Şekil hafızalı polimer esaslı fonksiyonel tekstil yapılarının geliştirilmesi
Development of shape memory polymer based functional textile structures
Yazar: SELÇUK ASLAN
Danışman: DOÇ. DR. SİBEL KAPLAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Şekil hafızalı polimerler (SMP) uygun bir uyarıcının bulunduğu bir ortamda geçici
şekillerinden orijinal (kalıcı) şekillerine hızlı bir şekilde geri dönen materyallerdir. Bu
tez çalışmasında akıllı tekstil materyallerinde kullanılabilecek şekil hafızalı lif ve
kumaşların üretilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, SMP'ler arasında en
yaygın kullanım alanına sahip polimer olan şekil hafızalı poliüretan (SMPU)'dan yaş
çekim yöntemiyle lif çekilmiştir. Daha sonra, çekilen monofilament poliester gipe iplikle
birlikte örme yöntemiyle kumaş formuna getirilmiştir. Farklı şartlarda hazırlanan
polimer çözeltilerinden üretilen şekil hafızalı lif ve kumaşların yapısal ve performans
özellikleri incelenmiş, optimum üretim şartları konusunda sonuçlar ortaya konulmuştur.
Bu çalışmada öncelikle şekil hafızalı lif üretiminde kullanılan yaş çekim yöntemi için
üretim parametreleri belirlenmiştir. Çözücü olarak N,N-dimetilformamid (DMF)
kullanılarak iki farklı konsantrasyonda (%20 ve %25) polimer çözeltisi ve üç farklı
konsantrasyonda (%0, %1 ve %3) koagülasyon banyosu hazırlanmıştır. Bu şartlarda altı
farklı şekil hafızalı lif çekilmiştir. Şekil hafızalı liflerin kristal yapı, yüzey morfolojisi,
termal ve dinamik mekanik özelliklerinin belirlenmesi ve çözelti/koagülasyon banyosu
konsantrasyonlarının çekilen liflerin mekanik/kimyasal yapısına etkilerinin belirlenmesi
amacıyla kimyasal karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Ayrıca şekil hafızalı liflerin
mekanik ve termo-mekanik performanslarının değerlendirilmesi amacıyla kopma
mukavemeti, kopma uzama ve termomekanik döngü çekme testleri gerçekleştirilmiştir.
Tez çalışmasının ikinci aşamasında, farklı şartlarda çekilen altı çeşit liften örme
yöntemiyle kumaşlar üretilmiştir. Şekil hafızalı kumaşların fiziksel, mekanik, termomekanik,
geçirgenlik ve şekil hafıza performansları incelenmiştir. Kumaşların yapısal
değişimleri ve gözeneklilik değerlerinin diğer parametrelerle ilişkileri konularında fikir
sahibi olunabilmesi amacıyla orijinal, deforme edilmiş ve geri kazanılmış formlarda kumaşların optik gözeneklilik değerleri mikroskop görüntüleri üzerinden belirlenmiştir.
Kumaşların geçirgenlik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla hava ve su buharı
geçirgenliği testleri yapılmıştır. Su buharı geçirgenliği testi de optik gözeneklilik
ölçümlerindeki üç durum için gerçekleştirilmiştir. Kumaşların şekil hafıza performansı
ayrıca, torbalanma testiyle de karakterize edilmiştir.
Termal analiz sonuçları, şekil hafızalı poliüretan liflerinin 35-40oC aralığında bir camsı
geçiş sıcaklığına sahip olduklarını ve koagülasyon banyosu çözücü konsantrasyonunun
lif camsı geçiş sıcaklığı üzerinde önemli bir etkisinin olmadığını göstermiştir. SMPU
liflerinin, önceki benzer çalışmalarda elde edilen sonuçlarla uyumlu olarak, ortalama
1,38 cN/dtex kopma mukavemeti ve % 350 kopma uzama değerlerine sahip olduğu
tespit edilmiştir. Termomekanik test sonuçları, SMPU filamentlerinin ortalama %71'lik
şekil sabitleme oranı ve %91'lik geri kazanım oranına sahip olduklarını göstermiştir.
XRD analiz sonuçlarına göre çekilen filamentler geniş bir difraksiyon eğrisine (10-30o)
sahiptir. SEM görüntüleri, çözücü içermeyen (%0) koagülasyon banyosu kullanılarak
üretilen filamentlerin (SMPU200 ve SMPU250) yüzeylerinin diğerlerinden nispeten
daha pürüzsüz bir yapıda olduklarını göstermektedir.
Çekilen filamentlerden poliester gipe iplik eşliğinde örülen kumaşlara uygulanan
torbalanma test sonuçları, bütün şekil hafızalı kumaşların elastik geri dönüşten sonra
torba yüksekliklerinin %37-58 oranında sabitlendiğini ve sabitlenen deformasyonun da
%40-42 oranında geri kazanıldığını göstermektedir. Bu sonuç, benzer çalışmalarda elde
edilen %40-60 oranında şekil sabitleme ve geri kazanım değerleriyle uyumludur.
