TEKSTİL LİF TELEFLERİNDEN ISI DEPOLAMA ÖZELLİKLİ LİF ÜRETİM OLANAKLARININ ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 TEKSTİL LİF TELEFLERİNDEN ISI DEPOLAMA ÖZELLİKLİ LİF ÜRETİM OLANAKLARININ ARAŞTIRILMASI AN INVESTIGATION OF PRODUCTION POSSIBILITIES OF FIBER WITH HEAT STORAGE PROPERTY FROM TEXTILE FIBER WASTES Sennur Alay 1 ve Cemil Alkan 2 1 Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Tekstil Mühendisliği Bölümü, Isparta 2 Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, Tokat Özet Bu çalışmada, atık tekstil liflerine ısı enerjisini kullanım sıcaklığında depo edip salabilen faz değişim maddeleri uygulayarak ısı depolama ve ısı düzenleme özellikli, enerji tasarrufu sağlayan lif üretim olanaklarının araştırılması hedeflenmiştir. Isı depolama özellikli liflerin ev tekstil ürünlerinde veya mobilyalarda dolgu lifi olarak veya lif takviyeli kompozit ısı yalıtım malzemelerinin üretiminde kullanılabileceği düşünülmektedir. Isıl enerji depolama ve ısıl konfor özelliği kazandırılacak lifler iplik üreten işletmelerden tedarik edilecektir. Lif teleflerine veya diğer tekstil atıklarından elde edilebilecek tekstil lif materyallerine poli(etilen glikol) faz değişim maddesi olarak uygulanacaktır. Böylece söz konusu lif teleflerinin değerlendirilerek ülke ekonomisine kazandırılması, çevreye olan olumsuz etkilerinin azaltılması, ucuz ve kolay üretilebilen bir enerji tasarruf materyalinin üretilebilmesi hedeflenmiştir. Netice olarak bu çalışma, ülkemizde ısıl enerji depolama materyallerinin kullanılmaya başlanmasını sağlayacak yeni ve ekonomik bir uygulama alanı oluşturulmasına odaklanmaktadır. Abstract In this study, it is aimed to investigate production possibility of fibers with heat storage and thermo-regulation properties by applying the phase change materials absorbing and releasing thermal energy at ambient temperatures to waste fibers. Fibers with heat storage property are thought to be used as filling fibers at home textiles or furniture s and fiberreinforced composite thermal insulation materials production. Fibers to be charged with thermal energy storage and thermal comfort will be supplied from the yarn producing mills. Poly(ethylene glycol) (PEG) will be applied to fiber wastes supplied from yarn spinning mills or other textile fibers from other textile wastes as phase change material.

2 So recycling of fiber wastes for national economy, decreasing the environmental effect of fiber wastes, and production of cheap and easily produced energy storage materials are aimed. In conclusion, this study focuses on the formation of a new and economic application field initiating usage of energy storage materials in our country. Giriş Katma değeri yüksek yenilikçi tekstil ürün ve üretim proseslerine olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Bu alanda gerçekleştirilen yeniliklerden birisi de faz değişim maddesi (FDM) içeren ısı depolama özellikli ve ısı düzenleme özellikli tekstil ürünlerinin üretimidir. Faz değişim maddeleri gizli ısı depolama özelliğine sahip maddelerdir. Gizli ısı, maddenin faz değişim prosesi boyunca depolanan/yayılan ısıdır. Katı-sıvı faz değişim maddeleri, ortam sıcaklığı maddenin erime sıcaklığına yükseldiğinde, erimeye başlayan ve erime prosesi boyunca ortamdan ısı absorbe edebilen, tam tersi durumda sıcaklık maddenin katılaşma noktasına kadar düştüğünde