NANOTEKNOLOJİ VE TEKSTİL

Tarafından | 24 Kasım 2018

Nano kelimesi, Yunanca “cüce” anlamındaki “nanos” tan gelmekte olup, herhangi bir fiziksel büyüklüğün bir milyarda biri anlamındadır. Nanoyapılar uzunluk olarak bakıldığında yaklaşık 10-100 atomluk sistemlere (10-9 metre) karşılık gelmektedir.

İnsan saç teli çapının yaklaşık 100.000 nanometre olduğu düşünülürse ne kadar küçük bir ölçekten bahsedildiği daha rahat anlaşılmaktadır. Bir başka deyişle, bir nanometre içine yan yana ancak 2-3 atom dizilebilmektedir; yaklaşık 100-1000 atom bir araya gelerek nanoölçeklerde bir nesneyi oluşturmaktadır. Nanoteknoloji de bu bağlamda ‘çok küçük maddelerin teknolojisi’ olmaktadır.

Şekil 4. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve AFM altındaki yüzey görünümü

Nanoteknoloji tekstil sektörüne de girmiş ve pek çok alanda, bununla ilgili olarak çalışmalar yoğunlaşmıştır.

Nano materyaller bir, iki veya üç boyutlu olabilmektedirler. Tek boyutlu nanomateryaller, çok ince yüzey filmleri veya kaplamaları (2-3 nm – < 100nm arasında değişebilmektedir) alanında kullanılabilmektedir. İki boyutlu nanomateryaller, nanolif veya karbon nanotüpleri kapsamaktadır. Havacılık, uzay gemileri, otomobil endüstrisi ve balistik tekstillerde kullanımı için son derece yüksek mukavemete sahip nanokompozit üretiminde kullanılmaktadır. Üç boyutlu yapıdaki nano materyaller yumuşatma, antimikrobiyal, yağ ve kir iticilik bitim işlemleri, güç tutuşurluk gibi çok geniş bir yelpazede kullanılmaktadır. Ayrıca, polimer içinde mikrokapsül olarak da farklı uygulamalarda kullanılabilmektedir.

Titanyumdioksit, aliminyum oksit, çinko oksit ve magnezyum oksitin sentetik lifler içine ilave edilmesiyle fotokatalitik etki, UV absorblama, elektriksel iletkenlik ve fotooksidasyon etkilerine sahiptirler. Fotooksidasyon özelliği özellikle kimyasal veya biyolojik maddelere karşı koruyucu kumaşlarda dekontaminasyon amaçlı kullanım açısından son derece uygundur. Metal oksitlerin nanopartiküllerine ilişkin yapılan yoğun çalışmalar askeri alanda ve insan sağlığı alanında kullanımları üzerinde yoğunlaşmıştır. Bunlar arasında antimikrobiyal özellik, kendi kendini temizleyebilme ve UV koruma sayılabilmektedir.

Nanopartiküller aynı zamanda daha büyük boyuttaki partiküllere göre daha büyük yüzey alanı kazandırmaktadırlar. TiO2 ve MgO gibi nanopartiküller, lif çekimi sırasında, life elektrostatik yöntem veya spreyleme yöntemine göre uygulanmaktadır. Nanoteknolojinin tekstilde diğer bir uygulama alanı da güç tutuşurluktur. Nanopartikül formundaki güç tutuşurluk maddeleri naylon 6.6. liflerine uygulandığında güç tutuşurluğu önemli ölçüde arttırdığı ifade edilmektedir. Örneğin naylon 6.6 filmlerine fonksiyonel nanokil ilave edildiğinde, ısı açığa çıkarma oranının düştüğü ve kömür oluşumunu desteklediği görülmüştür. Fosfor esaslı bileşiklerle kombinasyon halinde uygulandığında ise, yine kömür oluşumunun desteklendiği görülmüştür.

Nanopartiküller, tekstiller üzerindeki koku, antifungal ve biyosidlerin kontrollü salınımı amacıyla da kullanılmaktadır. Ciba Specialty Chemicals (CSC) bu amaçla antimikrobiyal nanokapsülleri ile lifleri modifiye ederek bakteri gelişimini önlediğini ifade etmektedir. Benzer teknoloji, kokuları absorplamada da kullanılmaktadır. Kore’de “Mipan Nano Magic Silver” lifi adı altında üretilen yeni antibiyotik life, gümüş metali nanopartikül formunda polimerizasyon işlemi sırasında ilave edilmektedir. Bu lif antibiyotik açıdan son derece iyi sonuçlar vermektedir. Zylon (poly(pphenylene-2,6-benzobisoxazole) (PBO) bilinen en güçlü liftir. Bu liflerin yapılarına % 10 karbon nanotüplerin ilave edilmesiyle mukavemetlerinin % 50 oranında daha arttırılabildiği belirtilmektedir.

