makale

Bakır Oksit Partikülleri ile Kaplanmış Pamuklu Kumaş Numunelerinin Mekaniksel ve Morfolojik Performans Özelliklerini Araştırılması

Aslıhan Koruyucu, A.Özgür Ağırgan Namık Kemal Üniversitesi; Çorlu Mühendislik Fakültesi, Tekstil Mühendisliği Bölümü, Çorlu, Tekirdağ, Türkiye

Özet

Kumaşlarda anti bakteriyel koruma özelliği kazandırmak giderek önem kazanan fonksiyonel özelliklerden biridir. Bu çalışmada, ekonomik olması nedeniyle tüm dünyanın ilgi merkezi olan bakır oksit kullanılarak spesifik uygulama alanları için kumaş geliştirilmesi öngörülmüştür. Bu makalenin amacı, bakır oksit partikülleri kullanılarak anti bakteriyel fonksiyonları geliştirilmiş pamuklu kumaşların üretilmesi ve bu kumaşların teknik tekstiller alanında kullanım olanaklarının araştırılması planlanmıştır. Böylece insanların gün içerisinde birçok kez temas ettiği yüzeylerden kaynaklı mikrobik enfeksiyonların azaltılması hedeflenmiştir. Bu makalede, tekstil endüstrisinde antibakteriyel amaçlı uygulanan farklı partiküldeki bakır oksit kimyasal maddeler kullanıldığında pamuklu kumaşların performans özelliklerinde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Bu amaçla pamuklu kumaşlar, kaplama tekniği yardımıyla antibakteriyel Cu(I)O, Cu(II)O partikülleri ve izosiyanat ve de glicidmetakrilat yapısındaki çapraz bağlayıcılar ile işleme tabii tutulmuştur. Antibakteriyel olarak bakır oksit partiküllerin seçimi önceki çalışmalar incelenerek yapılmıştır. Literatürde çeşitli metal oksitlerin antibakteriyel özelliğinin incelenmesi sonrası bakır oksit partikülleri seçilmiştir. Antibakteriyel özellik sağlamada bakır oksit partiküllerinin kullanımının diğer bir faydası ise; önceki çalışmalarda gümüş, çinko oksit ve titanyum oksit ile sağlanan antibakteriyellik özelliğine alternatif bir yöntem oluşturulmaya çalışılmasıdır. Bunun yanı sıra kullanılan gümüşün diğer kullanılan antibakteriyel materyallerine oranla pahalı olması, önemli bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca Zhang ve arkadaşlarının 2008’de yaptığı çalışmasında gümüş iyonlarının yüksek organizmalar(insan dahil) için sitoksit ve genotoksit etki gösterdiğine dair sağlam kanıtlar bulunduğuna değinilmiştir. Bu da bakteriyel özellik sağlamada gümüşten ziyade bakır oksitin kullanımına olanak sağlamaktadır. Cu(I)O ve Cu(II)O antibakteriyel madde ile yapılan kaplama işlem sonrasında, pamuklu kumaş numunelerinin kopma mukavemetleri özelliği arttırılmış ve izosiyanat çapraz bağlayıcı ile yapılan kaplama sonrasındaki mekanik etkiler kumaş yapısına zarar verdiği için yırtılma mukavemetinde azalmalar elde edilmiştir. Kaplama sonrası kumaşların FTIR spektrumlarında, kaplama işlemlerinden kaynaklanan bir modifikasyonun belirtisi olacak yeni bandlar ortaya çıkmaktadır.

