Demir Katkılı TiO 2 İnce Filmleri ile Kaplanmış Pamuklu Kumaşların UV- Koruyucu Özelliklerinin Geliştirilmesi

Transkript

1 Demir Katkılı TiO 2 İnce Filmleri ile Kaplanmış Pamuklu Kumaşların UV- Koruyucu Özelliklerinin Geliştirilmesi Nurhan ONAR*, Işıl Kayatekin**, Aysun CİRELİ* ve Erdal ÇELİK** * Dokuz Eylül Üniversitesi, Müdendislik Fakültesi, Tekstil Mühendisliği Bölümü, Bornova, İZMİR-TÜRKİYE nurhan.onar@deu.edu.tr, aysun.cireli@deu.edu.tr **Dokuz Eylül Üniversitesi, Müdendislik Fakültesi, Malzeme ve Metalurji Mühendisliği Bölümü, Buca, İZMİR-TÜRKİYE isil.kayatekin@deu.edu.tr, erdal.celik@deu.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, çoklu-yıkamalara dayanıklı UV-koruyucu özelliğinin kazandırılması için pamuklu kumaş; demir katkılı TiO 2 ince filmleri ile kaplanmıştır. Bu amaçla, demir katkılı titanyum çözeltileri, başlangıç malzemeleri olarak titanyum (IV) isoproksit ve demir (III) klorür kullanarak sol-jel yöntemine göre hazırlanmıştır. 1:5 atomik oranında demir (Fe)/titanyum(Ti) çözeltisi hazırlanmıştır. Bu çözeltiler ile emdirme yöntemine göre kaplanan kumaşlar düşük sıcaklıkta (150 o C) ısıl işleme maruz bırakılmıştır. Pamuklu kumaşlar bu çözeltiler ile 2 kere kaplanmıştır. Elde edilen pamuklu kumaşların UV-koruyuculuğu ve kopma mukavemeti tespit edilmiştir. Ayrıca 5 yıkamadan sonra kumaşların UV-koruyuculuk özellikleri değerlendirilmiştir. Önceki çalışmalarda, sol-jel yöntemi ile hazırlanan titanyum solüsyonu ile işlem gören kumaşlar üzerinde oluşan titanyumun anatase fazının, bu kumaşların UV-koruyuculuk özelliklerini geliştirdiği bildirilmiştir. Fakat kumaş üzerinde Fe katkılı TiO 2 filmlerinin UV-koruyuculuk özellikleri şimdiye kadar incelenmemiştir. Bu çalışmada, sol-jel yöntemi Fe katkılı Ti esaslı saydam çözeltiler ile işlem gören kumaşlara yıkamaya dayanıklı UV-koruyucu özelliği kazandırılması ilk defa gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Pamuklu kumaş, sol-jel, titanyum dioksit, UV-koruyuculuk Development of UV-Protection Properties of Coated Cotton Fabrics with Iron Doped TiO 2 Thin Films ABSTRACT In this study, we coated cotton fabric with iron doped TiO 2 thin films in order to obtain the UV-protective fabric with durability against multi-washings. As to this aim, iron doped titania solutions were prepared with sol-gel methods using titanium (IV) propoxide and iron (III) chloride as precursor. Iron (Fe)/titanium (Ti) solution at atomic ratio of 1:5 was prepared. Coated fabrics with these solutions according to dip-coating method were exposed to heat treatment at low temperature (150 o C). Cotton fabrics were coated with these solutions as 2 times. UV-protection properties and tensile strength properties of the cotton fabric samples were determined. After 5 times washing, their UV-protectivity properties were also evaluated. It was reported on previous studies that anatase phase of