Elektromanyetik dalga engeli tekstil ürünleri üzerine bir araştırma: Polimer kaplama ve yüzey–arayüzeyler ile ilgili yapısal incelemeler
A research on electromagnetic wave shield textile products: Polymer coating and the structural investigations related with surface-interfaces
Yazar: EREN ÖZÜPEK
Danışman: PROF. DR. SEMRA İDE
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Günümüzde yaşadığımız ortamlarda, yüksek gerilim hatları, haberleşme ve radar sistemleri, tıpta teşhis ve tedavi amaçlı kullanılan sistemler gibi pek çok uygulamaların neden olduğu radyasyon kirliliği gittikçe artmaktadır. Özellikle, havayolu ulaşımında etkin olan, uzaydan dünyamıza gelen (kozmik ışınlar başta olmak üzere) zararlı elektromanyetik dalga (EMD) ların varlığı, ozon tabakasındaki incelmenin artması ve var olan deliğin büyümesi vb. olumsuz gelişmeler, ileride insanoğlu için daha fazla zararlı EMD etkileri ile karşılaşılacağının da bir göstergesidir.
Bu tür zararlı radyasyondan korunma amacının yanında, güvenlik amacı ile farklı EMD yalıtımlarının da yapılma istekleri, yeni EMD engelli malzemelerin geliştirilmesine yol açmaktadır. Bu tür teknolojik istekler sonucunda bazı tekstil firmaları, önemli Ar-Ge faaliyetleri gerçekleştirmeye başlamıştır. Bu öncü Ar-Ge çalışmaları sonucunda, organik/organometalik özellikler taşıyan, EMD engeli olabilen pek çok kompozit ve nanofiber malzemeden üretilmiş tekstil ürünleri, yüksek maliyetlerle tüketim piyasasına kazandırılmaktadır.
Üniversitemiz, Fizik Mühendisliği Bölümü, SWAXS Araştırma Grubu'nda gerçekleştirilen bu tez çalışması ile öncelikle, tüketime sunulan EMD engeli tekstil ürünlerinin karmaşık yapıları nanoskopik ölçekte Small Angle X-ray Scattering (SAXS, küçük açı x-ışını saçılması) yöntemi ile incelenmiştir. 
Yapılan öncü çalışmalar ile, iki tip SG (Steel Gray) ve ST (Silver Twin) kodları ile tanımlanan tekstil ürünü üzerine odaklanılmıştır. Bu iki ürün seçilirken, EMD kalkan özellikleri ve antibakteriyel özellikleri en güçlü olan ürünler olmasına dikkat edilmiştir. Ayrıca, yüzey özelliklerinin polimer kaplama işlemlerine uygun olup olmadıkları da Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. 
Ardından karbon nanotüp (CN) ve grafen ile katkılanmış sanayi tipi bir polimer olan plastomer (Plasti-Dip) malzemeler hazırlanarak, farklı oranlarda iki boyutlu (2B) ve 3B nano parçacıklar içerecek şekilde, CN ve grafenle katkılanarak tekstil ürünlerini kaplayacak forma getirilmişlerdir. Sanayi tipi kullanıma uygun, basınçlı sıvı kompozit tüpleri ile püskürtme yöntemi kullanılarak kumaş kaplama işlemleri yapılmıştır.     
Kaplama işleminden sonra, ara yüzey ve dış yüzey bilgilerini içerecek şekilde birkaç Angström büyüklükten, nanometre ve mikrometre ölçeklerine kadar yapılar incelenerek yapı-özellik ilişkileri kurulmaya çalışılmıştır. Yüzey ve ara yüzey yapı incelemelerinde, ağırlıklı olarak SAXS yöntemi kullanılmıştır. Elde edilen kaplanmış kumaşların EMD ye karşı kalkan etkisi oluşturup oluşturmadıkları, Dalga Kılavuzu Metodu kullanılarak test edilmiştir. 
İnsan kullanımına doğrudan sunulabilecek bu malzemelerin sağlık açısından bir sorun oluşturup oluşturmayacaklarını belirlemek için de araştırmalar başlatılmış ve kaplama öncesi/sonrası kumaş biyo aktiviteleri incelenmiştir. 
Displinler arası bir çalışma olan bu tez kapsamında, Üniversitemiz, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ve Fen Fakültesi, Biyoloji Bölümü bilim insanları ile iş birliği yapılmıştır. 