ise katılaşma prosesi boyunca depoladığı bu ısıyı ortama geri verebilen maddelerdir. Faz değişim teknolojisinin kullanımı 1970 lı yıllarda, NASA (National Aeronautics and Space Administration) tarafından yürütülen bir araştırma programına dayanmaktadır. Bu programdaki asıl amaç, astronot giysilerine uzaydaki aşırı sıcaklık dalgalanmalarına karşı ısıl koruma etkinliğinin kazandırılmasıdır (Mattila, 2006; Mondal, 2008). NASA nın 1971 yılında yayınladığı Phase Change Materials Handbook isimli raporunda 500 den fazla faz değişim maddesi kaydedilmiştir ve bunlar faz değiştirme sıcaklıklarına ve ısı depolama kapasitelerine göre farklı kategorilere ayrılmıştır (Scott, 2005; Boan, 2005). Faz değişim maddeleri organik ve inorganik olmak üzere iki temel gruba ayrılırlar. İnorganik faz değişim maddeleri yapılarında su molekülü bulunduran tuzlardır (Hydrated Salts). Parafinler, yağ asitleri ve polietilen glikol (PEG) gibi maddeler ise organik faz değişim maddeleri olup, tekstil ürünleri için çoğunlukla erime sıcaklıkları C aralığında olan parafinler ve PEG tercih edilmektedir (Mondal, 2008). Faz değişim maddeleri ortam sıcaklığına bağlı olarak tekstil materyalleri için; FDM nin ısı absorbsiyonu ile soğutma etkisi sağlamaktadırlar. FDM nin ısı yayma özelliği ile ısıtma etkisi sağlamaktadırlar. FDM nin ısı yayma etkisi nedeniyle yalıtım etkisi sağlanmaktadır. Faz değişim maddelerinin ortama ısı yayma özelliği, vücuttan çevreye ısı akışını ve böylece vücudun istenmeyen ısı kaybını azaltan ısıl bariyer etkisi oluşturmaktadır.

3 Tekstil materyalini çevreleyen ortamın sıcaklığını sabit tutmak için sıcaklık değişimine bağlı olarak FDM nin ısı verme veya alma özelliğinin neticesi olarak ısıl-düzenleme etkisi sağlanmaktadır (Pause, 2003; Mattila, 2006; Mondal, 2008). Yapılan literatür araştırması neticesinde tekstil ürünlerine ısı depolama özelliği kazandırmak amacıyla faz değişim maddesi olarak genellikle parafinlerin ve polietilen glikolün kullanıldığı belirlenmiştir. Parafin esaslı faz değişim maddelerinin tekstil ürünlerine aplikasyonu konusunda yapılan araştırmalar incelendiğinde, bu maddelerin genellikle polimerik bir madde içerisinde mikro veya nano boyutta kapsüllendikten sonra tekstil ürünlerine aplike edildikleri görülmektedir (Alay vd., 2009; 2010, Deveci ve Başal, 2009; Önder vd., 2008 ). PEG katı-sıvı faz değişim maddesi olarak polimerik duvar maddesi içerisine kapsüllenerek (Alkan vd.,2006; Sarıer ve Önder, 2007) veya katı-katı faz değişim maddesi olarak polimer veya kumaş materyallerine kimyasal olarak aplike edilebilmektedir. Ayrıca PEG poliüretan köpük malzemelere ısı depolama özelliği kazandırmak amacıyla da kullanılmaktadır (Meng ve Hu,2008; Sarıer ve Önder, 2007). Polietilen glikol (PEG) yapısında tekrar eden temel birim, zincirin her iki ucunda hidroksil gruplarına sahip oksietilen (-O-CH 2 -CH 2 ) n grubudur. Molükül ağırlığı 20,000 in altındaki polietilen glikol için erime sıcaklığı moleküler ağırlığı ile orantılıdır. Molekül ağırlığındaki artış, erime sıcaklığında artışa neden olmaktadır (Mondal, 2008). Aşağıdaki tabloda PEG ün molekül ağırlığına bağlı olarak faz değiştirme sıcaklık aralığı değerleri verilmiştir. Tablo 1. Farklı molekül ağırlığında polietilen glikolün faz değiştirme davranışları (Tao, 2001) PEG Molekül Ağırlığı Erime Sıcaklığı ( C) Erime Isısı (J/g) Katılaşma Sıcaklığı ( C) Katılaşma Isısı (J/g) PEG PEG PEG PEG PEG Bu çalışmada, atık tekstil liflerine ısı enerjisini belirli sıcaklıklarda depo edip salabilen faz değişim maddeleri uygulayarak bina içi iklimlendirme ve ısıtma sistemlerinde ciddi avantajlar sağlayabilecek, kolay uygulanabilir yeni nesil ısıl konfor materyallerinin üretilmesi hedeflenmiştir. Üretilecek materyallerin ısınma ve klima sistemlerinde önemli oranda enerji