Japon Kanebo Spinning Corp. Firması, normal poliesterden 30 kat daha fazla nem absorplama kapasitesine sahip poliester ipliği üretmiştir. İplik özellikle iç çamaşırları yapımında kullanılmaktadır. PES iplik toplam 20 katmandan oluşmakta olup, tabakaların toplam kalınlığı 50 nm civarındadır. Yine Japon firması Toray Industries, Inc. ultra tarafından üretilen nano incelikte naylon iplikleri de üstün nem absorplama özelliğine sahiptir. Japon Teijin Fibres Ltd parlak poliester üretimi için çalışmalarını sürdürmektedir. Poliester substratı farklı refraktif indekslere sahip yaklaşık 60 kat poliester ve naylon ile kaplanmıştır. Kalınlığı sadece 69 nm olan tabakalar, ışığı kırarak gözlemcinin bakış açısına ve ışığın kumaşa geliş açısına göre ‘mistik’ bir yansıma oluşturmaktadır.

Nanoteknoloji sadece çeşitli liflerin yapımında değil aynı zamanda kimyasal bitim işlemlerinde de kullanılmaktadır.

Nano boyutta üretilen emülgatörler sayesinde daha düzgün ve hassas bir şekilde aplikasyon yapılabilmektedir. Kir iticilik, hidrofilik, antistatik özellik, buruşmazlık ve çekmezlik gibi çok çeşitli gelişmiş performans özellikleri kazandırılabilmektedir. Nanoteknolojinin buruşmazlık bitim işlemlerinde kullanımı ile kumaşlar 10 nm boyutundaki küçük partiküllerle işleme sokulmakta, bu küçük partiküller selüloza bağlanmakta böylece sıvıların içeri girişine izin vermemektedir. Bu kavram lotus efektine de benzemektedir.

Lotus etkisi, birçok bitkide görülebilmekte ve mikro yapıdaki hidrofob yüzeylere bağlı olmaktadır. Pürüzsüz yüzeylerde temas açısı 110° iken, mikron çapındaki pürüzlülük 170° temas açısı ile süper hidofobluğa ulaşmaktadır. Bu tür durumlarda suyun adhezyonu için gerekli alan minimize olmakta ve damla ile her bir mum kristali arasında hava hapsolmaktadır. Bu durum partiküler için de geçerlidir. Partikül ve pürüzlü yüzey arasındaki temas alanı minimize olmakta ve yaprak yüzeyi üzerinde yuvarlanan su damlasına partiküller tutunabilmektedir. Büyüklük ve kimyasal yapıdan bağımsız olarak partiküller süper hidrofob yüzey üzerinden az miktardaki yağmur ile uzaklaştırılabilmektedir. Yüzey bu işlem sayesinde nanopartiküllerle çok küçük düzeyde pürüzlü hale gelmektedir. Nanopartiküllerle işlem sonrası uygulanan kondenzasyon ile bu etkinin daha kalıcı olduğu belirtilmektedir.

Şekil 7. Lotus efekti

Silikon esaslı yumuşatıcılar, makro ve mikro emülsiyon halinde kumaşlara uzun yıllardır uygulanmaktadır. Makroemülsiyonlar 150 nm ve altındaki, mikro emülsiyonlar ise 50-150 nm aralığındaki partiküllerden oluşmaktadır. Yeni jenerasyon nanopartikül boyutundaki silikon yumuşatıcılar da günümüzde pazara sunulmuştur. Sandoperm SE1 maddesi (Clariant) kendi kendisini emülsiye etme özelliğindedir. Emülsiye edici madde yumuşatıcının polisiloksan zincirine kovalent bağla bağlanmaktadır. Ayrıca kumaşın iç kısımlarına kadar nüfuz edebilmekte ve çok daha iyi yumuşaklık hissi vermektedir.