titanium constituted on the treated fabrics with titania solutions prepared with sol-gel method improved the UV-protection properties of these fabrics. However the UV-protective properties of Fedoped TiO 2 films on the fabric were not investigated until now. On the study, the obtaining the UV-protective properties with durability against multi-washing to the fabric treated with Fe-doped Ti based transparent solutions prepared with sol-gel method was firstly achieved. Keywords: Cotton fabric, sol-gel, titanium dioxide, UV-protectivity

2 1. GİRİŞ UV-koruyucu işlemlerin etkinlikleri kumaşın dokuma tasarımına, rengine, önceden görmüş olduğu işlemlere bağlıdır. Geleneksel UV-koruyucu bitim işlemleri ile tekstiller için istenen yıkama haslıkları elde edilememiş ve yüksek konsantrasyonda bu kimyasalların kullanımı gerekmiştir. Diğer taraftan, aşırı UV-ışığına maruz kalmanın neden olduğu güneş yanığı, erken cilt yaşlanması, alerjiler ve hatta deri kanseri gibi çeşitli cilt hastalıklarından korunmak için yazın sıcak havalarda giyilen pamuklu ince kumaşlara UV-koruyucu özellik kazandırmak gerekmektedir. Bilinen UV-koruyuculuk bitim işlemleri o-hidroksibenzofenon, o-hidroksifenilbenzotriazol ve o-hidroksifeniltriazinin türevleri gibi fenol tipi ve okzanilit ve 2-siyanoakrilat gibi fenol tipi olmayan çeşitli UV-absorbe eden organik kimyasal maddelerin tekstillere uygulanması ile gerçekleştirilmektedir [1]. Fotokatalitik aktivitesi ve optik özellikleri nedeniyle TiO 2 ; fotokatalizör, fotovoltaik, UVabsorplayıcı, gaz sensörleri ve elektrokromik gösterge araçları gibi uygulamalara sahiptir. Özel olarak TiO 2 ; anatase, rutile ve brookite formu olmak üzere üç kristal ve amorf yapıda bulunur. Bu yapılar arasında anatase TiO 2 en yüksek fotokatalitik aktiviteye sahiptir. Dolayısıyla günümüzde anatase formunun fotokatalitik aktivitesine ilgi büyümektedir. Fotokatalitik aktivite ultraviolet ışığı altında organik ve inorganik kirliliklerin parçalanması anlamına gelir. UV ışınımının absorpsiyon yoğunluğu ve katalizörün aktivitesi arasında uyumlu bir ilişki olması dikkat çekicidir. Kristal TiO 2 un UV absorpsiyon yoğunluğu arttıkça, fotokatalitik aktivitesi artmaktadır [2]. Fakat bu filmleri üretmek için o C gibi yüksek sıcaklıkların kullanılması gerekmektedir. Yüksek sıcaklıkta uygulamalara dayanamayan tekstiller ve plastikler üzerinde fotokatalitik TiO 2 filmlerinin üretimi ise düşük sıcaklıkta gerçekleştirilmelidir. W.A. Daoud ve ekibi pamuklu kumaş üzerinde düşük sıcaklıkta (150 o C) sol-jel yöntemi ile TiO 2 ince filmlerini üretmişler ve kumaşların UV-koruma faktörü (UPF) derecesini 10+ UPF derecesinden, mükemmel korumaya karşılık gelen 50+ UPF derecesine arttığını tespit etmişlerdir (Tablo 1). Özellikle tekstiller için uygulanan işlemlerin yıkamaya karşı dayanıklı olması istenir, çünkü tekstiller kullanım boyunca çoklu yıkamaya maruz bırakılırlar. Dolayısıyla