1.Giriş

Bakterileri yok eden çoğalmalarını engelleyen madde ya da ortamlar antibakteriyel olarak tanımlanmaktadır. Antibakteriyel malzemelerin kullanımı özellikle giysi ve kumaşlarda bakterilerin oluşturduğu zarar ve kötü kokular nedeniyle daha da önemli hale gelmektedir. Antimikrobiyel madde, bakteri, küf, maya ve mantar gibi mikroorganizmaları öldüren olarak tanımlanmaktadır. Öte yandan büyüme, çoğalma veya etkinliklerini engelleyen doğal, sentetik veya yarı sentetik kimyasal olarak da tanımlanmaktadır. Antibakteriyel esaslı fonksiyonel tekstiller ile ilgili yapılan çalışmalardan önemlileri aşağıda verilmektedir: Gümüş nanopartiküllerinin antibakteriyel kumaştan yapay tere aktarılması çalışmasında; yapay tere aktarılan gümüş miktarının ilk kaplama esnasında kullanılan gümüş miktarına, kumaş kalitesine, pH ve yapay ter formülasyonuna bağlı olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada, gümüş moleküllerinin insan sağlığına etkileri incelenmiştir(1). Gümüş nano partikülleri, gümüş iyonları tek başına ya da çeşitli kombinasyonlarla kullanılması halinde bakteriocidal etki göstermektedir. Bakterinin hücre membranının geçirgenliği arttırılarak, hücrenin enerji ihtiyacı tetiklenmektedir. Bu sayede fosfat akışı olmakta, hücresel içerikler sızmakta ve DNA çoğalması kesintiye uğramaktadır(2). Kathirvelu ve arkadaşları(2008) yılında yaptıkları çalışmada; farklı sıcaklık ve konsantrasyonlardaki HNO3 ve titanyum tetra klorit ile başlayan hidrolitik bir reaksiyonla ürettikleri TiO2 NP’leri ile kapladıkları kumaşların kendi kendini temizleme, antibakteriyellik ve UV koruma fonksiyonlarını araştırmışlardır. Hazırlanmış numune kumaşların kendi kendini temizleme etkinliklerinde değişiklik olmadığını tespit etmişlerdir. Ancak UV koruma etkinliğinin PES/Pamuk kumaşlarda, dokuma kumaşlarda ve küçük NP’lerle kaplanan kumaşlarda daha yüksek olduğunu tespit etmişlerdir. Dokuma kumaşların, %100 pamuklu kumaşların ve küçük NP’lerle kaplanan kumaşların daha yüksek seviyede antibakteriyellik özelliği gösterdiğini belirlemişlerdir. Her üç fonksiyon için incelendiğinde ZnO ve TiO2 ile yapılan kaplamalarda TiO2 kullanımının ZnO kullanımına göre daha avantajlı olduğu gözlemlenmiştir(3). Önceki çalışmalarda; gümüş iyonlarının yüksek organizmalar (insan dahil) için sitoksit ve genotoksit etki gösterdiğine dair sağlam kanıtlar bulunduğu ifade edilmiştir(4). Sektörde sıklıkla kullanılan gümüş, triklosan, diklorofenol, kuarter amonyum ve kitosan gibi antimikrobiyel etkinliği bilinen kimyasalların, % 100 pamuklu kumaşlar üzerinde meydana getirdiği performans değişiklikleri ve antimikrobiyel aktivite miktarları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bununla birlikte çalışmada, belirtilen kimyasallarla üretilen antimikrobiyel kumaşların; 1, 5, 10 ve 20 yıkamadan sonraki antimikrobiyel performans değerlerini karşılaştırmalı olarak ortaya konulmuştur(5). Önceki çalışmalarda; alüminyum veya titanyum bileşiklerinin bağlandığı antibakteriyel ajanların, pamuklu kumaşlarla muamelesi ile antibakteriyel yüzeyler meydana getirilmiştir. Kumaşlar metal bileşiklerden biri, oxytetracycline, tetracycline, pyrithione ile aynı ya da farklı banyolardan geçirilerek prosesin uygulandığı her antibakteriyel ajanın Staphylococcus aureus bakterisine karşı etkili olduğu belirtilmiştir. Tetracycline ile muamele edien kumaşların bazıları 20 yıkamadan sonra bile antibakteriyel aktivite göstermeye devam etmektedir. Titanyum bileşiklerinin uygulanması sırasında karşılaşılan bazı problemler nedeniyle, alüminyum bileşiklerinin kullanıldığı örneklerin antibakteriyel aktiviteleri daha tatmin edici bulunmuştur(6).

2. Malzemeler ve Metodlar
Yapılan denemelerde; materyal olarak kullanılan pamuklu kumaş, Bossa tarafından tedarik edilmiştir. Yapılan denemelerde; materyal olarak pamuk lifinin özellikleri Tablo’da verilmektedir.

ekran-resmi-2016-12-08-17-04-39

Çalışmada antibakteriyel özellik sağlamada malzeme olarak nano ve mikro partikül büyüklüğünde bakır(I)oksit ve bakır(II)oksit kullanılmıştır. Bu çalışmada kaplama kimyasalları olarak; iki farklı poliüretan binder, iki farklı yapıda çapraz bağlayıcı, kaplama patında oluşan köpüğü kesmek için bir köpük kesici, kaplama patına ilave ettiğimiz bakır oksit partiküllerinin pat içerisinde homojen dağılımını sağlamak amacıyla bir emülsiye, dispersiyon malzemesi; patın akıcılığını ayarlamak için bir kıvamlaştırıcı kullanılmıştır. Binderlerden biri alifatik polyester poliüretan yapısında olup, diğeri ise; kaplama patının sert su tuzlarına ve yıkamaya karşı dayanımını arttırmak için polisiloksan bileşiği içermelidir. Bu çalışmada; antibakteriyel işlem görmüş pamuklu kumaşların etkinliklerinin iyileştirilmesi amacıyla kaplama reçetelerinde izosiyanat ve glicidmetakrilat yapısında çapraz bağlayıcılar kullanılmıştır. Kumaş numunelerine, silindir üstü bıçak kaplama tekniğine göre antibakteriyel bitim işlemi uygulanmıştır. Kaplama işleminden sonra kumaş numunelerine kopma mukavemeti, yırtılma mukavemeti, aşındırma mukavemeti gibi fiziksel testler uygulanmıştır. Bunun yanısıra kaplama sonrası kumaş numune yüzeylerinde oluşan morfolojik değişimlerin incelenmesi amacıyla SEM görüntüsü, kaplama sonrası kumaşların bağ yapısına ilişkin değişimlerin incelenmesi amacıyla FTIR analizi gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında numune kumaşlara uygulanan fiziksel testler tablo da verilmektedir.

ekran-resmi-2016-12-08-17-07-39

3. Sonuçlar ve Tartışma
3.1. İşlem Görmüş Kumaşların Kopma, Yırtılma Ve Aşındırma Mukavemet Özellikleri
Antibakteriyel aprenin olumlu ya da olumsuz kumaş kopma mukavemetinde bir değişiklik meydana getireceği düşünülmektedir. Pamuklu kumaşlar için kopma mukavemeti test sonuçları Şekil 3.1’de verilmektedir. Numunenin gramajı esas alınarak test sırasında uygulanan ön gerilim 5N olarak belirlenmiştir. Şekil 3.1’de görüldüğü gibi, nano partikül büyüklüğünde Cu(II)O’ın glicidmetakrilat çapraz bağlayıcı ile yapılan kaplamanın çözgü ve atkı yönünde en çok mukavemet artışına neden olduğu belirlenmiştir. Pamuklu kumaşa, çapraz bağlayıcı olarak glicidmetakrilat uygulanarak, lif ile kaplama arasında daha fazla oranda çapraz bağ oluşturulmuştur. Bu da kaplama yapılan pamuklu kumaşa ekstra dayanım kazandırdığından, kopma dayanımında genel olarak kayıp gözlemlenmemiştir. Sonuçta; kaplama patındaki izosiyanat grubu içeren kimyasal maddeler su ile yaptıkları reaksiyonlarda CO2 gazı açığa çıkarmakta, oluşan bu karbondioksit gazının yarattığı basınç polimerde köpük oluşmasına sebep olmaktadır ki; bu da kaplamada çapraz bağlanma da azalmaya neden olmakta ve kaplamanın kopma mukavemetini azaltmaktadır.

tabloo

Her bir kumaş numunesinde atkı ve çözgü yönlerinde yırtılma mukavemeti ölçümleri yapılarak kontrol gruplarına göre yırtılma mukavemetindeki yüzde değişim değerleri hesaplanarak Şekil ’de gösterilmiştir. Atkı yönündeki yırtılma, çözgü ipliklerinin kopmasına, çözgü yönünde yırtılma ise atkı ipliklerinin kopmasına karşılık gelmektedir. En yüksek mukavemet kaybı 1. kumaşın ve 2.kumaşın mikro partikül büyüklüğünde Cu(I)O, Cu(II)O antibakteriyel madde ve izosiyanat çapraz bağlayıcı ile olan kaplama sonrasında sırasıyla %29,26 ve %20,15 olarak hesaplanmıştır. Partikül büyüklüğü sabit iken; en yüksek mukavemet kaybı izosiyanat çapraz bağlayıcı ile yapılan kaplama sonrasında gözlenmiştir. Antibakteriyel madde partikül büyüklüğü ve izosiyanat çapraz bağlayıcı ile yapılan kaplama sonrasındaki mekanik etkiler kumaş yapısına zarar verdiği için yırtılma mukavemeti kaybına yol açmıştır. En yüksek mukavemet kaybı 1. ve 2.kumaşın mikro partikül büyüklüğünde Cu(I)O ve Cu(II)O antibakteriyel madde ve izosiyanat çapraz bağlayıcı ile olan kaplama sonrasında sırasıyla %31,53 ve %19,66 olarak hesaplanmıştır. Partikül büyüklüğü sabit iken; en yüksek mukavemet kaybı izosiyanat çapraz bağlayıcı ile yapılan kaplama sonrasında gözlenmiştir. Antibakteriyel madde partikül büyüklüğü ve izosiyanat çapraz bağlayıcı ile yapılan kaplama sonrasındaki mekanik etkiler kumaş yapısına zarar verdiği için yırtılma mukavemeti kaybına yol açmıştır.

tablo222

3.2. İşlem Görmüş Kumaşların SEM Özellikleri
Şekil ‘de mikro ve saf Cu(I)O aplike edilmiş kumaşlara ait SEM görüntüleri verilmektedir. Kaplama çalışmalarında kullanılan poliüretan binderler, bloke izosiyanat ve de glicidmetakrilat yapısındaki çapraz bağlayıcılar yüzey ile tutunacak şekilde polimerizasyon gerçekleştirdiği gözlenmiştir.

ekran-resmi-2016-12-08-17-17-10
3.3. İşlem Görmüş Kumaşların FTIR Özellikleri
FT-IR analizi ile kaplama patı yapısındaki kimyasal bağların uygulanmış pamukta var olup olmadığı araştırılmıştır. Şekiller de ön işlemi yapılan pamuklu kumaşlara ait FT-IR spektrumları mavi renkte verilmiştir. Spektrumlarda ön işlemi yapılan pamuklu kumaşlara ait karakteristik pikler Tablo 4.1 ‘de özet olarak verilmektedir. Ön işlem ve ardından mikro Cu(I)O ve iki farklı yapıdaki çapraz bağlayıcı ile antibakteriyel kaplanan pamuklu kumaşın FTIR spektrumları Şekil 4.14.a ve 4.14.b ‘de görülmektedir. Cu(I)O ve iki farklı yapıdaki çapraz bağlayıcı ile antibakteriyel kaplanan pamuklu kumaşın FTIR spektrumlarında ester gruplarındaki C=O gruplarını varlığını gösteren karakteristik absorbsiyon bandı 1732- 1750 ekran-resmi-2016-12-08-17-18-56cm-1`de aralığında değiştiği görülmektedir.Ayrıca -CH- gruplarına ait makaslama karakteristik bandı 1374-1383 cm-1 aralığında, C-O gruplarına ait gerilme aralığı 1083- 1088 cm -1de, – CH- gruplarına ait gerilme titreşim bandları ise 2940- 2949 cm-1 aralığında değişim göstermektedir. Pamuk lifinn yapısındaki –OH gruplarına ait gerilme titreşimleri 3325cm-1 de geniş ve şiddetli bandlar vermektedir. Glicidmetakrilat çapraz bağlayıcı içeren antibakteriyel kaplama patı ile kaplanan pamuklu kumaşın FTIR spektrumu incelendiğinde; glicidmetakrilatın yapısında bulunan alifatik esterlerin karbonil grubunun izosiyanat yapısındaki karbonil gruplarından 1740 cm -1 ‘de daha keskin pik verdiği görülmektedir. Bu da bize antibakteriyel Cu(I)O kimyasal maddesinin kaplama patı ile birlikte pamuk lifine daha iyi bağlandığını göstermektedir. Ön işlem ve ardından mikro ekran-resmi-2016-12-08-17-19-11Cu(II)O ve iki farklı yapıdaki çapraz bağlayıcı ile antibakteriyel kaplanan pamuklu kumaşın FTIR spektrumları Şekil 3.7 ve 3.8‘de görülmektedir. Spektrumda O-H ve C-H gerilme (3333, 2910 ve 2161 cm -1), O-H ve C-H bükülme (1645, 1428 ve 1315 cm-1),C-C ve C-O gerilme (1160, 1107 ve 1030 cm-1) bandları dikkat çekmektedir. 1645 cm-1’ de transmitans bandındaki değişim, hidroksil gruplarının şekil değiştirme (deformasyon) titreşiminden kaynaklanmaktadır. Antibakteriyel kaplama işleminden sonra modifikasyon belirtisi olacak yeni bandlar ortaya çıkmıştır.

Özellikle glicidmetakrilat çapraz bağlayıcı içeren kaplama sonrasında; -CH- gruplarına ait makaslama karakteristik bandı 1374-1383 cm -1aralığında, C-O gruplarına ait gerilme aralığı 1083-1088 cm -1 de, – CH- gruplarına ait gerilme titreşim ekran-resmi-2016-12-08-17-21-02bandları ise 2940-2949 cm -1 aralığında daha fazla göstermektedir. Bu da glicidmetakrilat çapraz bağlayıcının antibakteriyel Cu(II)O kimyasalını tutarak, kaplama maddesinin life daha iyi tutunduğunu göstermektedir.