4 tasarrufu sağlayacağı düşünülmektedir. Literatürde faz değişim maddelerinin kullanılması durumunda ısıtma sistemlerinde %40, klima sistemlerinde ise %22 ye varan oranlarda enerji tasarrufunun sağlanabildiği belirtilmektedir. Ayrıca bu çalışma neticesinde, hem atık tekstil liflerinin geri kazanımı konusunda alternatif bir uygulama alanı daha ortaya konulmuş olacak hem de enerji depolama materyalleri bakımından maliyetler düşecektir. Yapılacak olan çalışmanın küresel anlamda bile çok ciddi bir önemi bulunmaktadır. Çünkü benzer materyallerin etkin bir biçimde kullanılması neticesinde karbondioksit gaz salınımının azalması kaçınılmazdır. Dünyada artan nüfusa bağlı olarak yükselen tekstil ürünü tüketim miktarları bazı çevre sorunlarını da beraberinde getirmektedir. Yapay ya da doğal tekstil lifleri lif üretimi, liften ürün üretimi ve herhangi bir şekilde kullanım dışı kaldıklarında genellikle atık durumuna düşmektedirler. Doğal lifler kendi kendilerine doğada kısa sürelerde yok olmaları nedeniyle ciddi sorun teşkil etmemelerine rağmen sentetik lifler çok daha ciddi çevre sorunlarına neden olmaktadırlar. Hem çevreye olan zararlı etkilerini önlemek hem de ülke ekonomisine katkıda bulunabilmek amacıyla tekstil lif esaslı atıkların geri dönüşümü önemli bir konudur. Ancak tekstil sektörü ile ilgili çevresel zararlar ve geri dönüşüm çalışmaları genellikle üretim süreçlerinde ortaya çıkan kimyasal atıkların ve kirli suların arıtılmasına yönelik çalışmalar olup katı atıkların değerlendirilmesi ile ilgili bilimsel ya da pratik çalışma sayısının son derece sınırlı olduğu görülmektedir. Oysaki lif üretiminden son ürün üretimine kadar her işlemde lif esaslı katı atıklar ortaya çıkmaktadır ve tekstil ürün üretim sürecinin çevresel etkileri ve tekstil atıklarının geri kazanımı önemli bir konudur (Güngör vd., 2007). Amaç ve Kapsam Bu çalışmada, iplik üreten işletmelerden tedarik edilecek lif teleflerine veya diğer tekstil atıklarından elde edilebilecek tekstil lif materyallerine faz değişim maddesi aplike edilerek ısı depolama özellikli lif üretiminin gerçekleştirilmesi hedeflenmektedir. Böylece söz konusu teleflerinin değerlendirilerek ülke ekonomisine kazandırılması, çevreye olan olumsuz etkilerinin azaltılması, ucuz ve kolay üretilebilen bir enerji tasarruf materyalinin üretilebilmesi hedeflenmiştir. Burada yapılması düşünülen çalışmanın telef lifler yerine doğrudan lif temini ile gerçekleştirilmesi durumunda bile ciddi anlamda tasarruf sağlayabilen dolayısı ile ekonomik değeri olan materyallerin üretilmesi anlamına geleceği unutulmamalıdır. Yani yapılacak işlemler neticesinde her çeşit lif yerine sadece birkaç çeşit lif kullanılarak hedeflenen sonuçların elde edilmesi durumunda bile çalışmanın tatmin edici bir noktaya ulaştığı düşünülebilir. Diğer taraftan sonuçların tatminkar olması neticesinde bu çalışma atık kumaşlara genişletilerek daha ekonomik ve daha geniş spektrumlu bir uygulama sahasına açılabilir.