pamuklu kumaşlara uygulanan bu işlemin 20 [3], hatta 55 [4] evsel yıkamaya dayanıklı olduğunu bulmuşlardır [5]. Fakat Fe katkılı Ti esaslı saydam çözeltiler ile kaplanan tekstillerin UV-koruyucu özellikleri incelenmemiştir. Fe katkılı Ti esaslı çözeltiyle daha az miktarlarda kimyasal madde kullanımı ile ve yüksek yıkama dayanımı ile daha yüksek UVkoruma derecelerine sahip kumaşlar üretilmesi mümkün olabilir. Tablo 1. AS/NZS 4399:1996 standardına göre UPF derecelendirmeleri UPF derecesi Ortalama UVA (Etkili UV geçirgenliği) Derece ,7-4,2 İyi ,1-2,6 Çok iyi >40 <2,5 Mükemmel Metal katkılı Ti esaslı saydam çözeltilerinin hazırlanması hakkında pek çok çalışma mevcuttur, bu çalışmalarda partikül büyümesinin, anatase-rutile faz dönüşümlerinin ve UVbloke edici özelliklerinin çeşitli miktarlarda metal katkılarından etkilendiği bulunmuştur. Si,

3 W, Nb, Ta, Cr metallerinin katkısının anatase-rutile faz dönüşümünü engellediği ve Ni, Co, Mn, Fe, Cu, V, Ag ve Sn metallerinin ise faz dönüşümünü ilerlettiği bulunmuştur [6]. Şimdiye kadar çoğunlukla TiO 2 partikülleri, bir organik bağlayıcı ile veya deterjanlara karıştırılarak kumaşa bağlanmaya çalışılmıştır. Son yıllarda ise sol-jel teknolojilerinin gelişmesi ile TiO 2 çözeltilerinin pamuklu kumaş üzerine bağlayıcı organik kimyasal maddeler kullanılmadan kaplanması gerçekleştirilebilmiş ve kaplanan kumaşların UV-koruyucu özelliğinin arttığı tespit edilmiştir. Fakat Fe katkılı Ti esaslı saydam çözeltiler ile kaplanan tekstillerin UV-koruyucu özellikleri incelenmemiştir. Bu çalışmada, sol-jel yöntemi Fe katkılı Ti esaslı saydam çözeltiler ile işlem gören kumaşlara yıkamaya dayanıklı UV-koruyucu özelliği kazandırılması ilk defa gerçekleştirilmiştir. Fe katkılı Ti esaslı çözeltiyle yüksek yıkama dayanımı ile daha yüksek UV-koruma derecelerine sahip kumaşlar üretilmesi mümkün olabilir. 2. MATERYAL VE METOT 2.1 Nanosol Hazırlanması Nanosollerin hazırlanması için ilk adımda isopropanol (C 3 H 8 O, Riedel, %99) ve glasiyal asetik asit (CH 3 COOH, Smyras, %99)) içerisinde demir (III) klorür (FeCl 3.6H 2 O, Horasan kimya, %99) oda sıcaklığında karıştırılarak çözülmüştür. İsopropanol çözgen olarak ve glasiyal asetik asit katalizör ve şelatlama maddesi olarak kullanılmıştır. Bu çözelti 30 dakika karıştırılmıştır. Bu çözeltiye titanyum (IV) isopropoksit (Ti(C 3 H 7 O) 4, Alfa aesar, %97) damlatarak ilave edilmiştir. Bu çözelti Isolab marka manyetik karıştırıcıda 3 saat karıştırılmıştır. Fe/Ti çözeltileri 1:5 mol oranında hazırlanmıştır. Elde edilen çözeltilerin ph değeri WTW Inolab marka ph metre kullanarak ölçülmüş ve 0,05 olarak tespit edilmiştir. Kullanılan kimyasal maddelerin miktarları Tablo 2 de verilmiştir. 2 kere FeCl 3.6H 2 O başlangıç malzemesinin ilavesi Ti(OC 3 H 7 ) 4 başlangıç malzemesinin damlatarak ilavesi Kumaşı 30 sn. daldırma Kumaşı sıkma Isıl işlem (150 o C, 5 dk.) Şekil 1. Sol-jel işleminin şematik olarak gösterimi Tablo 2. Kullanılan kimyasal maddelerin miktarları Çözgen (İsopropanol) Şelatlama maddesi (Glasiyal asetik asit) Karıştırma 3 saat oda sıcaklığında karıştırma Kimyasal maddeler Ti(OC 3 H 7 ) 4 FeCl 3.6H 2 O İsopropanol Glasiyal asetik asit 1:5 mol oranında Fe-TiO 2 filmi 1,038 g 0,162 g 32 ml 4 ml

4 2.2 Kaplama İşlemi 20x40 cm boyutlarında standart atmosfer koşullarında koşullandırılmış %100 pamuklu kumaş (20 tel/cm atkı sıklığı, 24 tel/cm çözgü sıklığı 138 g/m 2 gramaj, bazik işlem görmüş ve ağartılmış) nanosol içerisine 30 sn. daldırılmıştır ve emdirilen kumaş Rapid Fulard (Model P- A1, Labortex, Taiwan) kullanarak 2,8 kg/cm 2 fulard basıncında % 87 A F (alınan flotte) ile sıkılmıştır. Emdirilen ve sıkılan kumaşlar önceden ısıtılmış etüvde (Nüve KD400 Etüv) 150 o C de 5 dakika kondenzasyona maruz bırakılmıştır. Kumaşları 3 kere bu şekilde kaplanmıştır. 3. Karakterizasyon Standart çözelti hazırlamak amacıyla, hazırlanan çözeltilerin bulanıklık değerleri TB 1 Velp SCIENTIFICA Model apparat kullanarak ISO 7027 nefometrik yönteme göre 0 to 1000 ntu arasında ölçülmüştür. Kaplanan kumaşların kütlesel artışları denklem 1 e göre hesaplanmıştır. W artır W2 W1 (%) = x100 (1) W Burada W 1 ; işlem görmemiş kumaşın ağırlığı, W 2 ; işlem gören kumaşın ağırlığı ve W artış ; işlem görmemiş kumaşın yüzde kütlesel artışıdır. Kumaşların çözgü yönünde kopma mukavemeti ve uzaması Instron 4411 mukavemet test cihazı kullanarak ASTM D standardına göre 100 mm/dk hızda ölçülmüştür. TS EN ISO 105- C06- A1S standardında göre (bilyesiz) Linitest plus aparatı (Atlas, Germany) kullanarak örneklerin yıkama haslıkları tespit edilmiştir. Yıkamalar 5 kere gerçekleştirilmiştir. Elde edilen kumaşların UV-koruyucu özellikleri Australian/New Zealand Standard AS/NZS 439:1996 a göre Camspec M350 UV/Visible spektrofotometre kullanarak saptanmıştır. 4. BULGULAR 4.1 Çözeltinin Bulanıklık Özelliği Hazırlanan çözeltilerin bulanıklık değeri 101 ntu olarak yüksek bulunmuştur. Bu sonuç demir (III) klorürün tam olarak çözülmediğini, çözelti içinde partiküller olarak asılı kaldığını ve tam olarak saydam çözelti elde edilemediğini göstermiştir. 4.5 Kumaşların Kütlesel Artış Değerleri İşlem gören kumaşların kütlesel artış değerleri Denklem 1 e göre hesaplanmıştır ve % 3,43 olduğu bulunmuştur. 4.6 Mukavemet Özellikleri Kumaşların mukavemet ve uzama değerleri Tablo 3 de gösterilmiştir. İşlem gören kumaşların mukavemetinin işlem görmemişe göre 41,19 dan 37,06 kgf değerine düştüğü tespit edilmiştir. Hazırlanan çözeltinin ph değerinin çok düşük (ph 0,05) olmasından dolayı pamuklu kumaşın mukavemet kaybına uğradığı sonucuna varılmıştır

