Selüloz nanokristalit (Nanowhisker) takviyeli sıcaklık-su duyarlı poliüretan kompozit yapıların tekstil uygulamaları
Textile applications of cellulose nanowhisker reinforced thermo-water responsive polyurethane composite structure
Yazar: NAZİFE KORKMAZ MEMİŞ
Danışman: PROF. DR. SİBEL KAPLAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Son yıllarda, değişen ortam koşullarına uyum sağlayabilen akıllı tekstil ürünleri içerisinde şekil hafızalı polimerler (ŞHP'ler) dikkat çekmekle beraber bu konuda özellikle son ürün performanslarıyla ilgili çalışmalar sınırlı sayıdadır. Bu tez çalışmasında, özellikle son yıllarda önem kazanan termal konfor ve performansı artırmaya yönelik, vücut ısısının arttığı veya terleme durumunda aktif hale geçebilecek, eş zamanlı olarak hem sıcaklık hem su/nem de duyarlı polimerlerin farklı formlarda tekstil ürünlerine uygulanması ile çok işlevli ürünlerin üretilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, ŞHP'ler arasında en yaygın kullanım alanına sahip olan şekil hafızalı poliüretan (ŞHPU) selüloz nanokristalit (SNK) ile modifiye edilerek sıcaklığın yanında su/neme de duyarlı hale getirilmiştir. Elde edilen nanokompozit yapıdan film ve filament üretilmiş, yapı bitim işlemi olarak farklı özellikteki kumaşlara (dokuma/örme pamuk, yün ve poliester) uygulanmıştır. 

Tez çalışmasında öncelikle, hammadde olarak seçilen vücut sıcaklık aralığına uygun ŞHPU polimer matrise SNK partiküllerinin anahtar geçiş elemanı olarak eklenmesi ile (kütlece %5-20) sıcaklık duyarlı matris malzemesi aynı anda su/neme de duyarlı hale gelmiştir. Yüzey aktif madde içeren bir modifikasyondan sonra homojen nanopartikül dağılımına sahip nanokompozit filmler üretilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında nanokompozit yapılardan yaş lif çekimi yöntemiyle filament üretimi gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise üretimi gerçekleştirilen ve karakterizasyonu tamamlanan nanokompozit yapılar, farklı hammadde ve yapılardaki kumaşlara şekil hafıza özelliği vasıtasıyla konfor ve kullanım performanslarının iyileştirilmesi amacıyla bitim işlemi olarak uygulanmış, sonuçlar hammadde ve yapıya bağlı olarak değerlendirmiştir. Üretilen nanokompozit film ve filamentlerin şekil hafıza performans özellikleri hem sıcaklık hem de su/nem etkisi ile şekil değişiminin incelendiği mekanik-termal-sulu programlama testi ile belirlenmiştir. Ayrıca, nanokompozit film ve bitim işlemi uygulanmış kumaşların dinamik koşullardaki geçirgenlik ve sıvı absorbsiyon kapasitesi özellikleri de incelenerek nanopartikül katkısının şekil hafıza, dolayısıyla da dinamik konfor iyileştirme performansı üzerindeki etkileri tespit edilmiştir. Belirtilen performans testlerinin yanı sıra partikül katkısının film, filament ve kumaşların kimyasal, yapısal, mekanik, termal, termo-mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini de belirlemek amacıyla Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi (FT-IR) spektroskopisi, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), X-Işını Difraktometre (XRD), Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC), Termogravimetrik (TG), Dinamik Mekanik Analiz (DMA) analizleri ve mukavemet testi de gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, uygulanan bitim işlemi ile kabul edilebilir tutum ve mekanik özelliklerin sağlandığı kumaşların farklı giyim ve kullanım şartlarında torbalanma düzelmesinin yanı sıra kırışma düzelmesi ve kat tutma özellikleri ile yünlü kumaşta keçeleşme davranışları da incelenmiştir. 

Şekil hafıza test sonuçlarına göre, modifikasyon işlemi sonucu homojen dağılım sağlanmış nanokompozit filmlerde %20 oranındaki SNK içeriği ile daha iyi morfolojik, termal, termo-dinamik ve mekanik özelliklerin yanı sıra sıcaklık ve su etkisinde %99'a varan şekil geri kazanım oranı (% 84'ü su/nem etkisiyle) ve %70 şekil kararlılık oranı elde edilmiştir. Farklı sıcaklık ve bağıl nem değerlerinde en iyi dinamik su buharı geçirgenliği ve absorbsiyon kapasitesi değerleri de aynı numunede elde edilerek bu yapının dinamik koşullarda en yüksek konfor iyileştirme performansına sahip olduğu tespit edilmiştir. Benzer şekilde ŞHPU-SNK nanokompozit yapılardan üretilen filamentlerde de %20 oranındaki SNK içeriği ile daha yüksek mukavemet ve şekil hafıza performansı elde edilmiştir. Bu yapılarda %100 oranındaki şekil geri kazanım performansının yaklaşık %85'i su/nem etkisi ile elde edilirken filmlerden farklı olarak şekil kararlılık oranı yaklaşık %87 civarındadır. Nanokompozit yapıların bitim işlemi olarak farklı hammaddelerdeki kumaşlara uygulanması aşamasında ise polimer konsantrasyonu konusunda kumaş tutumu ve performans üzerinden yapılan optimizasyon sonucunda %10'luk konsantrasyon uygun bulunmuş ve çalışmalara bu değer üzerinden devam edilmiştir. ŞHPU-SNK nanokompozit bitim işlemi özellikle %20 oranındaki SNK içeriği ile yün, pamuk ve poliester kumaşlarda termal konfor parametrelerinden akıllı geçirgenlik (hava ve su buharı geçirgenliği) ve ter absorbsiyon özelliği sağlamıştır. Dinamik geçirgenlik ve absorbsiyon kapasitesi test sonuçlarının yanı sıra nanokompozit bitim işlemi görmüş kumaşların yıkama, kurutma ve kullanım şartlarını simüle eden ortamlardaki dinamik torbalanma, kat tutma/kırışma düzelmesi ve boyutsal stabilite konularında da, en iyi performansı %20 SNK içeren ŞHPU-SNK nanokompozit bitim işleminin sağladığı tespit edilmiştir. 

Sonuç olarak, bu tez çalışmasında vücut ısısının arttığı ve/veya terleme durumunda ıslaklık hissinin oluştuğu koşullarda konforun korunabilmesi için eş zamanlı olarak hem sıcaklık hem de su/nem duyarlı şekil hafızalı nanokompozit yapıların geliştirilmesi ve bu yapıların film, lif ve bitim işlemi formunda tekstile uyarlanması başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Üç farklı formda da tüm özellikler açısından yüksek performans elde edilmesini sağlayan %20 SNK içeren ŞHPU-SNK nanokompozit yapıların, özellikle sporcular veya belirli iş kollarında çalışan kişiler için dinamik şartlarda sıcaklık ve nem yönetimi yapabilen katma değeri yüksek akıllı giysilerin üretiminde kullanılabileceği düşünülmektedir. Konfor yanında bazı performans özelliklerinin de şartlara uygun olarak iyileştirilebildiği kumaşların gelecekteki Ar-Ge çalışmaları ve yerli ürünler için bir altyapı olabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
In recent years, shape memory polymers among environmentally adaptive structures have attracted attention for development of smart textile products that can manage temperature and humidity depending on ambient conditions but studies about their end use performances are limited. In this thesis, it was aimed to produce multifunctional structures in textile forms, simultaneously responsive to temperature and water/moisture that are active under high temperature or sweating conditions. For this purpose, shape memory polyurethane (SMPU), most commonly used polymer among smart polymers, was modified with cellulose nanowhiskers (CNWs) to obtain water/moisture sensitivity besides temperature. The produced nanocomposite structure was transformed to film and fibre forms and it was also used as a finishing agent on fabrics having different properties (wool, cotton and polyester woven/knitted fabrics). 

First of all, temperature responsive matrix (SMPU) material which is suitable for body temperature range, was made responsive to water/moisture simultaneously by CNWs reinforcement (5-20 wt%) as switching element. Nanocomposite films with homogenious CNW distribution was produced after a modification with surfactants. In the second stage of thesis, nanocomposite filaments were spun by wet spinning process with thermo-water/moisture responsive nanocomposite structures. In final stage of the thesis, produced and characterized SMPU-CNW nanocomposite structures were applied to fabrics as a finishing process in order to enhance comfort and end use performances by means of shape memory feature and results were evaluated depending on the raw material and structure. Shape memory performances of both films and filaments were evaluated by a mechanical-thermal-aqueous test procedure including shape recovery under both temperature and water/moisture conditions. Moreover, shape memory performance of the films and treated fabrics was investigated through dynamic permeability and water absorption capacity properties and effect of CNW reinforcement on shape memory performance, hence dynamic comfort enhancement was determined. Besides the mentioned performance tests, the effect of CNW reinforcement on chemical, structural, mechanical, thermal and thermo-dynamical properties of films, filaments and fabrics were determined by Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy, Scanning Electron Microscope (SEM), X-ray Diffraction (XRD), Differential Scanning Calorimeter (DSC), Thermogravimetric (TG), Dynamic Mechanical Analysis (DMA) analyses and strength tests. Moreover, bagging recovery, crease recovery and retention performances of the treated fabrics having acceptable handle and mechanical properties were evaluated under different wearing and usage conditions. Anti-felting performances of the treated wool fabrics were also determined. 

According to shape memory test results, especially after the modification procedure for homogeneous distribution, 20 wt% CNW concentration in nanocomposite films was created the best results in case of better morphological, thermal, thermo-dynamic and mechanical properties. They have 99% shape recovery whose 84% belonging to water/moisture effect and 70% shape fixity ratios with the effect of temperature and water. Having the best dynamic water vapour permeability at different temperature and relative humidity values, the mentioned structure had the best comfort enhancement performance under dynamic conditions. Similarly, higher strength and shape memory performances were obtained for filaments including 20 wt% CNW. Nanocomposite filaments containing 20 wt% CNW had approximately 100% shape recovery (85% of it sourced from water/moisture) and shape fixity ratio is about 87%, higher than the films. According to the optimization study conducted about polymer concentration according to fabric hand, 10% polymer concentration was determined and studies continued from this value. SMPU-CNW finishing treatment provided smart permeability (air and water vapour) and absorption capacity features for 20 wt% concentrations to enhance thermal comfort on wool, cotton and polyester fabrics. Besides dynamic permeability and absorption capacity features, 20 wt% CNW content had the best performances for also dynamic crease retention/recovery and dimensional stability under different environments simulating washing, drying and usage conditions. 

As a result, development of simultaneously temperature and water/moisture responsive shape memory nanocomposite structures in order to keep comfort where body temperature increases and/or sweating and wetness sensation occurs were succesfully accomplished in the form of film, fibre and finishing treatment. SMPU-CNW nanocomposite structures with 20% CNW content in three forms providing high performance in terms of all features is thought to be suitable for development of smart textile products that can manage temperature and humidity under dynamic conditions especially for sportsperson or people working in high degree of workload. It is thought that, smart fabrics possessing enhancements in cases of comfort and some performance features according to the conditions might be a background for further research and development studies and textile industry.