Orijinal, deforme ve şekli geri kazanılmış kumaşların su buharı geçirgenlik değerleri
incelendiğinde, deforme edilmiş kumaşların su buharı geçirgenlik değerlerinin orijinal
kumaşa göre anlamlı oranda yüksek olduğu, deforme edilmiş ve şekli geri kazanılmış
kumaşların su buharı geçirgenlikleri arasında anlamlı farklar olmadığı tespit edilmiştir.
Bu tez çalışmasında şekil hafızalı poliüretan kullanılarak üretilen lif ve kumaşların
yapısal, termal, mekanik ve şekil hafıza performansları değerlendirilmiştir. Tüm
özellikler açısından yüksek performans gösteren % 25 polimer ve % 1'lik koagülasyon
banyosu konsantrasyonunda üretilen SMF251 kumaşının giysi üretimi için uygun olduğu
tespit edilmiştir. Sonuç olarak, üretilen lif ve kumaşların akıllı tekstil materyallerinden
beklenen mekanik, geçirgenlik ve şekil hafıza performanslarını karşıladığı ve elde edilen
sonuçların şekil hafızalı polimerlerin son kullanım performanslarının incelendiği sonraki
çalışmalara katkıda bulunabileceği düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler: şekil hafızalı poliüretan, yaş çekim, camsı geçiş sıcaklığı, şekil
hafıza davranışı, örme kumaş.

Abstract:
Shape memory polymers (SMPs) are materials that quickly return to their original
(permanent) shapes from a temporary shape under appropriate external stimulus. In this
thesis, shape memory fibers and fabrics were aimed to be produced for smart textile
materials. For this purpose, shape memory fibers were spun by wet spinning process
with shape memory polyurethane (SMPU) which is the most common kind of SMPs.
Then, shape memory fabrics were produced by knitting method with spun fibers with the
existence of polyester gimped yarn. Performances of produced shape memory fibers and
fabrics under different process conditions were investigated and results were revealed
regarding optimum production conditions.
First of all, parameters of wet spinning process used in production of shape memory
fibers were determined. Shape memory polyurethane solutions were prepared with two
different concentrations (20% and 25%) and three different coagulation bath
concentrations (0%, 1% and 3%) with N, N-dimethylformamide (DMF) as solvent.
Totally, six type of SMPU fibers with different spinning parameters were spun. For
investigating crystal structure, morphology, thermal and dynamic-mechanic properties
of shape memory fibers and the influences of solvent and coagulation bath
concentrations on mechanic/chemical and shape memory performances of fibers,
characterization tests were conducted. In addition, tensile and thermomechanical cyclic
tensile tests were performed to evaluate the mechanical and shape memory performances
of shape memory fibers.
In the second stage of thesis, shape memory fabrics were produced by knitting using
shape memory fibers which were spun under different spinning conditions. Physical,
mechanical, thermo-mechanical, permeability and shape memory performances of the
shape memory fabrics were investigated. Optical porosity values of the original, deformed and recovered fabrics were calculated from microscopic images of the related
fabrics to have an idea about fabric structural changes and relationships of the porosity
with different parameters. Air and water vapour permeability tests were conducted to
determine permeability properties of shape memory fabrics. Water vapour permeability
tests were carried out also for three states of fabrics as in optical porosity measurements.
Shape memory performances of fabrics were also characterizied by bagging test.
The soft segment glass transition temperature (Tg) of shape memory polyurethane fibers
were found between the range 35-40oC by thermal analyses and it was observed that
solvent concentrations in coagulation bath did not have a remarkable effect on Tg of
fibers. SMPU fibers showed tensile performances in harmony with results of preceding
studies that, they have an average tenacity of 1.38 cN/dtex and elongation at break of
350%. Thermo-mechanical test results showed that, all shape memory filaments have
sufficient shape memory performances with recovery and fixity ratios up to 91% and
71% respectively. XRD profiles of spun fibers demonstrated broad scattering between
10-30o. SEM images show that SMPU200 and SMPU250 which were spun with 20%
and 25% polymer concentrations in solution and 0% concentration in coagulation bath
respectively, have slightly smoother surfaces than other fibers.
Bagging test results, which were applied to fabrics knitted with spun fibers and gimped
polyester yarn, showed that all shape memory fabrics could keep 37-58% of their
bagged shapes after elastic recovery and 40-42% of the fixed deformation was recovered
confirming knitted fabric results of preceding studies of 40-60% shape fixity and
recovery ratios. When the water vapour permeability values of original, deformed and
shape recovered fabrics were examined, it was found that water vapour permeability
values of deformed fabrics increased significantly when compared with the original
fabric. Moreover, no significant differences were observed among water vapour
permeability values of deformed and shape recovered fabrics.
In this thesis, structural, thermal, mechanical and shape memory performances of fibers
and fabrics produced with shape memory polyurethane were evaluated. Among the
produced filaments, high performance of SMF251 (fabric which was produced with 25%
polymer and 1% coagulation bath concentration) in terms of all properties is observed
meaning that it is a suitable material for garment production. As a result it is thought
that, produced fibers and fabrics can satisfy the mechanical, permeability and shape
memory performances necessary for intelligent textile applications and results may be
valuable for further studies investigating end use performances of SMPs.

Keywords: shape memory polyurethane, wet spinning, glass transition temperature,
shape memory behavior, knitted fabric.