Nano boyuttaki kristalin piezoseramik partiküller ile işleme tabi tutulan kumaşlar bir materyal sensör haline dönüştürülebilmektedir. Piezoseramik partiküller mekaniki kuvvetleri elektriksel sinyallere dönüştürmektedir. Eğer bu tür kumaşlar cilde yakın giysi yapımında kullanılırsa kullanıcının kalp ritmi ve atışları gibi vücut fonksiyonları rahatlıkla gözlemlenebilecektir.

Diğer yandan nanoteknoloji uygulamaları akıllı tekstiller alanında da kendi kendini temizleyebilme ve yine kendi kendini tamir edebilme/onarabilme şeklinde karşımıza çıkmaktadır.

Klasik kaplama teknolojisinden tamamen farklı yeni bir teknoloji de “Nano kaplamalar”dır. Nano kaplamalar, kimyasal moleküllerin materyal üzerinde nanometre kalınlığında ve kendi kendine bir araya gelebilen mono tabakalardan oluşmaktadır. Her biri nanometre kalınlığında olan tabakaların sayısı istenildiği kadar arttırılabilmektedir. Kaplama kalınlığı yanında düzgünlük ve yoğunlukları da önem taşımaktadır. Sonsuz bir ince tabaka oluşturmak için teknik yaklaşımlardan birisi de kumaşı bir ön işleme tabi tutmaktır. Böylece yükler düzgün bir şekilde kumaş üzerinde dağılım gösterecek ve zıt yükteki istenen kimyasal maddeler elektrostatik kuvvetlerle aplike edilebilecektir. Ön işlem olarak plazma, iyon implantasyonu ve kimyasal işlemler kullanılabilmektedir. Polielektrolitler ve nanopartiküller, farklı fonsiyonel özellikler kazandırmada en üst tabakada kullanılmaktadır. Nano kaplamalar konusunda seramik indiyum kalay oksit kullanılarak multi spektral kamuşaj materyalleri kullanımı üzerine çalışmalar devam etmektedir.

Nanolifler ve Kullanım Alanları

Lif sanayisinin ilgilendiği ve kullanım alanı bulan konulardan birisi de çapları 0,5 mikrondan daha az olan nanoliflerdir. Nanoliflerin çapı 50-300 nanometre arasında değişmektedir. Bu liflerde en küçük ölçü yaklaşık 50 nanometredir.

Nanoliflerin üretimi ile ilgili araştırmalar yaklaşık 20 yıldır devam etmektedir. Bu alanda en çok giyimde kullanılmak üzere geliştirilmiş bariyer kumaşları araştıran U.S. Army Naticik Soldier Center çalışmaktadır. Naticik son olarak çeşitli nonwoven kumaşların yüzeyindeki küçük miktardaki nanoliflerin su tutma özelliklerini büyük ölçüde arttırdığını ve su temas açısını düşürdüğünü bildirmiştir. Hava direnci ve nefes alabilirlik gibi diğer özellikler de nonwoven kumaşların yüzeylerinde nanolifler kullanıldığında büyük çapta iyileştirme göstermektedir.

Uygulama alanları aşağıdaki şekilde özetlenebilmektedir:

  • Koruyucu kask ya da yelek için dokunmuş ya da örülmüş ürünler
  • Çok hassas sensörler
  • Nano elektronikler
  • Aşınma, biyolojik ve kimyasal dayanımlı dokusuz yüzeyler
  • Mikro seviyede dokunmuş penetrasyon engelleyici kumaşlar
  • Kumaş mühendisliği için üç boyutlu görünüme sahip materyaller
  • Bitkilere böcek zehiri uygulamalarına filtre olarak
  • Kompozitlerde kuvvetlendirmek amacıyla kullanılabilir
  • Polimer filament içeren ayrıştırma membranları
  • Yapay organlar

Özellikle askeri alanda nano lifler tene yapışıp ikinci bir ten vazifesi yapacak şekilde tasarlanmıştır. Bu uygulama askerler için çok iyi bir koruma gerçekleştirmenin yanı sıra mikro gözenekleri sayesinde derinin nefes alabilmesi sağlandığından askerler için sağlık açısından da konfor sağlanmış olmaktadır/

