Elektromanyetik dalga engeli tekstil ürünleri üzerine bir araştırma: Polimer kaplama ve yüzey–arayüzeyler ile ilgili yapısal incelemeler

Günümüzde yaşadığımız ortamlarda, yüksek gerilim hatları, haberleşme ve radar sistemleri, tıpta teşhis ve tedavi amaçlı kullanılan sistemler gibi pek çok uygulamaların neden olduğu radyasyon kirliliği gittikçe artmaktadır. Özellikle, havayolu ulaşımında etkin olan, uzaydan dünyamıza gelen (kozmik ışınlar başta olmak üzere) zararlı elektromanyetik dalga (EMD) ların varlığı, ozon tabakasındaki incelmenin artması ve var olan deliğin büyümesi vb. olumsuz gelişmeler, ileride insanoğlu için daha fazla zararlı EMD etkileri ile karşılaşılacağının da bir göstergesidir. Bu tür zararlı radyasyondan korunma amacının yanında, güvenlik amacı ile farklı EMD yalıtımlarının da yapılma istekleri, yeni EMD engelli malzemelerin geliştirilmesine yol açmaktadır. Bu tür teknolojik istekler sonucunda bazı tekstil firmaları, önemli Ar-Ge faaliyetleri gerçekleştirmeye başlamıştır. Bu öncü Ar-Ge çalışmaları sonucunda, organik/organometalik özellikler taşıyan, EMD engeli olabilen pek çok kompozit ve nanofiber malzemeden üretilmiş tekstil ürünleri, yüksek maliyetlerle tüketim piyasasına kazandırılmaktadır. Üniversitemiz, Fizik Mühendisliği Bölümü, SWAXS Araştırma Grubu'nda gerçekleştirilen bu tez çalışması ile öncelikle, tüketime sunulan EMD engeli tekstil ürünlerinin karmaşık yapıları nanoskopik ölçekte Small Angle X-ray Scattering (SAXS, küçük açı x-ışını saçılması) yöntemi ile incelenmiştir. Yapılan öncü çalışmalar ile, iki tip SG (Steel Gray) ve ST (Silver Twin) kodları ile tanımlanan tekstil ürünü üzerine odaklanılmıştır. Bu iki ürün seçilirken, EMD kalkan özellikleri ve antibakteriyel özellikleri en güçlü olan ürünler olmasına dikkat edilmiştir. Ayrıca, yüzey özelliklerinin polimer kaplama işlemlerine uygun olup olmadıkları da Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Ardından karbon nanotüp (CN) ve grafen ile katkılanmış sanayi tipi bir polimer olan plastomer (Plasti-Dip) malzemeler hazırlanarak, farklı oranlarda iki boyutlu (2B) ve 3B nano parçacıklar içerecek şekilde, CN ve grafenle katkılanarak tekstil ürünlerini kaplayacak forma getirilmişlerdir. Sanayi tipi kullanıma uygun, basınçlı sıvı kompozit tüpleri ile püskürtme yöntemi kullanılarak kumaş kaplama işlemleri yapılmıştır. Kaplama işleminden sonra, ara yüzey ve dış yüzey bilgilerini içerecek şekilde birkaç Angström büyüklükten, nanometre ve mikrometre ölçeklerine kadar yapılar incelenerek yapı-özellik ilişkileri kurulmaya çalışılmıştır. Yüzey ve ara yüzey yapı incelemelerinde, ağırlıklı olarak SAXS yöntemi kullanılmıştır. Elde edilen kaplanmış kumaşların EMD ye karşı kalkan etkisi oluşturup oluşturmadıkları, Dalga Kılavuzu Metodu kullanılarak test edilmiştir. İnsan kullanımına doğrudan sunulabilecek bu malzemelerin sağlık açısından bir sorun oluşturup oluşturmayacaklarını belirlemek için de araştırmalar başlatılmış ve kaplama öncesi/sonrası kumaş biyo aktiviteleri incelenmiştir. Displinler arası bir çalışma