Tekstil Boyama Proseslerinde Ultrasonik Teknolojinin Kullanımı. Using Ultrasonic Techonology in Textile Dyeing Process

Transkript

1 Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 8, No: 1, 2014 (62-73) Electronic Journal of Textile Technologies Vol: 8, No: 1, 2014 (62-73) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Derleme (Review) Tekstil Boyama Proseslerinde Ultrasonik Teknolojinin Kullanımı Enfal KAYAHAN 1, Mustafa KARABOYACI 2 1 Süleyman Demirel Üniversitesi Tekstil Mühendisliği Bölümü 2 Süleyman Demirel Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü enfalkayahan@sdu.edu.tr Özet Sonokimya olarak da bilinen, ultrasonik teknolojinin endüstrideki yaygın kullanımı, tıbbi aletlerin elektronik gereçlerin, temizlemenin zor olduğu ince girinti ve çıkıntılara sahip yüzeylerin temizliğidir. Tekstil sektöründe ise çok yaygın olmamakla beraber, daha ziyade ön terbiye ve yıkama işlemlerinde kullanılan bu teknolojinin, boyarmadde ekstraksiyonu ve tekstil mamullerinin boyanmasında kullanılması ile ilgili çalışmalar literatürde rapor edilmiştir. Bu makale tekstil mamullerinin boyanmasında ultrasonik metodun etkisi ve boyama proses şartlarının optimizasyonu ile ilgili bilgi vermekte ve bunun yanı sıra ultrasonik enerji teknolojisinin konvansiyonel yöntemlere göre avantajlarını açıklamaktadır. Anahtar Kelimeler: Ultrasonik, sonokimya, doğal boyama. Using Ultrasonic Techonology in Textile Dyeing Process Abstract The widespread use of ultrasonic technology also known as sono chemistry, is the cleaning of medical devices, electronic device, surfaces having fine recesses and protrusions. In the textile industry, ultrasonic technology ise used in pre-finishing and washing processes. The studies about the use of ultrasonic technology in the extraction of dyestuff, and in the dyeing of textile products were reported in the literature. This article provides information about the effect of the ultrasonic method for dyeing textile materials and the optimization of textile dyeing process conditions as well as it explains the advantages ultrasonic technology in respect to conventional technology. Key words: Ultrasound, sonochemistry, natural dyeing. Bu makaleye atıf yapmak için Kayahan E., Karaboyacı M. Tekstil Boyama Proseslerinde Ultrasonik Teknolojinin Kullanımı, Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi 2014, 8(1) How to cite this article Kayahan E., Karaboyacı M. Using Ultrasonic Techonology in Textile Dyeing Process Electronic Journal of Textile Technologies, 2014, 8(1)

2 Kayahan E., Karaboyacı M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) GİRİŞ Cisimlerin titreşimi sonucunda meydana gelen ses bir enerji türüdür. Ultrason ise Hertz üzerinde 2 ilâ 15 MHz frekansa sahip işitilemeyen ses olarak tanımlanmaktadır. İnsan kulağının duyma sınırının üzerindeki ses dalgaları ile temin edilen ultrasonik enerji teknolojisi, endüstrinin biyoloji ve biyokimya, mühendislik dişçilik, jeografi ve jeoloji, endüstri, tıp, plastik ve polimer teknolojisi gibi alanlarında uzun süredir kullanılmakta olup, tekstil sektöründe daha ziyade, konvansiyonel yöntemlere göre daha az enerji ve kimyasal kullanımını mümkün kıldığı için kütle transferi gerektiren yıkama işlemlerinde tercih edilmektedir[1]. Yüksek frekansta ses dalgalarının sebep olduğu kavitasyon olayı, ultrasonik enerjinin etkinliğindeki en önemli detaydır. Kavitasyon, sıvı içerisinde oluşturulan yüksek frekansta negatif bir basıncın uygulanması ve daha sonra da, milyonlarca mikro-baloncuğun oluşması şeklinde tanımlanmaktadır. Bu baloncuklar birbirleri ile sürekli olarak çarpışırlar ve böylece kuvvetli bir vakum enerjisi oluşur. Ultrasonik ses dalgası sıvı içinde dalgalar halinde iletilmektedir ve bu dalgalar, içinden geçtiği ortamın molekülleri arasındaki mesafe, salınım yapıldıkça değişecektir. Eğer yeterli miktarda negatif basınç sıvıya uygulanırsa, sıvı bütünlüğünü bir arada tutmak için gerekli olan kritik mesafe aşılacaktır. Sıvıda parçalanma gözlenecek, boşluklar oluşacaktır. Bu boşluklara "kavitasyon baloncukları" denir[1]. Başka sektörler yanında tekstil sektöründe ultrasonik enerji, ön tebiye, boyama ve yıkama işlemlerinde kullanılmaktadır. Konuyla ilgili çalışmalarda yüksek ve düşük frekansta ses dalgalarının kullanımının hemen her işlemde etkinliği ve işlem süresini azalttığı, kaydedilmiştir[1]. Ultrasonik enerji teknolojisi daha az kimyasal ve tuz kullanımını beraberinde getirdiği için çevre dostu teknoloji ve temiz enerji sloganıyla bilinmekte ve kullanılmaktadır. Bu makalede ultrasonik enerjinin boyama işlemlerine kullanılmasını içeren çalışmalar incelenmiş ve bir literatür özeti sunulmuştur. 