Poliamid elyafın asit boyarmaddelerle geleneksel ve mikrodalga destekli boyanmasında reaksiyon parametrelerinin karşılaştırılması ve kinetiğinin incelenmesi
Comparison of reaction parameters and investigation of kinetics i̇n conventional and microwave-assisted dyeing of polyamide fiber with acid dyes
- Tez No: 1019716
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT TEKER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Kimya Mühendisliği, Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Chemistry, Chemical Engineering, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Boyama teknikleri, Boyama yöntemleri, Boyar maddeler, Dyeing techniques, Dyeing methods, Dyestuffs
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizikokimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Poliamid elyafların asit boyarmaddeler ile boyanması, lif yapısında bulunan amid ve terminal amino gruplarının protonlanması sonucu oluşan katyonik merkezler ile boyarmaddelerin anyonik sülfanat grupları arasındaki elektrostatik etkileşimler temelinde gerçekleşen karmaşık bir fizikokimyasal süreçtir. Bu süreç; difüzyon, adsorpsiyon ve kimyasal bağlanma mekanizmalarının birlikte rol oynadığı çok aşamalı bir yapı sergilemektedir. Geleneksel boyama yöntemlerinde, boya-lif etkileşimlerinin etkin bir şekilde gerçekleşebilmesi için yüksek sıcaklıklara (70–105 °C) ihtiyaç duyulmakta ve işlem süresi genellikle 60–90 dakika aralığında gerçekleşmektedir. Bu süreçte, boyama banyosunda homojen sıcaklık dağılımının sağlanabilmesi amacıyla sıcaklık artışı kontrollü bir şekilde, genellikle dakikada yaklaşık 1 °C olacak biçimde gerçekleştirilmektedir. Ancak geleneksel ısıtma sistemlerinde ısı transferi esas olarak iletim ve taşınım mekanizmalarına bağlı olup, yüzeyden merkeze doğru gerçekleşen bu süreç doğası gereği yavaş ve heterojendir. Bu durum, boya banyosunda ve lif yapısı içerisinde sıcaklık gradyanlarının oluşmasına neden olmakta; buna bağlı olarak boyarmaddenin lif içerisine difüzyonu düzensizleşmekte ve sonuçta“barre”veya“abraj”olarak tanımlanan renk hataları ortaya çıkabilmektedir. Ayrıca uzun işlem süreleri ve yüksek enerji tüketimi, geleneksel boyama yöntemlerinin sürdürülebilirlik açısından dezavantajlı olmasına yol açmaktadır. Mikrodalga destekli boyama teknolojisi, bu sınırlamaları ortadan kaldırma potansiyeline sahip yenilikçi bir ısıtma yaklaşımıdır. Mikrodalga enerjisi, yüksek dielektrik özelliğe sahip ortamlarda dipol rotasyonu ve iyonik iletkenlik mekanizmaları yoluyla doğrudan moleküler düzeyde enerji aktarımı sağlamaktadır. Bu sayede, klasik ısı transferi sınırlamaları ortadan kalkmakta ve sistem içerisinde hacimsel ve eş zamanlı bir ısınma gerçekleşmektedir. Mikrodalga alanı altında su molekülleri ve iyonik boyarmadde türleri elektromanyetik alanla etkileşerek çok kısa sürelerde hedef sıcaklığa ulaşmakta ve boyama banyosunda yüksek düzeyde termal homojenlik sağlanmaktadır. Bu özgün ısıtma mekanizması, yalnızca sıcaklık artışı sağlamakla kalmayıp aynı zamanda lif zincirlerinin segmental hareketliliğini artırmakta, serbest hacmi genişletmekte ve boyarmadde moleküllerinin lif içerisine difüzyonunu hızlandırmaktadır. Bunun sonucunda, boyama kinetiği önemli ölçüde değişmekte ve reaksiyon hız sabitlerinde belirgin artışlar gözlenmektedir. Mikrodalga ortamının Arrhenius parametreleri üzerindeki etkisi, yalnızca termal katkılarla açıklanamayacak düzeyde olup, olası özgül (non-termal) etkilerin varlığını da gündeme getirmektedir. Ayrıca boyarmaddelerin iyonik yapısı ve polaritesi, mikrodalga alan ile etkileşim düzeyini belirleyen kritik faktörler arasında yer almakta olup, bu etkileşimin nicel olarak ortaya konulması literatürde önemli bir araştırma alanı oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasında, poliamid 6 (PA6) kumaşların model bir asit boyarmadde olan C.I. Acid Blue 324 (Telon Blue M-2R) ile boyanmasında, geleneksel ve mikrodalga destekli yöntemler karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı; mikrodalga enerjisinin boyama kinetiği, boya-lif etkileşim mekanizmaları ve proses verimliliği üzerindeki etkilerini ortaya koymak ve bu yöntemin sürdürülebilir tekstil üretimi açısından potansiyelini değerlendirmektir. Bu kapsamda, pH, sıcaklık, boyarmadde konsantrasyonu ve boyama süresi gibi temel proses parametrelerinin renk şiddeti (K/S) ve boya alım miktarı üzerindeki etkileri sistematik olarak araştırılmıştır. Elde edilen deneysel veriler, uygun kinetik modeller kullanılarak analiz edilmiş ve her iki yöntem için reaksiyon mekanizmaları karşılaştırılmıştır. Geleneksel boyama sonuçları, maksimum renk şiddetine ulaşılabilmesi için yüksek sıcaklık (yaklaşık 95 °C) ve uzun işlem sürelerinin gerekli olduğunu göstermiştir. Boyama ortamında pH değerinin 3.0 olması durumunda, poliamid lif üzerindeki amino gruplarının maksimum düzeyde protonlanması sağlanmış ve bu da anyonik boyarmadde ile elektrostatik çekimi artırarak en yüksek K/S değerlerinin elde edilmesine olanak tanımıştır. Ayrıca, sıcaklık ve boyarmadde konsantrasyonundaki artışın boya alımını doğrusal olarak artırdığı belirlenmiş ve bu durumun difüzyon kontrollü bir mekanizmaya işaret ettiği görülmüştür. Kinetik modelleme çalışmaları sonucunda, geleneksel boyama verilerinin pseudo-ikinci derece (PSO) kinetik modeli ile yüksek uyum gösterdiği belirlenmiştir. Bu bulgu, boyama sürecinde yalnızca fiziksel difüzyonun değil, aynı zamanda kimyasal etkileşimlerin de belirleyici olduğunu ortaya koymaktadır. Arrhenius analizi sonucunda aktivasyon enerjisi 63.27 kJ/mol olarak hesaplanmış, ön-üstel (frekans) faktörü ise 7.2 × 10¹⁰ L/g·dk olarak bulunmuştur. Mikrodalga destekli boyama deneylerinde ise, 160 W mikrodalga gücü altında boyama süresinin önemli ölçüde azalarak 4–10 dakika aralığına düştüğü belirlenmiştir. Bu durum, mikrodalga enerjisinin sağladığı hızlı ve homojen ısıtmanın doğrudan bir sonucudur. Mikrodalga ortamında boyarmadde moleküllerinin lif içerisine difüzyon hızının arttığı, buna bağlı olarak daha kısa sürede daha yüksek renk verimi elde edildiği gözlemlenmiştir. Ayrıca sistemde termal gradyanların ortadan kalkması, boyama homojenliğini artırarak yüzey hatalarını minimize etmiştir. Mikrodalga destekli boyamada da optimum pH değeri 3.0 olarak belirlenmiş olup, bu durum temel boya-lif etkileşim mekanizmasının değişmediğini, ancak kinetik parametrelerin önemli ölçüde iyileştiğini göstermektedir. Kinetik analizler, bu yöntemde de PSO modelinin en uygun model olduğunu ortaya koymuştur. Bununla birlikte, Arrhenius sabitinin yaklaşık 2.5 kat artarak 18.7 × 10¹⁰ L/g·dk değerine ulaşması, mikrodalga alanının moleküler çarpışma frekansını ve etkin etkileşim olasılığını artırdığını göstermektedir. Bu sonuçlar, mikrodalgaların yalnızca ısıl değil, aynı zamanda olası özgül etkilerle de boyama kinetiğini hızlandırdığını desteklemektedir. Sürdürülebilirlik açısından değerlendirildiğinde, mikrodalga destekli boyama yönteminin önemli avantajlar sunduğu belirlenmiştir. İşlem süresinin kısalması, enerji tüketimini azaltmakta; artan boya alımı ise atık boyarmadde miktarını düşürerek çevresel yükü minimize etmektedir. Ayrıca daha düşük proses süreleri, endüstriyel ölçekte üretim verimliliğini artırma potansiyeli taşımaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, poliamid kumaşların asit boyarmaddeler ile boyanmasında mikrodalga teknolojisinin geleneksel yöntemlere kıyasla daha hızlı, daha verimli ve daha çevre dostu bir alternatif olduğunu kapsamlı deneysel ve kinetik analizlerle ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, mikrodalga destekli boyama proseslerinin tekstil endüstrisinde uygulanabilirliğini desteklemekte ve bu alandaki bilimsel bilgi birikimine önemli katkılar sunmaktadır. Gelecekte farklı lif türleri, boyarmadde sınıfları ve ölçek büyütme çalışmaları ile bu teknolojinin endüstriyel entegrasyonunun daha da geliştirilmesi mümkün olacaktır.