Nano Lif Üretimi

Eriyikten lif çekimi, kuru ve yaş lif çekimi gibi konvansiyonel lif üretim teknikleri mekanik kuvvetlerle eriyiğin ya da çözeltinin bir düzeden geçirilmesini sağlama ve daha sonra katılaştırılması esasına dayanmaktadır. Ancak konvansiyonel lif üretim yöntemlerinde kullanılan düze çaplarının nano liflerin üretiminde kullanılabilecek kadar küçültülmesinin imkânsız olması nedeniyle bu yöntemlerle nano liflerin üretilmesi mümkün olmamaktadır. Nano liflerin üretimleri temel olarak iki gruba ayrılmaktadır

Şekil 8. Nanoliflerin mikroskop altındaki görünümleri

Konvansiyonel yöntemlerde düze modifikasyonlarıyla lif üretimi

Konvansiyonel yöntemlerde düze içerisinden bikomponent lifler geçirilmekte ve bu lif karışımları daha sonra ayrılmaktadır. Ancak bu yöntemlerle üretilen nano liflerin inceliği üniform olmamakta ve enine kesit görünümleri de süreklilik taşımadığı için istenilen özellikleri taşımamaktadır.

Elektrostatik yöntemlerle lif üretimi

Nanolif üretim yöntemleri arasında elektrostatik yöntemle elde edilen lifler istenilen tüm özellikleri sağlayabilmekte, lif inceliği kontrol altında tutulabilmektedir. Bu yöntemde, polimer çözeltisi veya lif eriyiğinden lif eldesi için elektrostatik kuvvet kullanılmaktadır.

1934 yılında Formhals tarafından, elektrostatik kuvvetler kullanılmak suretiyle polimerlerden filament lif üretilmesi işleminin patenti alınmış ve kullanılan bu yöntem “elektrospinning” olarak tanımlanmıştır.

Şekil 10. Elektrospinning Üretimi

5 kV ile 30 kV arasındaki elektrik akımı bir polimerin yüzey gerilimini yok etmektedir. Herhangi bir yüzey gerilimine sahip olmayan polimer çözeltisi, özel tasarlanmış ve çok ince yapıdaki jet düzesinden geçirilerek düzenin karşısına yerleştirilmiş olan topraklanmış hedefe doğru akmaktadır. Lif ışını şeklinde topraklanmış yüzeyde biriken lifler ise sürekli olarak çekilmektedir. Böylece elektrospinning yöntemi, polimerlerin önce çok yüksek voltajlı elektrik akımı ile yüklenmesi daha sonrada bir düzeden topraklı bir plakaya doğru akması esnasında katılaşması ve lif halini alması şeklinde özetlenebilmektedir.

Elde edilecek life ait polimer sıvısı ile doldurulmuş kılcal boru sistemine bir elektrod yardımı ile yüksek voltaj uygulanmakta ve lifler bu yüksek voltajlı elektriksel alanda üretilmektedir. Polimer çözeltisi veya eriyiği içinde piston olan bir şırınga içerisine doldurulmaktadır. Şırınganın ucu paslanmaz çelikten yapılmıştır ve elektrod görevi görmektedir. Karşıt elektrod olan metal plaka bu kılcal borunun altına yerleştirilmiştir. Bu kılcal boru ucu ile elektrod arasına yüksek voltaj uygulanmaktadır. Kontrollü hız altında şırınga içindeki piston bir motor ile tahrik edilerek hareket ettirilmektedir.

Polimer çözeltisinin bir damlası şırınga ucundan çıkmakta ve sıvı yüzey gerilimi sayesinde damlamadan bir süre için asılı kalmaktadır. Eğer voltaj bir eşik değeri geçerse elektrostatik kuvvetler yüzey gerilimini aşmakta ve çözeltiden damlanın uzaklaşmasına neden olmaktadır. Elektriksel alanın kuvveti arttıkça sıvının yarım küre şeklindeki yüzeyi konik şekil oluşturacak şekilde uzamaktadır. Buna “Taylor koni” adı verilmektedir.

Şekil 11. Taylor koni oluşumu

Böylece karşı elektroda doğru hareket başlamaktadır. Bu fışkırmakta olan damlaya “jet” denilmektedir. Bu jet (yüksüz) içerisindeki çözgen karşı elektroda hareket esnasında buharlaşmakta ve katı halde lifler oluşmaktadır. Bunlar yüksek oranda çekilmiş ve metal plaka üzerinde toplanmadan önce yaptığı rasgele hareket sırasında incelmişlerdir. Lifler, karşı elektrodun üzerinde veya bu elektrod üstüne yerleştirilmiş olan bir materyal üzerinde toplanmaktadır. Bu şekilde çapları 5 nm’den başlayan lifler elde edilebilmektedir.