5 Tablo 3. İşlem görmeyen ve Fe-TiO 2 filmi ile kaplanan gören kumaşların mukavemet özellikleri Mukavemet özellikleri Yük (kgf) Uzama (mm) İşlem görmemiş kumaş 41,19 21,42 Fe-TiO 2 filmi ile kaplanan gören kumaş 37,06 20, UV Geçirgenlik Özelliği Kumaşların ultraviyole koruma (UPF) dereceleri Tablo 4 te ve ultraviyole geçirgenlik grafiği Şekil 2 de gösterilmiştir. Fe-TiO 2 filmi ile kaplanan kumaşların UPF derecesinin işlem görmemiş kumaşa göre 5 ten iyi koruma derecesi olan 15 e (Tablo 1) yükseldiği bulunmuştur. 5 yıkama sonrasında da elde edilen UPF koruma derecesinin korunduğu görülmüştür. Sonuç olarak Fe katkılı Ti esaslı saydam çözeltiler ile sol-jel yöntemiyle kaplama işleminin pamuklu kumaşlara yıkamaya dayanıklı UV koruyuculuk özelliği kazandırdığı tespit edilmiştir. Tablo 4. İşlem gören ve görmeyen kumaşların yıkamadan önce ve sonra UPF dereceleri Ultraviyolet Koruma İşlemsiz kumaş İşlem gören kumaş (yıkamadan önce) İşlem gören kumaş (5 yıkamadan sonra) Ortalama UPF 6,99 17,7 19,7 Standart hata 1,08 4,52 5,68 Stadart sapma 0,368 1,55 1,95 UPF derecesi Ortalama UVA (315 to 400 nm) % 17,5 % 8,3 % 7,6 Ortalama UVB (290 to 315 nm) % 13,5 % 5,3 % 4,7 Şekil 2. İşlem görmeyen ( ) ve işlem gören ( ) kumaşların UV- geçirgenlik grafiği. 5. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME Önceki çalışmalarda, sol-jel yöntemi ile hazırlanan titanyum çözeltisi ile işlem gören kumaşlar üzerinde oluşan titanyumun anatase fazının, bu kumaşların UV-koruyuculuk özelliklerini geliştirdiği bildirilmiştir. Fakat kumaş üzerinde Fe katkılı TiO 2 filmlerinin UVkoruyuculuk özellikleri şimdiye kadar incelenmemiştir. Bu çalışmada, sol-jel yöntemi Fe katkılı Ti esaslı saydam çözeltiler ile işlem gören kumaşlara yıkamaya dayanıklı UVkoruyucu özelliği kazandırılması ilk defa gerçekleştirilmiştir

6 Fe katkılı Ti esaslı saydam çözeltiler ile işlem gören pamuklu kumaşların işlem görmemiş kumaşa göre UPF derecelerinin 5 ten 15 UPF derecesine arttığı bulunmuştur. 15 UPF derecesi iyi koruma derecesine karşılık gelmektedir. Ayrıca çalışılan çözeltinin ph sının çok düşük (ph 0,05) olmasından dolayı işlem gören kumaşların mukavemet değerlerinde bir miktar azalma gözlenmiştir. İşlem gören kumaşların 5 yıkama sonrasında UV koruyuculuk özelliklerini koruduğu ve bu işlemin yıkamaya dayanıklı UV-koruyuculuk sağladığı tespit edilmiştir. İleri ki çalışmada, elde edilen kumaşların X-ışınları difraktometresi (XRD) çalışmaları yapılarak kumaş üzerinde elde edilen filmin faz yapısı ve tarama elektron mikroskobu (SEM) çalışmaları ile üretilen filmin mikroyapısı incelecektir. Ayrıca farklı atomik oranlarda Fe katkısının filmin UV-koruyuculuk özelliklerine etkisi çalışılacaktır. KAYNAKLAR 1. I.Holme, International Dyer, 9-13, April Y.Zhang, G.Xiong, N.Yao, W.Yang, X.Fu, Catal. Today, 68, 89, W.A.Daoud, J.H.Xin, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 29, 25 29, H.Xin, W.A.Daoud, Y.Y.Kong, Textile Research Journal, 74(2), , W.A.Daoud, J.H.Xin, Y-H.Zhang, K.Qi, Journal of Non-Crystalline Solids, 351, , S.Sen, S.Mahantya, S.Roy, O.Heintz, S.Bourgeois, D.Chaumont, Thin Solid Films, 474, ,