabrics have higher whiteness index values and better hydrophility than the rib cotton fabrics. In the exhaust and quick bleaching methods the rigidity values showed a smaller difference compared with conventional and ultrasonic techniques. Ultrasonic energy showed that when both the time and hydrogen peroxide concentration increase, the whiteness index value increases. The bursting strength values obtained by using the cold pad-batch recipe in the ultrasonic bath were similar with the raw fabric values. As a result, the ultrasonic method has no negative effect on the bursting strentgh of the fabrics.As the ultrasonic bleaching is an alternative method for long time cold pad-batch process, this lead us for using ultrasonic energy in dyeing processes at the next part of our study. In the literature generally, the ultrasonic dyeing processes are done at higher frequency levels. In this study, the low frequency is preferred to combine dyeing with bleaching at the next step.The conventionally bleached organic cotton single jersey and rib fabrics are dyed with reactive dyestuff provided from Setaş Kimya using the dyestuff recipe by cold pad-batch method. These pad-batch dyeings are accepted as reference. The same recipe in cold pad-batch method is used in ultrasonic dyeing of the same samples. The ultrasonic dyeing processes were applied at three different temperature and time (US1, US2, US3) conditions. Firstly, the initial temperature was 25°C and dyeing time was 25 minutes so that the final temperature was 40°C. In the second method, the initial temperature was 25°C and cold water was circulated to maintain temperature between (27±1)°C. In the US3 method, two different method was applied. Firstly, the initial temperature was 25°C and time was 45 minutes. Secondly, the initial temperature was 40°C and time was 30 minutes.As the aim of the study is to get the reference colour obtained by classic pad-batch method by shortening the batching time and using less amount of chemicals, to reduce the chemical consumption, urea and acetic acid are not used in dyeing and after washing processes.After the treatments the samples are tested in Datacolour Spectrophotometer for CIE L*a*b* (L*,C*,h°) and K/S values. The UV-VIS spectrophotometer is used for measuring the absorbance of the ultrasonic dyeing solutions. The calibration equations are computed automatically by using the UV-VIS spectrophotometer. The absorbance values obtained after each dyeing method are substituted in these equations and the dyestuff concentrations in the ultrasonic bath after dyeing processes (final concentration) are calculated. In addition, the samples have been tested for rubbing, washing and water fastness properties. Rubbing fastness were performed by following ISO 105 X-12 standard. Washing fastness were performed by following ISO 105 C-06 and water fastness were performed by following ISO 105 E-01 standards.The results showed that better K/S and (L*,C*,h°) values can be obtained by ultrasonic method. When three ultrasonic methods were compared, the results showed that US1 and US2 methods gave similar K/S values. The best K/S values were obtained in the US3 method. As the process time in ultrasonic bath was maximum 45 minutes, the ultrasonic shortens the batching time. In after washing processes, the dyestuff recipe given by Setaş Kimya uses the acetic acid for neutralization but in this study, washing with distilled water was sufficient rather than using acetic acid.The dry rubbing fastness values were very close in conventional and ultrasonic dyeings. In addition, the wet fastness properties are not effected by ultrasonic method because it gave very close results to conventional dyeing. The washing and water fastness properties were not effected by ultrasonic method.The conventionally bleached samples were used in the dyeing processes. After the completion of the dyeing processes, a model recipe is obtained. In this recipe, the starting temperature was 25°C and samples are dyed for 20-25 minutes by increasing temperature. As the temperature increases 0,6°C/min., the final temperature was 40°C in this recipe. By using the best recipe in bleaching processes, the samples are bleached by ultrasonic method and dyed with the model recipe using two of the reactive dyetuff in the ultrasonic bath so that the ultrasonic energy is used both in the pretreatment and dyeing of the organic cotton knitted fabrics.The results showed that especially in single jersey fabrics, the ultrasonically bleached fabrics gave better K/S values than conventionally bleached fabrics used at the beginning of the study. So this showed that, ultrasonic bleaching can be an alternative method for both pad-batch bleaching and the bleaching done in the factory. In conlusion, in this study it is understood that ultrasonic method is useful for the pretreatment and finishing processes of organic cotton knitted fabrics and can be an alternative method to conventional cold pad-batch method in bleaching and dyeing processes. The ultrasonic energy showed the potential in decreasing the amount of the bleaching and dyeing time, energy, chemicals used and improving product quality.