 

 

 

4.Sonuçlar
ekran-resmi-2016-12-08-17-24-05Antibakteriyel işlem gören tekstil materyalleri başlıca tıbbi, estetik ve oxihijyen amaçlı uygulamalarda kullanılmakta olup, çeşitli endüstri alanlarında hızla yaygınlaşmaktadır. Bu çalışmada, materyal olarak pamuklu kumaşlara antibakteriyel etkinlik kazandırmak amacıyla kaplama yöntemi kullanılmış ve işlemlerin etkileri aşama aşama incelenmiştir. Kaplama sonrası FTIR spektrumlarında, kaplama işlemlerinden kaynaklanan bir modifikasyonun belirtisi olacak yeni bandlar ortaya çıkmıştır. Kaplama sonrası pamuklu kumaş yüzeyinde karbonil grupları oluşmakta ve bu gruplara mikro partikül büyüklüğündeki bakır oksit partikülleri çapraz bağlanmaktadır. Kaplama sonrası kumaş numunelerinin kopma mukavemetlerinde artış olduğu gözlenmiştir. Kaplamada kullanılan binderler ipliğin yüzeyinde bir film tabakası oluşturmakta, bu nedenle de ipliğin tüm katlarını birbirine yapıştırmaktadır. Polisiloksan bazlı poliüretan ise; ipliğin dış kısmında film tabakası oluşturmakla birlikte, liflerin içerisine de nüfuz edip, liflerin birbirine yapışmasını sağladığından, kopma mukavemetinde artışa neden olmaktadır. Sonuç olarak, bakır oksit partikülleri ile birlikte kaplama patında kullanılan glicidmetakrilat çapraz bağlayıcı yapısına bağlı olarak kumaşın atkı ve çözgü yönlerinde kopma mukavemetlerinde daha fazla oranda artışlar olmaktadır.

ekran-resmi-2016-12-08-17-24-15Diğer bir ifade ile; kaplama patındaki izosiyanat grubu içeren kimyasal maddeler, su ile yaptıkları reaksiyonlarda CO2 gazı açığa çıkarmakta, oluşan CO2 gazının yarattığı basınç polimerde köpük oluşmasına neden olmaktadır. Bu da, kaplamada çapraz bağlanmada azalmaya neden olmakta, kaplamanın kopma mukavemetini azaltmaktadır. Kaplama işleminden sonra H atomu, diğer atom ya da gruplar ile yer değiştirmiş, C=O gibi fonksiyonel gruplar oluşturmuştur. Aynı zamanda yüzeyde oluşan ve oksijen içeren gruplar nedeniyle kumaşlarda oksidasyon meydana gelmiştir Bu durum kumaş mukavemetleri üzerinde oldukça etkili olmuştur.

ISO 13937-1 test metoduna göre Elmendorf cihazında yapılan yırtılma testinde kaplama yapılan kumaşların, yapılmamış kumaşlara göre daha kolay yırtıldığı gözlenmiştir.

Kaynaklar:
1.Kornphimol Kulthang, Sujitra Srisung, Kanittha Boonpavanitchakul, Wiyong Kangwansupamonkon and Rawiwan Maniratanachote, Determination of Silver Nanoparticle Release from Antibacterial Fabrics into Artificial Sweat. Particale and Fibre Toxicology 7:8, (2010).
2.Catalino Marambio-Jones,Eric M.V.Hoek, “A review of the antibacterial effects of silver nanomaterials and potential implications for human helath and the environment”,Journal of Nanoparticle Research, June 2010, Vol.12,Issue 5,pp 1531-1551.
3. Kathirvelu, S, D‟Souza, L, Dhurai, B, A Comparative Study of Multifunctional Finishing of Cotton and P/C Blended Fabrics Treated with Titanium Dioxide/Zinc Oxide Nanoparticles, 2008, Indian Journal of Science and Technology, 1, 7,1-12
4.X.Wang, Y.H.Zhang, Q,Li, Z.J.Liu, “Study of the Morphology and Antibacterial Properties of Nano Silver Films Prepared on Regenerated Cellulose Substrate”,Advanced Materials Research, Vol 79-82, 2091-2094,2009.
5. Palamutçu, S, Sengül, M, Devrent, N, Keskin, R., Hasçelik, B., İkiz, Y., Farklı Antimikrobiyel Bitim Kimyasallarının % 100 Pamuklu Kumaşlar Üzerindeki Etkinliklerinin Araştırılması, 3. Uluslar arası Teknik Tekstiller Kongresi, İstanbul, 2007, s 412-421 6.Morris, C. E, Welch, C. M, 1983, Antimicrobial Finishing of Cotton with Zinc Pyrithione, Textile Resource Journal, December 1983, s 725-728