2. ULTRASONİK ENERJİNİN BOYARMADDE EKSTRAKSİYONUNDA KULLANILMASI Çevreyle ilgili duyarlılıkların artmasıyla beraber, tekstil sektöründe biyo-bozunur doğal boyarmaddeler popülaritelerini de arttırmakta ve sentetik boyarmaddelere alternatif hale gelmektedirler. Literatürde doğal boyarmaddelerin ultrasonik yöntemle ekstraksiyonu ve konvansiyonel ekstraksiyon yöntemine göre avantajlarını içeren çalışmalar mevcuttur. M.M. Kamel ve arkadaşları, konvansiyonel ve ultrasonik yöntemle yün elyafını boyadıkları Doğal Boya Olarak Lak Kullanarak Yünün Ultrasonik Destekli Boyanması isimli makalelerinde, doğal boyarmadde olarak hayvansal kökenli lak boyasını tercih etmişlerdir[2]. Birbirine benzer beş lakkaik asid bileşeni olan lak, suda çözünebilen, antrakinoid yapılı bir reçinedir ve kırmızı renktedir[3]. Boyarmadde ekstraksiyonunda geleneksel ve ultrasonik olmak üzere iki farklı yöntem denenmiştir. Her iki işlemde de ekstraksiyon çözücüsü olarak su kullanılmış, boya kaynağı miktarı (2-12%) ve zaman aralıkları aynı tutulmuştur ( dakika). Ultrasonik teknolojinin kullanıldığı ekstraksiyon yönteminde, farklı sıcaklıklar (50-80 o C) ve farklı güçte ses dalgaları ( W) tatbik edilmiştir. Her iki yöntemle yapılan ekstraksiyon işleminin sonunda elde edilen sıvı boyarmaddenin optik yoğunluğu 535 nm olarak ölçülmüştür. Sonuç olarak ultrasonik ekstraksiyonda elde edilen maksimum ekstraksiyon değerinin 1,6 absorbans ile 500W tta, 40. dakikada ve 80 C ta olduğu ifade edilmiş, geleneksel ektraksiyon yönteminde ise su fazına geçen boyarmadde miktarının sıcaklıkla doğru orantılı olduğu ve aynı etkinin bu yöntemle daha yüksek 63

3 Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) Tekstil Boyama Proseslerinde Ultrasonik Teknolo sıcaklıkta (100 o C) ve 80. dakikada elde edilebildiği kaydedilerek ultrasonik ekstraksiyonun süre ve enerji açısından avantajlı olduğu vurgulanmıştır[2] yılında yapılan bir başka çalışmada, Venkatasubramanian Sivakumar ve arkadaşları, ultrasonik banyo kullanarak deri ve kağıt boyamış ve doğal boyarmadde kaynağı olarak kırmızı pancar kökünü seçmişlerdir. Boyarmadde ekstraksiyonunda ultrasonik metot ve mekanik karıştırıcı ile termostatlı ısıtıcının kullanıldığı geleneksel yöntem tercih edilmiştir. İlk aşamada ekstraksiyon solventi olarak su seçilmiş ve 1 gram pancar kökü 50ml su ile 45 o C ta ultrasonik ve konvansiyonel yöntemle ekstrakte edilmiş, 3 saatin sonunda su fazına geçen boyarmadde verimi ve ekstraksiyon etkinliği gravimetrik metod ile belirlenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, ultrasonik metodun kullanıldığı ekstraksiyonda 60. dakikada 1 gram pancar kökünden elde edilen boyarmadde 0.11 gram, 180. dakikada da 0.14 gramken, aynı zaman periyodu ve sıcaklıkta, geleneksek yöntemle ekstrakte edilen boyarmadde miktarının 0.10 da kaldığı görülmüştür. Bu aşamadan sonra çalışmada, su ve etolün farklı oranlarda karıştırılması ile ultrasonik ekstaksiyon tatbik edilmiş ve en yüksek boyarmadde verimin 0.20 g la (1gram pancar kökü, 50mL çözelti) 1:1 su etonol çözücüsüyle elde edildiği ifade edilmiştir[4]. Aşağıdaki tabloda 80W ta farklı çözücülerde yapılan ekstraksiyon işleminin farklı çözücü ve yöntemlere göre boyarmadde verimi şematize edilmiştir. Tablo 1. Ekstraksiyon yöntemi ve çözücü cinsine göre boyarmadde verimi Ekstraksiyon i Çözücü Cinsi ve Oran Boyarmadde Verimi Ethanol:Su-1:1 0,2 Ultarsonik Su 0,16 Ethanol:Su-1:1 0,18 (mekanik karıştırıcı ile) Su 0,12 (statik Çözelti) Ethanol:Su-1:1 0,1 Bir başka çalışmada, M.M. Kamel ve arkadaşları, kurutulmuş dişi kırmız böceğinden ekstrakte ettikleri kırmızı boyarmaddeyle, ticari bir katyonizatör olan Solfix E kullanarak katyonize ettikleri pamuklu kumaşı boyamışlardır. Bu çalışmada da boyarmadde ekstraksiyonunda konvansiyonel ve ultrasonik olmak üzere iki farklı yöntem kullanılmıştır. metodun kullanıldığı ekstraksiyon işleminde, 100ml su ile farklı miktarlarda boyarmadde kaynağı ( g), farklı zamanlarda ( dakika) ve farklı sıcaklıklarda (50 80 o C) ekstrakte edilmiştir[5]. Ultrasonik ekstraksiyonda ise, yine 100ml distile su kullanarak diğer ekstraksiyon işlemi ile aynı miktarlarda boyarmadde kaynağı ( g), aynı zaman peryodları ( dakika), aynı sıcaklıklık aralıkları (50 80 o C) ve fakat farklı şiddette ultrasonik ses dalgaları ( W) kullanılarak ekstraksiyon işlemi gerçekleştirilmiştir[5]. Ultrasonik yöntemle yapılan boya ekstraksiyonunda, ekstrakte edilen boya miktarının geleneksel yönteme göre arttığı ve ultrasonik ekstraksiyon için optimum ses dalgası gücünün 300 W optimum sıcaklık değerinin ise 80 o C olarak belirlendiği ifade edilmiştir[5]. Aşağıda, ultrasonik ekstraksiyonda ekstraksiyon sıcaklığının, ekstraksiyon süresinin ve boyarmadde miktarının renk doygunluğu üzerindeki etkisi tablo halinde verilmiştir. 64