5 Yani bu çalışma gerek bilimsel ve gerekse ekonomik anlamda bir başlangıç teşkil edecektir. Ülkemizde en primitif düzeyde bile enerji depolama materyalleri üzerine çalışan bir ticari kurum bulunmamakla birlikte dünyada her geçen gün bu alanda yapılan yatırımların sayısı artmaktadır. Ülkemizde de er ya da geç ısıl enerji depolama materyallerinin kullanılmaya başlanacağı ve bu konu da öncülük edecek olan endüstri kuruluşlarının hatırı sayılır miktarlarda kazanımlar elde edecekleri düşünülmektedir. Bu çalışmada üretilecek enerji tasarrufu sağlayan liflerin yapışma, koku ve buharlaşma özellikleri olmaksızın ev tekstil ürünlerinde veya mobilyalarda dolgu lifi olarak veya lif takviyeli kompozit ısı yalıtım malzemelerinin üretiminde kullanılabileceği düşünülmektedir. Şu anda dünya da bu şekilde uygulanabilen bir enerji depolama materyali bulunmamaktadır. Sadece Amerika Birleşik Devletleri nde mikrokapsül takviyeli liflerin bina içersinde ısıl konfor amaçlı olarak kullanılabilirliğine dair birtakım çalışmalar yapılmakta olup tercih edilen bu yöntem son derece pahalı ve daha az etkin bir yöntemdir. Çin de ise parafin türü düşük sıcaklıkta çalışan materyallerin zeminde kullanılabilmesi üzerine çalışmalar yapılmış olup bu yöntem ise çok sayıda dezavantaja sahiptir. Ülkemizde de faz değişim maddelerinin termal enerji depolama özelliğinden yararlanılarak binalarda ısıtma veya ısı yalıtımı konularında akademik araştırmalar mevcuttur. Konuklu, mikrokapsüllenmiş faz değişim maddelerinin kullanarak binalarda enerji tasarrufunun sağlanması konusunda araştırma yapmıştır (Konuklu, Y., 2008). Ayrıca faz değişim maddelerinin termal enerji depolama özelliğinden yararlanarak seralarda ısıtma konusunda araştırmalar da mevcuttur (Başçetinçelik vd., 1997 ve 1999). Materyal ve Yöntem Çalışmada, lif telefi olarak iplik üreten işletmelerden tedarik edilecek pamuk, polyester, viskon, akrilik vb. elyafların kullanılması hedeflenmektedir. Faz değişim maddesi olarak ise polietilen glikol (PEG) kullanılacaktır. PEG molekül ağırlığına bağlı olarak farklı sıcaklıklarda eriyip katılaşabilen ve bu süreçte sıcaklık değişimlerine direnç sağlama özelliği bulunan polimerik bir malzemedir. Bu çalışma kapsamında farklı molekül ağırlığına sahip PEG maddelerinin telef liflere kimyasal olarak bağlanması ile farklı sıcaklıklarda ısı depolama ve yayma özelliğine sahip liflerin üretimi gerçekleştirilecektir. Proje ekibi bu çalışma için ön denemeleri, uygulanması liflerden çok daha zor olan ham kumaşlar üzerine yapmış ve son derece tatminkâr sonuçlar elde etmiştir. Bu çalışmada telef liflere kasar işlemi yapıldıktan sonra farklı molekül ağırlığına sahip PEG polimerlerinden değişen miktarlarda uygulanacaktır. Kullanılan liflerin saf halde ve PEG uygulanmış olarak morfoloji, kimyasal yapı ve ısıl özellik incelemeleri sırasıyla mikroskopi, FT-IR spektroskopisi ve DSC yöntemleriyle araştırılacaktır.

6 Bu çalışmada PEG polimerlerinin liflere uygulanması sırasında farklı köprü kimyasalları kullanılacak ve bu köprü materyallerinin etkinlikleri değerlendirilecektir. Ayrıca PEG uygulanmış liflerin mukavemet ve kopma uzaması özellikleri de test edilerek uygulamanın lif özelliklerine etkisi araştırılacaktır. Kaynaklar Alay, S., Göde, F., Alkan, C., Isıl Enerji Depolama İçin Poli(etil akrilat)/hekzadekan Mikrokapsüllerinin Üretilmesi ve Karakterizasyonu, Tekstil Teknolojisi Elektronik Dergisi Dergisi, Cilt: 3, No: 3, Alay, S., Göde, F., Alkan, C., Preparation and Characterization of Poly(methylmethacrylateco-glycidyl methacrylate)/n-hexadecane Nanocapsules as a Fiber Additive for Thermal Energy Storage, Fibers and Polymers (Accepted). Alay, S., Göde, F., Alkan, C., Synthesis and Thermal Properties Of Poly(N-Butyl Acrylate)/N- Hexadecane Microcapsules Using Different Cross-Linkers And Their Application To Textile Fabrics. Journal of applied Polymer Science (Accepted). Alay, S., Alkan, C., Göde, F.,2010. Production of PAN and PVA Nanofibers Incorporated PMMA/n-Hexadecane Nanocapsules for Thermal Comfort in Textiles, The Fiber Society Spring 2010 International Conference on Fibrous Materials, May 2010, Bursa, Türkiye. Alay, S., Alkan, C., Göde, F., Synthesis and Characterization of Poly(butyl acrylate)/nhexadecane Microcapsules and Their Thermal Performances in Fabrics, The Fiber Society Spring 2010 International Conference on Fibrous Materials, Mayıs 2010, Bursa, Türkiye. Alkan, C., Sarı, A., Uzun, O., Poly(Ethylene Glycol)/Acrylic Polymer Blends as Form Stable Phase Change Materials for Latent Heat Thermal Energy Storage Applications. AIChE J., 52 (9), Başçetinçelik, A., Paksoy, H.Ö., Gaurk, H. H., Greenhouse heating with solar energy and phase change energy storage. ActaHorticulturae, 443, Başçetinçelik, A., Öztürk, H.H., Paksoy, H.Ö., Demirel, Y., Energetic and Exergetic Efficiency of Latent Heat Storage System for Greenhouse Beating, Renewable Energy, 16, Boan, Y., Physical Mechanism and Charactarization of Smart Thermal Clothing. The Hong Kong Polytechnic University, PhD Thesis, 267p, Hong Kong. Deveci, S.S., Basal, G., Preparation of PCM Microcapsules by Complex Coacervation of Silk Fibroin and Chitosan. Colloid Polymer Science, 287 (12), Güngör, A., İkiz, Y., Palamutçu, S., Gören, H.C., Ağırbaş, P.G. Tübitak proje sonuç raporu,104m376, Çevreye Duyarlı Bakış Açısı İle Tekstil Ürünlerinin Yaşam Döngülerinin Analizi, Konuklu, Y., Mikrokapsüllenmiş Faz Değiştiren Maddelerde Termal Enerji Depolama ile Binalarda Enerji Tasarrufu, Fen Bilimleri Enstitüsü, Çukurova Üniversitesi, Mondal, S., Phase Change Materials for Smart Textiles-An Overview. Applied Thermal Engineering, 28,

7 Mattila, H.R., Intelligent Textiles and Clothing, Woodhead Publishing Limited, 506p. Cambridge. Önder, E., Sarıer, N., Çimen, E., Encapsulation of Phase Change Materials by Complex Coacervation to Improve Thermal Performances od Woven Fabrics. Thermochimica Acta, 467, Pause, B., Nonwoven Protective Garments with Thermo-regulating Properties. Journal of Indsutrial Textiles, 33 (2), Sarıer, N., Önder, E., The manufacture of microencapsulated phase change materialssuitable for the design of thermally enhanced fabrics. Thermochimica Acta, Sarıer, N., Önder, E., Thermal Characteristics of Polyurethane Foams Incorporated with Phase Change Materials. Thermochimica Acta, 454, Scott, R.A., Textiles For Protection. The Textile Institute Publications, Woodhead Publishing Limited, 754p. England. Tao, X., Smart Fibres, Fabrics and Clothing, Woodhead Publishing Limited, The Textile Institute, Cambridge, England.