olan bu tez kapsamında, Üniversitemiz, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ve Fen Fakültesi, Biyoloji Bölümü bilim insanları ile iş birliği yapılmıştır. Çalışmanın sonucunda, bu tür tekstil malzemeleri ile ilgili ilk kez nano ölçekli yapısal Ar-Ge faaliyetleri gerçekleştirilerek, yapılan CN ve Grafen katkılı polimer kaplama işlemleri ile 8-13 GHz aralığında EMD kalkanlama özelliklerinin ve antibakteriyel etkilerin yapı ile ilişkilendirilebildiği nano kompozit ürünler elde edilebilmiştir. Grafen katkılı polimer kaplanan kumaşların yüzeyinde nano fraktal yapıların oluştuğu, CN katkılı kaplamalarda ise, Çekirdek-Kabuk Silindir (Core Shell Cylinder) formunda nano yapıların bulunduğu belirlenmiştir. Fraktal model ile yüzeye dağılan grafen nano oluşumlar, yüzey üzerinde daha pürüzsüz ve düzgün bir dağılımın elde edilmesine neden olmuş ve EMD kalkanlama özelliğinin, yüzeyin her bir noktasında daha uniform elde edilmesine katkıda bulunmuştur. ST kumaş üzerine yapılan kaplamalar hem CN, hem de grafen katkılamalar için çok daha düzgün ve homojen elde edilmiştir. Bu durum AFM ve EMD etkileşim testleri ile de doğrulanmıştır. %4 CN–SG tekstil ürününde, kaplamasız SG'ye göre, 11-13 GHz frekanslı EMD için soğurma en yüksek değerde olup, yansımanın da en az olması, bu malzemenin bu frekans bölgesinde görünmezlik çalışmalarında kullanılabileceğini göstermiştir. Kaplama işlemi ile soğurma değeri, 0,2 den 0,3'e artarak %50 oranında geliştirilmiştir. Ayrıca, 8-13 GHz aralığında geçirgenliğin en az olması, CN-SG nin SG ye göre kalkanlama özelliğinin de artırıldığının delili olmuştur. %4 Grafen–SG, 8,5-13 GHz aralığında EMD ler için kaplanmış kumaşın yansıtma özelliğinin en fazla, geçirgenliği ve soğurmasının ise en az olduğu belirlenmiştir. Kaplama işlemi ile geçirgenlik değeri 1,2 den 0,5'e düşerek %33 artırılmıştır. Yani başlangıç malzemesi olan SG ye göre daha iyi bir kalkanlama özelliği elde edilmiştir. %2 CN-ST malzemesi, 8-13 GHz aralığında, yansıtıcılığı en yüksek, soğurma ve geçirgenliği en düşük olması nedeni ile EMD kalkanı olarak önemli bir ürün olma özelliğine sahiptir. Kaplama işlemi sonrası geçirgenlik değeri 2,2 den 0,5'e düşerek %77 artırılmıştır. %2 Grafen-ST, 9,8-13 GHz aralığında daha az geçirgenlik göstermiş ve ortalama geçirgenlik değeri 2,8 iken 1,4 değerine düşerek %50 oranında kalkanlama özelliğindeki artışına neden oluştur. Bu ürünün aynı zamanda, Gr(+) mikroorganizma olan Staphylococcus aureus ve Gr (-) Escherichia coli üzerinde etkin bir biyoaktiviteye sahip olduğu da gözlenmiştir. CN katkılı ST malzemeler için CN katkılama oranı arttıkça, nano ölçekte Rg yarıçap değerlerinin (8,96 – 11,80 nm) ve oluşan küme boyutlarının (24,63 - 34,29 nm) arttığı belirlenmiştir. Bu çalışma sonucunda elde edilen en değerli ürün fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler açısından %2 CN-ST malzemesidir. 8,96 nm yarıçaplı, homojen dağılımlı, nano globular parçacıklara sahip bu malzeme iyi bir EMD engeli olup aynı zamanda çok iyi bir mikroorganizma karşıtı özelliğe sahiptir.