4 Kayahan E., Karaboyacı M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) Tablo 2. Sıcaklığa göre K/S değerleri Sıcaklık ( C) Ultrasonik 50 6, ,8 6, ,6 6, ,3 6,60 Tablo 3. Zamana göre K/S değerleri Zaman (dakika) Ultrasonik 15 6,3 5, ,1 45 7,3 6,3 60 7,4 6,5 90 7,3 6, ,7 Tablo 4. BM Miktarına göre K/S değerleri Tablo 5. Sonik Güç Seviyelerine göre K/S değerleri Boyarmadde Miktarı (w/v%100) Ultrasonik 1 5 3, ,4 5, ,5 6, ,4 6,9 Ulrasonik Ekstraksiyonda Sonik Güç Seviyelerine Göre K/S Değerleri Sonik Güç(W) K/S değerleri , , , , ,5 3.ULTRASONİK TEKNOLOJİNİN TEKSTİL YÜZEYLERİNİN BOYANMASINDA KULLANILMASI M.M. Kamel ve arkadaşları yün elyafını boyadıkları makalelerinde, konvansiyonel boyama prosesinde, boyama flottelerini farklı miktarlarda sodyum klorid, %8 lak boyası kullanarak hazırlamış ve 1:50 flotte oranında, farklı ph değerlerinde (1,5-9), farklı zaman aralıklarında ( dakika) ve farklı sıcaklıklarda (30-80 C) yünü boyamışlardır. Aynı koşullar, ultrasonik teknolojinin kullanıldığı boyama işlemlerinde de, uygulanan güç 500 W a ayarlanarak gerçekleştirilmiştir[2]. Söz konusu çalışmada, ultrasonik yöntemle yapılan boyama işlemlerinde, optimum sonik güç tayini için 1:50 flotte oranında ph 2,5 da %8 lak boya ihtiva eden bir boya banyosunda, yün kumaş farklı sonik güç seviyelerinde ( W), 60 dakika boyunca 80 C'de boyanmıştır. Boyama prosesinde optimum ultrasonik güç seviyesinin 500 W olduğu ve uygulanan güç arttıkça, numunelerde okunan renk doygunluğunun (K/S) de arttığı gözlemlenmiştir[2]. Boyanan numunelerde elde edilen renk şiddeti farklı yöntemlerin denendiği her iki proseste de zaman arttıkça artmıştır fakat ultrasonik metodla yapılan numunelerde her noktada renk şiddeti konvansiyonel metoda göre daha yüksektir[2]. 65

5 Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) Tekstil Boyama Proseslerinde Ultrasonik Teknolo Tablo 6. Zamana göre K/S değerleri Zaman (dakika) Ultrasonik 20 8,4 8,0 40 8,9 8,2 60 9,0 8, ,0 8, ,8 10, ,7 9,0 Venkatasubramanian Sivakumar ve arkadaşları ise, derinin pancar kökünden elde edilen boyarmadde ile boyanması işleminde, ultrasonik metodla 80W ta ekstrakte edilen boyarmaddeyi kullanılmış ve boyama prosesi 7,5 saat sürmüştür. Kıyaslama yapabilmek için aynı sürede mekanik karıştırıcı ile boyama yapılmış ve deri tarafından çekilen boyarmaddenin ultrasonik boyamada %62, diğer boyamada ise %49 olduğu vurgulanmıştır[4]. Çalışma sonunda pancar ekstraktlarının kağıdı olduğu kadar deriyi de renklendirme kabiliyetlerinin bulunduğu ve ultrasonik teknolojinin hem ekstraksiyon hem de boyama proseslerinde yüksek verim sağlayan, çevreyle dost, enerji tüketiminini azaltan etkin bir yöntem olduğu savunulmuştur[4]. Venkatasubramanian Sivakumar ve arkadaşları Derinin Boyanmasında Ultrasonik Teknolojinin Kullanılması isimli çalışmalarında, ultrasonik teknolojiyi, deri tarafından birim zamandaki boya çekimini arttırmak, boyama zamanını azaltmak, boyanan derinin kalitesini geliştirmek ve proses atık suyundaki kirliliği azaltamak için kullanmışlardır. Deri prosesinde kireçleme ve ıslatma basamaklarında ultrasonik teknolojinin kullanımı, potansiyel faydaları daha önceki çalışmalarda rapor edilmiştir[6]. Boyama işleminde asit kırmızı, asit siyah, direk siyah ve metal kompleks siyah boyarmaddeler kullanılmıştır. Çalışma sonunda ultrasonik enerji kullanılarak oda sıcaklığında yapılan boyamada boya çekiminin konvansiyonel metotla 60 o C yapılan boyamadan daha iyi olduğu ve konvansiyonel yöntemle yapılan boyamalarda asit siyah, metal-kompleks siyah ve direk siyah boyarmaddelerin çekimi %56.3, %38.9, %28.9 iken, ultrasonik teknolojinin kullanıldığı boyama proseslerinde birim zamanda (3 saat) deri tarafından çekilen boya miktarının %97.5, %85, %91.6 olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, ultrasonik teknolojinin ve asit kırmızı boyanın kullanıldığı boyama prosesinde, boya çekiminin %50 arttığı, zamanının yaklaşık %53 azaldığı gözlenmiş, durağan koşullarda gerçekleştirilen ultrasonik boyama işleminde ise, aynı şartların tesis edildiği devinimli deri boyama işlemine kıyasla boya çekiminde %28 artış, boyama zamanında ise %25 azalma sağladığı kaydedilmiştir. Aynı zamanda ultrasonun boya banyosundaki difüzyon katsayısını arttırarak, deri boyama proseslerinde boyama şartlarını zorlaştıran difüzyon direncini düşürdüğü vurgulanmıştır MM Kamel ve arkadaşları 2003 yılında yaptıkları çalışmada, naylon lifini reaktif boyarmaddelerle boyayarak, lifin boyanabilirlik ve haslık özellikleri etkileyen çeşitli faktörleri araştırmayı amaçlamışlardır. Araştırmada temizlenmiş ve ağartılmış % 100 naylon (114g/m 2 ) örgü kumaş, boyama işleminden önce, 5g/L non-iyonik deterjan, 2 g/l sodyum karbonatla 60 o C ta 30 dakika yıkanmış, daha sonra durulanmış ve oda sıcaklığında kurutulmuştur. Reaktif Red 55, Reaktif Red 24, Reaktif Blue 19, Reaktif Black 5 olmak üzere dört farklı boyarmaddenin kullanıldığı çalışmada, ultrasonik boyama prosedürü, dokuz farklı sonik güç seviyesi (100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 and 500W), farklı ph değerleri (4 9.2), farklı miktarlarda boyarmadde Reaktif Red 55 (0.8 4% ) farklı sıcaklıklar (50-80 o C)kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Diğer çalışmalardan farklı olarak 66

6 Kayahan E., Karaboyacı M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) bu araştırmada, zaman sabit tutularak farklı flotte oranları (40 240:1) kullanılmış ve bu durumun renk doygunluğundaki etkisi incelenmiştir. Boyanan numuneler, soğuk suyla çalkalanıp, 60:1 flotte oranında ve 2g/L non iyonik deterjanla 60 C ta, 30 dakika yıkanmış ve oda sıcaklığında kurutulmuştur. Konvansiyonel yöntemle boyanan numuneler için de aynı boyama şartları tesis edilmiş ve her iki metotla yapılan boyamalardan elde edilen veriler karşılaştırılmıştır[7]. Sonuçlar incelendiğinde, diğer çalışmalarla benzer olarak, ultrasonik enerji naylon 6 nın boyanma performansını arttırmış, aynı zamanda ultrasonik yöntemde lif tarafından emilen boyarmadde miktarı da artmıştır. Ultrasonik yöntemle yapılan boyamada, renk doygunluğu değeri göz önünde bulundurularak yapılan değerlendirmede, (150W-1.8K/S, 350W-2.4K/S, 500W-2.0 K/S olmak üzere), optimum sonik güç seviyesinin 350W olduğu sonucuna varılmıştır. Her iki boyama prosedürü için, boyarmadde miktarı arttıkça, renk doygunluğu artmış ve ölçülen K/S değerleri arasındaki fark, boyarmadde miktarı %2.4 ü geçtikten sonra daha da yükselmiştir. (Ultrasonik yöntemde boyarmadde miktarı %3.2 iken K/S 2.4, geleneksel yöntemde ise boyarmadde miktarı %3.2 iken K/S 1.8 olarak okunmuştur.) Boyama koşullarının renk verimi üzerindeki etkisi incelendiğinde, K/S değerlerinden açıkça görüldüğü üzere, banyo sıcaklığı arttıkça her iki yöntemde de renk doygunluğunun arttığı, fakat ultrasonik yöntemle boyanan numunelerden, aynı sıcaklıkta geleneksel yöntemle boyanan numunelere göre daha yüksek daha yüksek renk doygunluğu değerlerinin elde edildiği görülmüştür. (Ultrasonik yöntemde 80 o C ta 6.4 K/S değeri okunurken, geleneksel yöntemde 80 o C ta 4.9 K/S değeri okunmuştur.) Aynı şekilde flotte oranı arttıkça her iki yöntemde de renk doygunluğu düşmüş(ultrasonik yöntemde 40:1 flotte oranında K/S değeri 5,3, geleneksel yöntemde 40:1 flotte oranında K/S değeri 3.7 okunmuştur), optimum ph değerinin ise ph 4 olduğu ve ortam ph ı bazik değerlere kaydıkça ultrasonik ve geleneksel K/S değerleri arasındaki farkın arttığı sonucuna varılmıştır. Diğer çalışmalarda olduğu gibi, bu çalışmada da ultrasonik metodun kullanıldığı bütün boyamalarda renk verimi konvansiyonel yönteme göre daha yüksek seyretmiş ve bu sonuca dayanarak, ultrasonik gücün, tekstil lifinin boya alımı üzerindeki etkisi vurgulanmıştır[7]. Tablo 7. ph değerine göre K/S değerleri Tablo 8. Sıcaklığa göre K/S değerleri ph Ultrasonik 4 8,3 8,1 6 6, ,5 3,8 9 3,9 1,2 Tablo 9. BM Miktarına göre K/S değerleri Flotte Oranı Ultrasonik 40/1 5,4 3,7 80/1 3,2 2,6 120/1 3,4 2,4 160/1 3,3 2,2 67

7 Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) Tekstil Boyama Proseslerinde Ultrasonik Teknolo MM Kamel ve arkadaşları bu çalışmalarında numunelerin haslık ve boyanın fiksasyon özellikleri değerlendirilirken, dört farklı boyayla boyanan numunelere boyama işleminden sonra ek olarak alkali sabunlama yapılmıştır. 2g/L non-iyonik deterjan, 2g/L sodyum karbonatla, 50:1 flotte oranında 15 dakika kaynatılan numuneler, ardından tekrar 2g/L non-iyonik deterjanla 15 dakika tekrar kaynatılmış ve fikse olmayan boya kumaş üzerinden uzaklaştırılmıştır. Alkali sabunlama işleminden önce ve sonra, asidik ve nötr ortamda numunelerden okunan K/S değerleri kıyaslandığında, Reactive Red 24 ve Reactive Red 55 boyarmaddeleri ile yapılan boyamalarda asidik ortamın renk doygunluğunu arttırmada daha etkili olduğu Reactive Blue 19 nun kullanıldığı boyamalarda nötr ortamda en yüksek K/S değerinin elde edildiği, Reactive Black 5 le yapılan boyamalarda ise az bir fark olmakla beraber yine nötr ortamda daha iyi sonuçlar alındığı gözlenmiştir. Alkali sabunlamanın ise Reactive Black 5 le ph 7 de yapılan boyama hariç K/S değerini yükselttiği tespit edilmiştir. Bütün değerlendirmelerde ultrasonik teknoloji ile boyanan numunelerin K/S değerleri geleneksel yöntemle boyanan numunelerden yüksektir[7]. Reda M El-Shishtawy, çalışmalarında %100 naylon 6 örgü kumaşı(114g/m 2 ) reaktif boyarmaddelerle konvansiyonel ve ultrasonik metodla boyamışlardır. Çalışmada, boyamadan önce örneklere ultrasonik banyoda güç seviyesi 350W, sıcaklık 70 C da, 40:1 flotte oranında, 1g/L noniyonik deterjanla ve farklı zaman aralıklarında (0 60dakika) muamele edilmiştir. Daha sonra numuneler her iki yöntemde de proses şartları aynı olmak üzere Reaktif Red 55 boyarmadde ile, 40:1 flotte oranında ve 70 C da 60 dakika boyanmıştır. Ultrasonik teknolojinin kullanıldığı proseste güç seviyesi 350W olarak ayarlanmıştır. Numunelerde üzerinden ölçülen K/S değerine göre, ultrasonik ön işlem zamanı, renk şiddetini, ultrasonik yöntemle boyanan numunede etkilemezken(ortalama 5,2), konvansiyonel metotla boyanan numunede bahsi geçen ön işlem zamanı arttıkça, renk şiddeti düşmüştür(10. dakikada K/S 4,2 iken, 50. dakikada K/S 3,2). Bu değerlendirmeden sonra farklı cinste boyarmaddelerle (Reactive Red 55, Red 24, Black 5 or Blue 19) 1cm 2 lik numuneler, ph 7.6 beher içinde hazırlanan 1.25% lik boya çözeltisinde 50:1 flotte oranında 70 C ta boyanmıştır. Boyama ultrasonik yöntemde güç seviyesi 350W a ayarlanarak gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, zamanla doğru orantılı olarak her bir boyarmadde için birim ağırlıkta çekilen boyarmadde miktarı ultrasonik yöntemin kullanıldığı proseslerde daha yüksekken, konvansiyonel yöntemle yapılan proseslerde daha düşük olduğu gözlenmiştir[8]. Pamuklu kumaşların anyonik boyarmaddelerle boyanmasında boya alımını arttırmak için flotteye yüklü miktarda elektrolit ilavesinin ciddi çevre sorunlarına sebep olduğu bilinmektedir. Bu sürecin sonucu olarak fazlasıyla kimyasal ve boya içeren tekstil atık suyu toprağa ve yer altı sularına karışmaktadır. Bu sorunların elimine edilmesi için katyonize edilmiş pamuk liflerini kullanmak, hem atık sudaki kimyasal madde yükünü azaltmakta hem de boyanan mamüllerin haslık özelliklerini iyileştirmektedir. Pamuğun katyonizasyonunda ve boyanmasında ultrasonik yöntem gün geçtikçe popüler hale gelmektedir[8]. Literatürde bu yönde yapılan çalışmalar incelendiğinde, ultrasonik yöntemin kullanıldığı katyonizasyon ve boyama işlemlerinde düşük sıcaklık ve daha kısa sürelerde konvansiyonel yöntemlerle elde edilen sonuçlara ulaşıldığı[5.8.9] ayrıca ultrasonik gücün kullanıldığı boyamalarda flotteye tuz ilavesinin boya alımını etkilemediği ve dolayısıyla gerekli olmadığı sonucuna varılmıştır[8]. E-M.M. Kamel ve arkadaşları 2004 yılında yaptıkları bir çalışmada, ticari bir katyönizatör olan Sandene 8425 ile katyonize ettikleri pamuk elyafını kırmız böceğinin gövdesinden ekstrakte edilen lak boyarmaddesi ile boyamışlardır. Bu araştırmada, katyonize edilmiş pamuklu kumaş, farklı güç seviyelerinde ( W), %8 lak boyasıyla, 40:1 flotte oranında, ph 2,5 ta, 80 o C ta ve 60 dakika boyunca boyanmış ve optimum sonik güç miktarı 500W olarak belirlenmiştir. Bu adımdan sonra farklı miktarlarda sodyum klorid (0-20 g/l) ve 8% lak boyası içeren boya banyosunda 40:1 68

8 Kayahan E., Karaboyacı M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) katyonize edilmiş %100 pamuk kumaş konvansiyonel metod ve ultrasonik metod kullanılarak, farklı ph larda (1,5-10) farklı peryodlarda ( dakika) ve farklı sıcaklıklarda (30-80 o C) boyanmıştır. Lif tarafından emilen boyarmadde miktarının her iki metod kullanılarak gerçekleştirilen boyamalar için karşılaştırılabilmesi için, aynı şartlar korunarak ultrasonik yöntemle de boyama yapılmış ve sonik güç seviyesi 500W a ayarlanmıştır. Çalışma sonunda her iki proseste de, maksimum renk şiddeti, ph 2,5 gözlenmiş, ph değeri 2,5 geçtiğinde ise boyarmadde ve katyonik pamuk arasındaki iyonik etkileşimin azaldığı tespitinde bulunulmuştur. Tuz konsantrasyonunun renk doygunluğuna etkisi incelendiğinde ise, tuzsuz proseste K/S değerinin daha yüksek olduğu, her iki proseste de optimum boyama zamanını 60 o C olduğu kaydedilmiştir. Diğer çalışmalarda olduğu gibi, ultrasonik boyamada, aynı sıcaklıkta elyafın tarafından çekilen boya miktarı daha fazladır[9]. Çalışmada aynı zamanda boya banyolarının tekrar kullanımının etkisi de incelenmiştir. Her bir boya banyosu ile 5 kez boyama prosesi tekrarlanmış, boya banyoları tükenene kadar kullanılmış ve farklı renk tonları elde edilmiştir[9]. Aynı çalışma grubu bir başka çalışmalarında kurutulmuş dişi kırmız böceğinden ekstrakte ettikleri kırmızı boyarmaddeyle, Solfix E kullanarak katyonize ettikleri pamuklu kumaşı boyamışlardır. Boyanan numunelerin haslık değerleri ile boya alma miktarlarını karşılaştırmışlardır. Boyarmadde olarak kırmız böceğinden elde edilen doğal boyarmadde kullanılmış ve boyarmadde ekstraksiyonunda da farklı frekanslarda olmak üzere ultrasonik enerji kullanılmıştır[5]. Pamuğun katyonizasyon işlemi için farklı konsantrasyonlarda ticari katyonizatörün (Soflix E) kullanıldığı bu çalışmada, numunelerin K/S değerlerindeki artış dikkate alınarak en uygun katyonizatör konsantrasyonunun 75 g/l sonucuna varılmıştır[5]. İki farklı yöntemle boyanan numuneler değerlendirilirken, aynı boyama şartlarının tesis edildiği prosesler karşılaştırılmıştır. Boyanan numuneler soğuk suyla çalkalandıktan sonra 3 g/l non-iyonik deterjanla 90 o C ta, 30 dakika ve 1:30 flotte oranında yıkanmıştır. Katyonik pamuk için optimum şartlar değerlendirilmiştir[5]. Çalışma sonunda ultrasonik yöntemle yapılan boyama ve ekstraksiyon işlemlerinde, ekstrakte edilen boyarmadde miktarının arttığı, aynı yöntemle yapılan boyama işleminde düşük sıcaklıklarda dahi konvansiyonel yönteme göre daha yüksek K/S değerlerinin gözlendiği, fakat haslık değerleri kıyaslandığında, her iki yöntemle yapılan boyama işleminde de iyi derecede haslık özellikleri elde edildiği ve numunelerde bariz bir farklılığın olmadığı gözlenmiştir. Çalışmada boya banyosuna ilave edilen tuz miktarının elyafın boya çekimini olumsuz yönde etkilediği fakat her iki proseste de sıcaklık arttıkça K/S değerinin arttığı gözlenmiştir[5].numunelere ait K/S değerlerinin, ultrasonik güç seviyesine, flotte ph ına, boyama zamanına ve banyo sıcaklığına göre değişimi aşağıdaki tablolarda gösterilmektedir. Tablo 10. Sonik Güç Seviyelerine göre K/S değerleri Sonik Güç K/S (W) DEĞERLERİ 0 6, , , , , ,5 Tablo 11. Sıcaklığa göre K/S değerleri Sıcaklık Ultrasonik ( C) ,9 40 5,2 4, , ,4 5, ,2 5,

9 Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) Tekstil Boyama Proseslerinde Ultrasonik Teknolo Tablo 12. Zamana göre K/S değerleri Zaman Ultrasonik (dakika) 15 6, ,4 6,4 45 7,5 6,7 60 7,5 6,8 90 7,5 6, ,5 6,8 E-M.M. Kamel ve arkadaşları, bir başka çalışmalarında katyonizatör olarak Quat 188 (3-chloro-2- hydroxypropyltrimethyl ammonium chloride %69) kullanarak kırmız böceğinden ekstrakte ettikleri boyarmaddeyi konvansiyonel ve ultrasonik yöntemlerle pamuk elyafına bağlamışlardır. Ekstraksiyon ve boyama işlemlerinde optimum şartlar bir önceki çalışma ile benzerlik göstermektedir. Bu çalışmada da optimum katyonizatör miktarı 75g/L bulunmuş ve ultrasonik işlemin boyarmadde ekstraksiyonu ile boyama esnasında elyafın boya alma kapasitesini arttırması hususunda pozitif etkilerinin olduğu, haslık değerleri söz konusu olduğunda ise konvansiyonel yöntemle boyanan numunelerden farklı özellikler göstermediği kaydedilmiştir. Diğer çalışmalarda olduğu gibi flotteye tuz ilavesi, boya çekiminde herhangi bir pozitif etkiye sebep olmamış ve aynı sıcaklıkta ultrasonik yöntemle boyanmış numunelerin renk doygunluğunun diğer metoda göre daha yüksek olduğu ifade edilmiştir[10]. Numunelere ait K/S değerlerinin, ultrasonik güç seviyesine, flotte ph ına, boyama zamanına ve banyo sıcaklığına göre değişimi aşağıdaki tablolarda gösterilmektedir. Tablo 13. Sonik güç Seviyelerine göre K/S değerleri Sonik Güç Ultrasonik (W) 0 5, , , , ,3 Tablo 14. Sıcaklığa göre K/S değerleri Sıcaklık ( C) Ultrasonik 30 3,5 3,5 40 4,7 4, ,5 4, ,7 5, , ,5 6 Tablo15. Zamana göre K/S değerleri Zaman (dakika) Ultrasonik 15 5,3 4,5 30 5,9 5,2 45 6,1 5,5 60 6,4 5,8 90 6, ,4 6 Padma S. Vankar, Rakhi Shanker ve Jyoti Srivastava, makalelerinde Eclipta alba bitkisinden elde ettikleri boyarmaddeyi ultrasonik ve konvansiyonel yöntemle pamuk elyafına bağlamışlardır. yöntemle ekstrakte edilen boyarmadde, daha sonra orijinal hacminin yarısına kadar buharlaştırılamış ve boyama için kullanılmıştır. Proseste boyama öncesi pamuk elyafına ön mordanlama yapılarak alum, kalay klorid, demir sülfat, bakır sülfat ve potasyum dikromat ile 70

10 Kayahan E., Karaboyacı M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) muamele edilmiş ve daha sonra ultrasonik banyo kullanılarak boyama yapılmıştır. Boyama prosesi 20 khz frekansta kullanılmıştır. Bu frekansın kavitasyon olayını gerçekleştirmek için uygun değer olduğu ifade edilmiştir. Farklı zaman aralıklarında gerçekleştirilen boyama prosesinde, maximum boya alımı ultrasonik yöntemde %18 ile 60. dakikada, geleneksel yöntemde ise %15 ile yine 60. dakikada elde edilmiştir. Çalışma sonunda, doğal boyarmaddelerin önemi vurgulanmış, ayrıca boyanan numunelerin ışık, yıkama, sürtme ve ter haslığı değerlerinin 4-5 ile yüksek seviyede olduğu, pamuk elyafı için yeşil ve kahve tonlarında 6 farklı renk elde edildiği ve ultrasonik metotla yapılan boyamanın konvansiyonel yönteme göre %7-9 daha verimli olduğu tespitinde bulunulmuştur[11]. 4. HASLIK ÖZELLİKLERİ M.M. Kamel ve arkadaşları yün elyafını boyadıkları makalelerinde, boyanan numunelerin ölçülen yıkama, sürtme, ter ve ışık haslık değerleri karşılaştırıldığında ultrasonik ve konvansiyonel yöntem arasında belirgin bir farklılık olmadığı kaydetmiş ve bütün numunelerin kullanım haslıklarının iyi seviyede olduğu belirtmişlerdir[2]. Numunelerin haslık değerleri aşağıdaki tablodaki gibidir. Tablo 16. Boyama metoduna göre haslık özellikleri Boya Knstrynu Ter Haslığı Ter Haslığı Sürtme H. Yıkama H. 0.5g/100mL Asidik Bazik Kuru Yaş Solma L/Pamuk L/Yün Solma L/Pamuk L/Yün Solma L/Pamuk L/Yün Işık Haslığı M Ultrasonik M Venkatasubramanian Sivakumar ve arkadaşları ise, deriyi pancar kökünden elde ettikleri boyarmadde ile boyadıkları çalışmalarında, boyanan numunelerin haslık değerlerini konvansiyonel metotla kıyaslayarak, her iki yöntemle yapılan boyamalarda da kuru sürtme haslığı test sonuçlarında mükemmel değerlerin gözlendiği fakat yaş sürtme ve ter haslığı sonuçlarının kullanılabilir değerlerin altında olduğunu ifade etmişlerdir. Sonuç olarak bu duruma, boyama prosesinde mordan kimyasallarının kullanılmamasının yol açtığı sonucuna varılmıştır[4]. Venkatasubramanian Sivakumar ve arkadaşları Derinin Boyanmasında Ultrasonik Teknolojinin Kullanılması isimli bir başka çalışmalarında boyanan numunelerin haslık değerleri ve boyanma düzgünlüğünün de referans boyamalara göre daha iyi seviyede olduğu fakat mukavemet özellikleri bakımından her iki yöntemle boyanan numunelerde belirgin bir farklılık gözlenmediği ifade etmişlerdir[6]. E-M.M. Kamel ve çalışma grubu, Soflix E kullanarak pamuğu katyonize ettikleri makalelerinde, boyanan numunelerin haslık değerlerinini değerlendirirken, her iki yöntemle yapılan boyama işleminde de iyi derecede haslık özellikleri elde edildiği ve numunelerde bariz bir farklılığın olmadığını ifade etmişlerdir[5]. Numunelerden okunan haslık değerleri aşağıdaki tablodaki gibidir. Tablo 17. Boyama metoduna göre haslık özellikleri Boya Knstrynu Ter Haslığı Ter Haslığı Sürtme H. Yıkama H. 0.5g/100mL Asidik Bazik Kuru Yaş Solma L/Pamuk L/Yün Solma L/Pamuk L/Yün Solma L/Pamuk L/Yün Işık Haslığı Ultrasonik M M MM Kamel ve arkadaşları 2003 yılında yaptıkları naylon lifini reaktif boyarmaddelerle boyayarak, lifin boyanabilirliğini ve haslık özelliklerini etkileyen çeşitli faktörleri araştırdıkları çalışmada, boyanan numunelerin haslıklarını alkali sabunlamadan önce ve sonra olmak üzere, ayrı ayrı incelemiş ve ek sabunlama işleminin boyarmaddenin kalıcılığıyla beraber, refakat kumaşların 71

11 Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) Tekstil Boyama Proseslerinde Ultrasonik Teknolo lekelenme, numunenin solma ve yaş ve kuru sürtme haslıklarında artış sağladığı sonucuna varmışlardır. Numunelerin ek sabunlama öncesi ve sonrası haslık değerleri tablodaki gibidir[5]. Reaktif Boya Tablo 18. Boyarmadde cinsine ve boyama metoduna göre haslık özellikleri ALKALİ SABUNLAMADAN ÖNCE ALKALİ SABUNLAMADAN SONRA US METOD GLNSL METOD US METOD GLNSL METOD A C W Rw Rd A C W Rw Rd A C W Rw Rd A C W Rw Rd Red Red Blue Black E-M.M. Kamel ve arkadaşları 2004 yılında ticari bir katyönizatör olan Sandene 8425 kullandıkları bir başka çalışmalarında da, ultrasonik ve konvansiyonel yöntemle boyanan numunelerin haslık değerlerinde belirgin bir fark gözlenmediği ve bütün haslıkların (ter, yıkama ve sürtme)ortalama 3-4 ile iyi seviyede olduğu ifade etmişlerdir[8]. Aynı çalışma grubunun katyonizatör olarak Quat 188 i kullandıkları bir başka çalışmalarında ultrasonik işlemin boyarmadde ekstraksiyonu ve boyama esnasında elyafın boya alma kapasitesini arttırması hususunda pozitif etkilerinin olması ile beraber, haslık değerleri söz konusu olduğunda ise konvansiyonel yöntemle boyanan numunelerden farklı özellikler göstermediği kaydedilmiştir. Ultasonik yöntemle boyanan numunelerin yıkamaya karşı renk haslığı değerleri solma ve refakat kumaşı lekelemede 3-4 iken, geleneksel yöntemde bu değer 4, alkali ve asidik ter haslığında ultasonik yöntemle boyanan numunelerde haslık değeri en düşük 2-3, en düşek 3-4, geleneksel yöntemle boyanan numunelerde ise 2-3 ve 3, yaş ve kuru sürtme haslığında ise ultrasonik yöntemin kullanıldığı numunelerden elde edilen haslık değerleri kuru 4, yaş 3, geleneksel yöntemde 4 ve 3-4, ışı haslığı test sonuçlarında ise, iki yöntemle boyanan numunelerden de 2-3 değerleri elde edilmiştir[9]. 5. SONUÇ Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, tekstil elyaflarının boyanmasında düşük ve yüksek frekanslı ses dalgalarının kullanımının, hemen her basamakta olumlu sonuçlar doğurduğu göze çarpmaktadır. Bu makale kapsamında taranan çalışmalarda, boyama proseslerinde ultrasonik teknolojinin, boyarmadde dispersiyonlarının kalitesini etkilemede, suda çözünebilir boyarmaddelerin çözünürlüğünü geliştirmede ve boyarmaddenin tekstil materyaline çektirilmesi işlemlerinde pozitif etkilerinin olduğu görülmektedir. Rapor edilen bulgular ışığında ultrasonik teknolojinin boyama proseslerinde maliyeti, enerjiyi, zamanı ve tekstil atık suyundaki toksik kimyasal yükü azalttığı vurgulanmıştır. Bu açıdan ultrasonik teknolojinin endüstriyel prosesler için büyük bir potansiyel taşıdığı ve sono kimyasal reaktörlerin ülke ekonomisi ve çevresel duyarlılıklar açısından da oldukça önemli olduğu sonucuna varılabilir. Makinelerin mekanik aksamı göz önünde bulundurulduğunda, pozitif etkilerinin yanı sıra, kavitasyon olayının, bakır bazlı bazı alaşımlar ve gri dökme demir gibi çeşitli mühendislik alaşımlarında mekanik erozyona sebep olabildiği de bilinen bir gerçektir. Fakat literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, kavitasyon etkisiyle meydana gelen mekanik erozyonun yumuşak çelik ve gri dökme demir yüzeylerde gözlendiği, paslanmaz çelikte meydana gelen kavitasyon kaynaklı mekanik erozyonun ise ihmal edilebilir seviyede olduğu tespit edilmiştir[12]. 72

12 Kayahan E., Karaboyacı M. Teknolojik Araştırmalar: TTED 2014 (1) KAYNAKLAR 1. Sonokimya Ultrasonik Enerjinin Tekstil Endüstrisinde Kullanımı, Prof.Dr. Erhan Öner, Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Tekstil Eğitimi Bölümü. 2. Ultrasonic assisted dyeing III. Dyeing of wool with lac as a natural dye M.M. Kamel, Reda M. El-Shishtawy*, B.M. Yussef, H. Mashaly Dyes and Pigments 65, , Teli, M. D., Roshan Paul, and P. D. Pardeshi. "Natural dyes: Classification, chemistry and extraction methods Part 1-Chemical classes, extraction methods and future prospects." Colourage 47.12, Ultrasound assisted enhancement in natural dye extraction from beetroot for industrial applications and natural dyeing of leather, Venkatasubramanian Sivakumar, J. Lakshmi Anna, J. Vijayeeswarri, G. Swaminathan, Ultrasonics Sonochemistry , Ultrasonic dyeing of cationized cotton fabric with natural dye. Part 1: Cationization of cotton using Solfix E-M.M. Kamel, M.M. El Zawahry, N.S.E. Ahmed, F. Abdelghaffar Ultrasonics Sonochemistry 16, , Studies on the use of power ultrasound in leather dyeing, Venkatasubramanian Sivakumar, Paruchuri Gangadhar Rao, Ultrasonics Sonochemistry 10, 85 94, Ultrasonic-assisted dyeing: I. Nylon dyeability with reactive dyes M M Kamel, Reda M El- Shishtawy*, H L Hanna, Nahed S E Ahmed, Polymer International Volume 52, Issue 3, , March Reda M El-Shishtawy,* MM Kamel, HL Hanna and Nahed SE Ahmed, Ultrasonic-assisted dyeing: II. Nylon fibre structure and comparative dyeing rate with reactive dyes, Polymer International, Polym Int), Vol.52, , M.M. Kamel, Reda M. El-Shishtawy*, B.M. Youssef, H. Mashaly, Ultrasonic assisted dyeing. IV. Dyeing of cationised cotton with lac natural dye, Dyes and Pigments 73, , M.M. Kamel, M.M. El Zawahry, N.S.E. Ahmed, F. Abdelghaffar Ultrasonic dyeing of cationized cotton fabric with natural dye. Part 2:Cationization of cotton using Quat 188, Industrial Crops and Products 34, , Padma S. Vankar*, Rakhi Shanker, Jyoti Srivastava, Ultrasonic dyeing of cotton fabric withaqueous extract of Eclipta alba Dyes and Pigments , C.T. Kwok, F.T. Cheng, H.C. Man, Synergistic Effect Of Cavitation Erosion And Corrosion Of Various Engineering Alloys İn 3.5% Nacl Solution, Materials Science and Engineering A,290, ,