Çalışmanın sonucunda,  bu tür tekstil malzemeleri ile ilgili ilk kez nano ölçekli yapısal Ar-Ge faaliyetleri gerçekleştirilerek, yapılan CN ve Grafen katkılı polimer kaplama işlemleri ile 8-13 GHz aralığında EMD kalkanlama özelliklerinin ve  antibakteriyel etkilerin yapı ile ilişkilendirilebildiği nano kompozit ürünler elde edilebilmiştir. 
Grafen katkılı polimer kaplanan kumaşların yüzeyinde nano fraktal yapıların oluştuğu, CN katkılı kaplamalarda ise, Çekirdek-Kabuk Silindir (Core Shell Cylinder) formunda nano yapıların bulunduğu belirlenmiştir. Fraktal model ile yüzeye dağılan grafen nano oluşumlar, yüzey üzerinde daha pürüzsüz ve düzgün bir dağılımın elde edilmesine neden olmuş ve EMD kalkanlama özelliğinin, yüzeyin her bir noktasında daha uniform elde edilmesine katkıda bulunmuştur. 
ST kumaş üzerine yapılan kaplamalar hem CN, hem de grafen katkılamalar için çok daha düzgün ve homojen elde edilmiştir. Bu durum AFM ve EMD etkileşim testleri ile de doğrulanmıştır.
%4 CN–SG tekstil ürününde, kaplamasız SG'ye göre, 11-13 GHz frekanslı EMD için soğurma en yüksek değerde olup, yansımanın da en az olması, bu malzemenin bu frekans bölgesinde görünmezlik çalışmalarında kullanılabileceğini göstermiştir. Kaplama işlemi ile soğurma değeri, 0,2 den 0,3'e artarak %50 oranında geliştirilmiştir. Ayrıca, 8-13 GHz aralığında geçirgenliğin en az olması, CN-SG nin SG ye göre kalkanlama özelliğinin de artırıldığının delili olmuştur. 
%4 Grafen–SG, 8,5-13 GHz aralığında EMD ler için kaplanmış kumaşın yansıtma özelliğinin en fazla, geçirgenliği ve soğurmasının ise en az olduğu belirlenmiştir. Kaplama işlemi ile geçirgenlik değeri 1,2 den 0,5'e düşerek %33 artırılmıştır. Yani başlangıç malzemesi olan SG ye göre daha iyi bir kalkanlama özelliği elde edilmiştir.   
%2 CN-ST malzemesi, 8-13 GHz aralığında, yansıtıcılığı en yüksek, soğurma ve geçirgenliği en düşük olması nedeni ile EMD kalkanı olarak önemli bir ürün olma özelliğine sahiptir. Kaplama işlemi sonrası geçirgenlik değeri 2,2 den 0,5'e düşerek %77 artırılmıştır. 
%2 Grafen-ST, 9,8-13 GHz aralığında daha az geçirgenlik göstermiş ve ortalama geçirgenlik değeri 2,8 iken 1,4 değerine düşerek %50 oranında kalkanlama özelliğindeki artışına neden oluştur. Bu ürünün aynı zamanda,  Gr(+) mikroorganizma olan Staphylococcus aureus ve Gr (-) Escherichia coli üzerinde etkin bir biyoaktiviteye sahip olduğu da gözlenmiştir. 
CN katkılı ST malzemeler için CN katkılama oranı arttıkça, nano ölçekte Rg yarıçap değerlerinin (8,96 – 11,80 nm)  ve oluşan küme boyutlarının (24,63 - 34,29 nm)  arttığı belirlenmiştir.     
Bu çalışma sonucunda elde edilen en değerli ürün fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler açısından %2 CN-ST malzemesidir. 8,96 nm yarıçaplı, homojen dağılımlı, nano globular parçacıklara sahip bu malzeme iyi bir EMD engeli olup aynı zamanda çok iyi bir mikroorganizma karşıtı özelliğe sahiptir.

Abstract:
Nowadays, in the environment that we live, the radiation pollution caused by common applications such as high voltage power lines, communication and radar systems, systems used for diagnosis and cure in medicine increase every day. Especially, negative impacts like the existence of harmful electromagnetic waves (EMW) coming from space and effective on air transportation, the increasing thickness of the ozone layer and the expansion of the ozone hole etc. indicate that humankind will face much more harmful effects of EMW.
In order to avoid these harmful effects of waves/radiation, some companies are carrying out important R&D activities on textile. Several textile products manufactured from composite and nanofiber materials which have organic, organometallic compounds and potential to prevent EMW. Textile products should be coated with polymer to avoid such disruptions and negative external impacts may occur during use which may disable the EMW shield.
With this thesis study carried out in SWAXS Research Team of Hacettepe University Physics Engineering Department, at first, the complex structures of EMW shield textile products in the market were examined in nanoscopic scale with using Small Angle X-ray Scattering (SAXS). 
Pioneering work done with two types of a textile product as defined by the codes SG (Steel Gray) and ST (Silver Twin) focused on. When selecting these two products, we choosed  the most powerful EMW shield and antibacterial properties products carefully. In addition,  whether they are also suitable for the surface properties of the polymer coating operations, Atomic Force Microscopy (AFM) was determined using the method.
Following those, coating studies were carried out by using a special plastomer (plastidip) doped with carbon nanotube and graphene which inside 2D and 3D nano particles. Prepared with graphene and carbon nanotubes at different rates into dissolved private polymer, a spray method was applied on textiles to coating.
After coating, the change in textile products' EMW shield, structural changes in their interfaces and their surface were examined from Angstrom to nanoscale and then, from nanoscale to microscale. Mainly method was used SAXS for surface and inter surface structures. Then, were tested Waveguide Methods for changing coated textiles EMW shielding efficiency. 
These materials which can be directly available for human consumption were determined if they created a problem in terms of human health, bio activity before/after coating fabric.
An interdisciplinary study within the scope of this thesis, we collaborated with valuable scientist of Department of Electrical and Electronics Engineering and Department of Biology of Hacettepe University.
In the results of the study, for the first time such textile materials related to nano-scale structural R & D activities performed and polymer which doped CN and Graphene coating operations in the range 0-13 GHz made with the shielding properties and anti-bacterial effects can be associated with the structure of the nano-composite products could be obtained.
Graphene-doped polymer-coated fabric on the surface of nano-fractal structures formed, on the other hand, CN-doped polymer-coated fabric on the surface of Core Shell Cylinder nano-structures have revealed. The formation of dispersed nano-graphene on the surface with the fractal model have caused to be obtained a uniform distribution on the surface smooth and EMW shielding has contributed to achieve more uniform at each point of the surface of the property.
Coatings on ST fabrics for both grafene and CN were obtained much more smooth and homogeneous. In this case, it is verified by AFM and EMW interaction tests.
%4 CN-SG textile products have the highest value for absorption for 11-13 GHz EMW has the highest value for absorption according to uncoated SG and has shown that have a minimum of reflection of the material used in the study of invisibility in the region of this frequency. Absorption value of the coated sample respect to uncoated one was increased from 0.2 to 0.3 and so, 50% development was obtained by coating.
%4 Graphene–SG is a maximum reflectivity in the range of 8.5 to 13 GHz for EMW beside materials permeability and absorption are a minimum. So, SG is better shielding property which was obtained according to the starting material. Transmission value was increased from 1.2 to 0.5 with 33% development after the coating.
%2 CN-ST material is high reflectance, low absorption and permeability in the range of 8 to 13 GHz. Therefore EMW shield has the distinction of being important as a product. Transmission value was decreased from 2.2 to 0.5 with 77% increasing after the coating. 
%2 Grafen-ST fabric materials are maximum reflectance, minimum absorption between in the range of 9.8 to 13 GHz and it is revealed that much less compared (from 2.8 to 1.4 with 50% increasing) to an uncoated fabric is permeable. At the same time, this textile products have effective bio-activity on Gr(+) Staphylococcus aureus and Gr (-)  Escherichia coli microorganisms. 
It was determined that when CN doping rate of CN doped ST materials increased, Rg semi-diameter values (8.96 – 11.80 nm) and cluster size (24.63 – 34.29 nm) also increased at the nanoscale.
The most valuable product obtained as a result of this study in terms of physical, chemical and biological properties was a 2% CN-ST material. 8.96 nm half-scale homogeneous dispersion of globular particles of the material is the best EMW shielding and also it has a very good anti-microorganism capability.