Özet (Çeviri)
Dyeing of polyamide fibers with acid dyes is a complex physicochemical process governed by diffusion phenomena, electrostatic interactions, and fiber–dye affinity. The dyeing mechanism primarily involves ionic interactions between the protonated amino end groups of the polyamide structure and the anionic sulfonate groups of acid dyes. In conventional dyeing systems, this process is typically carried out at elevated temperatures ranging between 70 and 105 °C, requiring prolonged dyeing times of approximately 60–90 minutes. The dye bath is gradually heated, usually at a controlled rate of about 1 °C/min, to ensure uniform heat distribution and to avoid abrupt dye uptake that may result in uneven coloration. However, this method is inherently limited by slow heat transfer from the external medium to the fiber interior, leading to thermal gradients within the dye bath. These gradients often cause irregular dye penetration and non-uniform color distribution, commonly referred to as barre or streakiness defects. In contrast, microwave-assisted dyeing represents an advanced and innovative heating technology that enables rapid, volumetric, and selective energy transfer directly to the material. Microwave radiation interacts with polar molecules through dipole rotation and ionic conduction mechanisms, allowing instantaneous internal heating of the dye bath and substrate. Unlike conventional conductive and convective heating methods, microwave energy penetrates the medium uniformly, significantly reducing thermal lag and eliminating temperature gradients. As a result, the desired dyeing temperature can be achieved within seconds, leading to enhanced process efficiency and improved dye uniformity. Microwave irradiation is considered one of the most effective contactless heating techniques due to its ability to directly couple energy with dielectric materials. The efficiency of this process depends largely on the dielectric properties of the medium, including dielectric constant and loss factor. In aqueous dyeing systems, water molecules and ionic dye species strongly interact with the microwave field, resulting in rapid energy absorption and homogeneous temperature distribution. This unique heating mechanism not only accelerates the dyeing process but also influences molecular mobility, diffusion rates, and reaction kinetics. Furthermore, microwave-assisted systems have been reported to induce both thermal and potential non-thermal effects, which can alter reaction pathways and kinetic parameters. The enhancement of dye diffusion into fibers under microwave conditions is attributed to increased segmental mobility of polymer chains and improved accessibility of dye molecules to active sites within the fiber structure. Additionally, the influence of microwave power on Arrhenius parameters suggests that the activation energy barrier and frequency factor may be affected by the electromagnetic field. The ionic nature and polarity of dye molecules also play a crucial role in their interaction with microwave energy, highlighting the importance of understanding the relationship between microwave irradiation and dye characteristics. In this study, polyamide 6 (PA6) fabrics were dyed using a model acid dye, C.I. Acid Blue 324 (Telon Blue M-2R), under both conventional and microwave-assisted dyeing conditions. The primary objective was to comparatively evaluate the effects of these two heating methods on dyeing performance, kinetic behavior, and process sustainability. A systematic investigation was conducted to examine the influence of key dyeing parameters, including pH, temperature, dye concentration, and dyeing time, on color strength (K/S values) and dye uptake efficiency. The experimental results for conventional dyeing indicated that achieving maximum color strength required high temperatures (approximately 95 °C) and relatively long dyeing times (around 30 minutes at peak temperature). The optimum dyeing condition was observed at strongly acidic pH (pH 3.0), where protonation of the polyamide amino groups was maximized, enhancing electrostatic attraction with anionic dye molecules. Dye uptake increased proportionally with both temperature and dye concentration, consistent with diffusion-controlled dyeing behavior. Kinetic modeling of the conventional dyeing process demonstrated that the pseudo-second-order (PSO) kinetic model provided the best correlation with experimental data. This finding indicates that the dyeing process is governed not only by diffusion but also by chemical interactions between dye molecules and fiber active sites. The calculated activation energy (EA) for the conventional process was 63.27 kJ/mol, while the Arrhenius pre-exponential factor (A) was determined as 7.2 × 10¹⁰ L/g·min, reflecting the temperature dependence of the dyeing rate. In microwave-assisted dyeing, significant improvements in process efficiency were observed. At a microwave power of 160 W, the dyeing time was drastically reduced to 4–10 minutes while achieving comparable or superior color strength values. The rapid and uniform heating provided by microwave irradiation enhanced dye diffusion into the fiber matrix and minimized thermal inconsistencies within the dye bath. Similar to conventional dyeing, the optimal pH was found to be 3.0, confirming that the fundamental dye–fiber interaction mechanism remains unchanged. Kinetic analysis of the microwave-assisted process also revealed that the PSO model best described the dyeing behavior, indicating that diffusion and chemical interactions are still the dominant mechanisms. However, a significant increase in the Arrhenius constant was observed, with the pre-exponential factor rising to 18.7 × 10¹⁰ L/g·min—approximately 2.5 times higher than that of the conventional system. This increase suggests enhanced molecular mobility and a higher frequency of effective collisions between dye molecules and fiber active sites. The results also imply the presence of possible non-thermal microwave effects that contribute to the acceleration of the dyeing process. From a sustainability perspective, microwave-assisted dyeing demonstrated considerable advantages over conventional methods. The substantial reduction in processing time directly translates to lower energy consumption and increased production efficiency. Additionally, improved dye uptake reduces dye waste in the effluent, thereby minimizing environmental impact. The elimination of prolonged heating cycles also contributes to reduced carbon emissions and operational costs. Overall, this study provides a comprehensive comparative analysis of conventional and microwave-assisted dyeing of polyamide fabrics with acid dyes. The findings clearly demonstrate that microwave technology offers a highly efficient, rapid, and environmentally friendly alternative to traditional dyeing methods. By enhancing dyeing kinetics, improving color yield, and reducing energy consumption, microwave-assisted dyeing holds significant potential for industrial-scale applications in sustainable textile processing. The results of this research contribute to a deeper understanding of microwave–material interactions in textile dyeing systems and highlight the importance of optimizing process parameters to fully exploit the benefits of this emerging technology. Future studies focusing on different fiber types, dye classes, and scale-up considerations will further advance the practical implementation of microwave-assisted dyeing in the textile industry.
Benzer Tezler
- Angora elyafın ve karışımlarının boyanması
Dyeing of angora fibres and its blends
PINAR KOÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiMarmara ÜniversitesiTekstil Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERHAN ÖNER
- Mikrodalga ortamında polyamid elyafın asit boyarmaddelerle boyama kinetiğinin incelenmesi
Examination of kinetics of acid dyestuff polyamide fibers in microwave conditions
HATİCE ÖKER
- Development and characterization of thermal and structural properties of textile fibers
Tekstil elyafın termal ve yapısal özelliklerinin geliştirilmesi ve karakterize edilmesi
MD MAHBUBOR RAHMAN
Doktora
İngilizce
2021
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiErciyes ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KARACAN
- Poliamid (naylon) elyafı boya fiksatörü sentezi ve kullanılabilirliğinin incelenmesi
Nylon (poliamide) fabric dye fixing agent and examining the useful of it
AYTEN BAŞ
- Environmental impact and sustainability of recycling tufted carpets through selective dissolution process
Seçici çözdürme yöntemi ile tufted halıların geri dönüşümünün çevresel etkisi ve sürdürülebilirliği
ESEN ÇAKIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALE KARAKAŞ
PROF. DR. STEVEN DE MEESTER