Elektrospinning yöntemi ile üretilen tülbentlerde, liflerin küçük çaplı olması sebebiyle, nanolif tülbentinin kalınlığı da oldukça küçüktür ve yaklaşık olarak 1 mikron civarındadır. Bu ince tülbentlerin düşük mekaniksel özellikleri, kullanımlarını sınırlamakta, bunun sonucu olarak da nanolif tülbentleri çeşitli materyaller üzerine uygulanmaktadır. Materyaller uygun mekanik özellikleri sağlayacak ve nanolif tülbentinin işlevselliklerini arttıracak şekilde seçilmektedirler.

Nanolifler cam, poliester, poliamid ve selüloz gibi çok değişik materyallerin üzerine filtrasyon amacı ile uygulanabilmektedir.

Nanolifler yüksek mekaniksel özelliklere ve iyi esnekliğe sahiptir. Çapı 3-5 nm olan liflerin üretilebilirliğinden bahsediliyorsa da, 50 nm çapından daha düşük çapa sahip lifler üniform olmayan bir yapıya sahip olmaktadır. İnce çapa sahip liflerde, çözgenin buharlaşması ve jet stabilitesinin sağlanamaması, üzerinde çalışılması gereken konulardır.

Tekstilde uygulamalara örnek olarak aşağıdaki uygulamalar da ilave edilebilmektedir:

  • Oto döşemelikleri
  • Vinil esaslı kaplamalar
  • Çadır,branda kaplamaları
  • UV dayanımlı günlük giysiler
  • Askeri amaçlı smart tekstiller
  • Antimikrobiyal kaplamalar
  • Hidrofilik poliester ve poliamid kumaşlar(Nano dry)
  • Doğal lif tutumuna sahip, nefes alabilen, antistatik sentetikler (Nanotouch)
  • Kalıcı (En az 30 yıkama)su-kir-yağ itici nefes alabilen kumaşlar (Nano pel)
  • Yüksek buruşmazlık dayanımı, çekmez, su-kir-itici pamuklu, keten kumaşlar (Nano-Care)

Şekil 12. Hava filtrasyonu için WETLAID selüloz materyalleri üzerine uygulanan nanolifler

SONUÇ

Nanoteknoloji atomik-moleküler boyuttaki bir maddenin yeni özelliklerinin açığa çıkarılmasıdır. Nano boyutlara inildiğinde madde makro-boyutlardan çok daha farklı fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler kazanmaktadır. Nanosistemlerin fabrikasyonu, karakterizasyonu ile daha önce varlığı bilinmeyen çeşitli fonksiyonlar ortaya çıkartılmakta bunların verimli bir şekilde insanlığın kullanımına sunulması ile de hayat standartlarında önemli ilerlemeler kaydedilmektedir.

Nano seviyelerde görüntüleme, mekanik kuvvetler uygulayabilme ve mekanik özellik tayini, nanosaniyelerde başlayıp biten çeşitli işlemlerin yakalanabilmesi ve izlenmesi, nano-ölçeklerde kimyasal analiz gibi analitik inceleme tekniklerindeki ilerlemeler, beraberinde nanoteknoloji bilimini mühendisliğe ve oradan da uygulamalara ulaştırmış ve sensörlerde, hafıza elemanlarında, tıpta etkili yeni cihazların ortaya çıkmasını sağlamıştır.

Bu yeni bilim alanı, tıptan havacılık ve uzay alanına kadar çok geniş bir yelpazede atomsal büyüklükte cihazlar ve makineler üretilmesini sağlayabilmektedir.

Benzer şekilde nanoteknoloji tekstil sektörüne de girmiş ve pek çok alanda bununla ilgili çalışmalar yoğunlaşmış durumdadır. Gelecekte nanoteknoloji ile üretilen liflerin ve yeni fonksiyonel ürünlerin hayatımızı kolaylaştıracağı düşünülmektedir.

Pek çok avantaja sahip nano materyallerin, henüz insan sağlığı ve çevreye olan etkileri tam olarak bilinmemektedir. Bu durumun detaylı bir şekilde incelenmesi önem taşımaktadır.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir