Development of stretchable conductive fabric through different metals coating approach for e-textile applications
E-tekstil uygulamaları için farklı metal kaplama yaklaşımıyla uzayabilir iletken kumaş geliştirilmesi
- Tez No: 753276
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA KALAOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: İletken tekstiller, Akımsız kaplama, Bakır kaplama, Elektromanyetik parazit koruması, sensörler ve aktüatörler, Gerilebilir iletken kumaşlar, Akıllı tekstiller, metal kaplamalar, dokulu polyester kumaşlar, Metal kaplı, Kesitsel elyaf, Conductive textiles, Electroless plating, Copper coating, Electromagnetic interference shielding, sensors and actuators, Stretchable conductive fabrics, Smart textiles, metal coatings, textured polyester fabrics, Metal coated, Cross-sectional fiber
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 146
Özet
Bu tez çalışması kapsamında akımsız bakır kaplama yöntemi kullanılarak çeşitli iletken kumaş tiplerinin üretimi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Bu amaçla farklı elastan oranlarına sahip pamuklu süprem kumaşlar ve farklı kesitlerde tekstüre ve tekstüre olmayan polyester örme kumaşlar kullanılmıştrır. Böylece , bakır kaplamanın farklı kumaş yapıları ve farklı iplik kesitleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu yöntemle kaplanan kumaşların elektriksel iletkenlik değerleri, EMI zırhlama, yıkama ve sürtünmeye karşı dayanıklılıkları test edilip ölçülmüştür. Mevcut çalışmanın, literatürdeki diğer çalışmalarla kapsamlı bir karşılaştırması yapıldığında öne çıkan iki özgün değeri bulunmaktadır. Bunlardan birincisi; akımsız kaplamının farklı gramaj değerlerine sahip kumaş yapıları üzerindeki eletro mekaniksel etkilerinin incelenmesidir.İkinci olarak ise farklı lifli kesitlerin (yuvarlak, içi boş yuvarlak, W shape ve octolobal) bakır akımsız kaplamaya karşı etkisinin incelenmesidir. İlk olarak farklı iplik inceliği ve elastan yüzdesine sahip dokuz adet penye pamuklu örme kumaş numuneleri akımsız kaplama işlemi ile kaplanarak, kumaş ağırlığı , kalınlık ve elastan oranı gibi parametrelerin, numunelerin elektro mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Daha sonra farklı sayıdaki yıkama işlemlerinin ve aşınma gibi faktörlerin kumaş üzerine kaplanan bakır miktarına ve dolayısıyla kaplanmış numunelerin elektriksel iletkenliği ve fiziksel özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Akımsız kaplama işlemi öncesi kumaş numuneleri non-iyonik deterjanla 20°C sıcaklıkta 40 dakika süresince yıkanmıştır. Daha sonra numunelere 5g/l Tin (II) klorit ve 5 ml HCL solüsyonunda 25° Csıcaklıkta 10 dakika süresince 1 Ph değerinde sensitizasyon işlemi uygulanmıştır.Kumaş yüzeylerinin aktifleştirme işlemi ise kumaş numunelerini 10g/l gümüş nitrat ve 10 ml/l amonyum solüsyonunda 25°C sıcaklıkta 10 dakika daldırma işlemiyle gerçekleştirilmiştir. Bakır nanoparçacıkların kaplama işlemi ,kumaşların 10g/l Bakır(II) sülfat pentahidrat 45g/l potassium sodium tartrate (KNaC4H4O6•4H2O),20ml/l formaldehid (HCHO) solüsyonu ve 10g/l sodium hidroksit solüsyonunda 30 C sıcaklta 20 dakika ve 11 pH değerinde işlem görmesiyle gerçekleştirilmiştir. Araştırmada kullanılan bütün kumaş numunelerine aynı reçete ve prosesler uygulanmış ve bakır nanoparçacıklarının akımsız yöntemle kumaş yüzeylerini homojen şekilde kaplaması sağlanmıştır. Bakır kaplama işlemi sonrasında bütün örme kumaş numunelerinin yüzey morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile kaplama uygulamasından önce ve sonra incelenmiştir. SEM incelemesi sonucu kumaş yüzeyinde düzgün bir bakır birikimi olduğu gözlemlenmiştir. Metal kaplama işleminden sonra kumaş yüzeyindeki kaplanmış malzeme içeriğini belirlemek için enerji dağıtıcı spektroskopisi (SEM-EDX) yapılmıştır. İletken kumaşların 30 MHz ile 1.5 GHz frekans aralığında elektromanyetik kalkanlama özelliği analiz edilmiştir. Daha düşük kumaşa gramajına sahip olan ve elastan oranı daha düşük olan kumaş numunelerinde elektriksel iletkenlik ve metal biriktirme miktarı daha yüksek bulunmuştur. Sonuçlar, Ne=40/1 iplik numarasına sahip %5 elastanlı pamuklu örme kumaşın, Ne=40/1 iplik numarasına sahip %10 elastanlı pamuklu kumaşa ve Ne=30/1 iplik numarasına sahip %10 elastanlı pamuklu kumaşa göre daha az elektriksel direnç değeri (3.24 Ω.cm) gösterdiği bulunmuştur. Aynı numunelerin elektromanyetik kalkanlama testleri 30MHz ve 1.5GHz frekansları arasında gerçekleştirilerek elektromanyetik kalkanlama verimliliğinin düşük gramajlı kumaşlarda daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünün kapsamını, kumaşların yüzey pürüzlülüğünün akımsız kaplamaya etkisinin incelenmesi oluşturmaktadır. Bu bağlamda, numuneler, yüzey pürüzlülüğünü arttırmak için lazer ile ön işleme tabi tutulmuş, ardından pürüzlülüğün kumaş yüzeyinde bakır birikimi miktarına etkisini görmek için akımsız kaplama işlemi uygulanmıştır..Bunun için çalışmanın ilk bölümünden elde edilen en iyi elektro mekaniksel performans gösteren üç süprem örme pamuklu kumaş numunesi seçilmiştir (136, 154 ve 176 gr/m2 değerlerine sahip kumaşlar). Araştırmanın bu kısmı, bakır metalizasyon teknikleri açısından lazerle işlenmiş iletken pamuklu kumaşların üretimini ve karakterizasyonunu açıklamaktadır. Lazerle işlenmiş örme numunelerin fiziksel özellikleri kalınlık, dayanıklılık ve aşınma etkisi açısından incelenmiştir. Ayrıca, lazerle işlenmiş numunlerin yüzey topografyası, kaplama işleminden önce ve sonra bir taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak analiz edilmiştir.Yapılan bu analizler, kumaşların yüzeyinde bakır metal nanoparçacıklarının dikkat çekici şekilde düzgün bir şekilde çökeldiğini göstermiştir. Akımsız metalizasyon yönteminden sonra numunenin yüzeyindeki element bileşimini belirlemek için bir enerji dağılım spektroskopisi (SEM-EDX) analizi yapılmıştır. Çalışmanın bu kısmı, lazerle yüzeyleri işlenmiş numunelerin, işlem görmemiş kumaş numunelerine kıyasla aşınmaya karşı daha iyi direnç gösterdiğini göstermiştir. Elektronik tekstil uygulamalarında aşınma direnci anahtar özelliklerden biri olduğundan, lazerle işlenmiş numuneler bu tür uygulamalar için ideal adaylar olabilirler. Çalışmanın üçüncü bölümü, farklı kesit şekillerinde üretilmiş filamanlara sahip tekstüre işlemi uygulanmış ve tekstüre işlemi uygulanmamış polyester ipliklerle üretilen polyester kumaşların akımsız kaplama sonucu iletken hale getirilmesi ve bu parametrelerin numunelerin elektro mekaniksel özelliklerine etkisinin incelenmesini kapsamaktadır.. Bakır nanoparçacıkların tekstüre işlemi uygulanmış ve uygulanmamış numunler üzerindeki kaplama performansı, elektriksel iletkenlik değerlerinin ölçülmesi, SEM ve EDX analizi ile karakterize edilmiştir. SEM görüntüleri sonucu tüm polyester kumaşlar üzerinde ince bir filmin tek tip bakır nanoparçacık kaplamasını ortaya çıkardığı gözlemlenmiştir.Ayrıca, iletken numuneler elektriksel iletkenlik, aşınma direnci, kalınlık ve dayanıklılık açısından karşılaştırılmıştır. Yapısal çalışmalar polyester kumaş yapısının kristal yüzeyinin akımsız metalizasyondan etkilenmediğini göstermiştir. İletkenlik çalışmaları, tekstüre işlemi uygulanmış polyester ipliklerle örülen kumaşlarda (en düşük direnç 2.18 Ω.cm) ve tekstüre işlemi uygulanmayan polyester ipliklerle örülmüş kumaşlarda ( en düşük direnç 76.39 Ω.cm) değerleri, polyester kumaşların iyi elektriksel iletkenliğe sahip olduğunu göstermiştir. Tekstüre işlemi sonucunda polyester iplikler daha hacimli ( lifleri birbirine dolaştırılarak daha pürüzlü) bir iplik yapısı oluşturdukları için bu ipliklerle örülmüş kumaşların yüzeyleri de tekstüre olmayan polyester ipliklerle örülen kumaşlara göre daha pürüzlü kumaş yüzeyleri oluşturmaktadır. Bunun sonucu olarak, bakır nanoparçacıklar kaplama işlemi sırasında tekstüre kumaşların pürüzlü yüzeylerinde daha fazla birikerek bu kumaşların elektriksel iletkenliğini artırmaktadır ( dolayısıyla elektriksel direnç değerleri düşmektedir)..Elde edilen iletken tekstüreli ve tekstüresiz polyester kumaşların yıkama ve sürtünme haslıklarına karşı dayanıklılıkları incelendiğinde, tekstüre polyester kumaşların 250 aşınma döngüsünden sonra bile elektriksel iletkenlik seviyelerini koruduğu bulunmuştur.. Ayrıca, bakır kaplamının ve elektriksel iletkenliğin liflerin farklı morfolojik yapılarına karşı etkisini incelemek için farklı kesitlere ( içi boş yuvarlak, yuvarlak, oktolobal, w-şekil) sahip tekstüre ve tekstüre olmayan ipliklerle örülmüş kumaşların bakır kaplama işleminden sonra elektriksel direnç ölçümleri de yapılmıştır. Elektriksel direnç değerlerinin, içi boş yuvarlak kaplanmış lifler (tekstüreli veya tekstüresiz) için en düşük olduğu bulunmuştur. W kesitli lifler, tümüne kıyasla daha az miktarda metal biriktirme ve dolayısıyla daha yüksek elektriksel direnç değerleri göstermiştir. SEM analizleri sonucunda içi boş yuvarlak liflerin kesit şeklinin özellikle tekstüre işleminden sonra yassılaştığı, bu formuyla liflerin üzerinde daha fazla bakır parçacıklarının birikmesine neden olduğu sonucuna varılmıştır. W kesitli liflerde ise lif kesitindeki düzensiz şekil nedeniyle daha az metal birikmesi oluşmuş ve dolayısyla elektriksel iletkenlik değerleri diğer kesitlere sahip ipliklerle örülen kumaşlardan en düşük (elektriksel direnç değerleri en yüksek ) elde edilmiştir. Bu gruptaki kumaşların elektromanyetik kalkanlama verimlilik sonuçları incelendiğinde en iyi değerin 600MHz ve 1500MHz frekansları arasında 73 dB ile içi boş yuvarlak tekstüre ipliklerle örülmüş kumaşların gösterdiği sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak e-tekstil uygulamalarında kullanılabilecek elektriksel iletkenlik değerlerine sahip olan iletken kumaşlar akımsız metalizasyon yöntemi ile geliştirilmiş ve bakır nanoparçacıklarla farklı yüzey özelliklerine ve esneklik değerlerine ( uzama değerlerine ) sahip kumaşlar homojen şekilde kaplanmıştır. Elde edilen elektriksel iletken kumaşların aşınmaya karşı dayanıklılıklarının yüksek olması elektronik tekstil uygulamalarında önemli bir avantaj olarak ortaya çıkmaktadır.
Özet (Çeviri)
This study aims to manufacture and characterize various types of conductive (cotton knitted and polyester knitted) fabrics. The fabrics were prepared through the electro-less copper metal coating approach. The effect of copper electroleess plating on different types of fabric structures and on different crossections of yarns was also observed. The main response of prepared fabric was electrical conductivity, EMI shielding and their durability against washing and rubbing. The current research activity has multiple benefits considering extensive comparison with other studies. Previously electroless plating has been performed by different salts and reducing agents' combinations over different fibres. However, there were no study available to metallize the fabric structures having different GSM and different cross section of fibres. Secondly, we have also studied the effect of different fibrous cross-section (round, hollow round, W shape and octolobel) against copper electroless plating. At first, nine-combed cotton knitted fabric samples with different yarn fineness and elastane percentage were selected in order to see effect of these parameters on electrical conductivity and physical properties of samples such as an increase in weight and thickness, impact of washing cycles and abrasion resistance on the electrical conductivity of the fabric sample. The surface morphology of all the knitted cotton fabric samples were also explored before and after the coating method via scanning electron microscope (SEM) and it showed a remarkably uniform deposition of copper on the fabric surface. the energy dispersive spectroscopy (SEM-EDX) was performed to determine the coated material content on the surface of the fabric after the metal coating process. The utility of conductive fabrics was analyzed for electromagnetic shielding ability over frequency range of 30 MHz to 1.5 GHz. The electrical conductivity and amount of metal deposition was found to be higher for the fabric samples having less GSM and higher cotton percentages in their structures. The results revealed that knitted cotton fabric of 5% elastane with the finer yarn count (Ne=40/1) showed lowest resistivity (3.24 Ω.cm) as compared to the other knitted cotton fabric of 10% elastane with a finer count (Ne=40/1) or 5% elastane with coarser (Ne=30/1). The increase in elastane content into fabric structure also influences the fabric stretchability. The objectives of second part of the study were, to carry out research with the best performing three samples obtained from the first part of the study and three single jersey knitted cotton fabric samples were selected. The selected fabric samples with GSM (136, 154 and 176 GSM) out of nine fabric samples were used in this part. These fabric samples provided the lowest value of electrical resistivity coupled with high EMI shielding and more contents of metal particles. Thereafter, the selected samples were pre-treated with laser to enhance the surface roughness, then electroless plating was performed in order to see the impact of roughness on copper deposition. This section of the research work addresses the development and characterization of conductive cotton fabrics treated with lasers in context of copper (Cu) metallization methodologies. The abrasion resistance, thickness, and durability of the laser-treated knitted cotton fabric samples were investigated. Additionally, samples exhibited exceptionally consistent deposition of Cu nanoparticles on the surface of cotton fabric when the surface morphology of the laser-treated surfaces was examined by employing the scanning electron microscope (SEM) both before and after the coating procedure. To assess the elemental analysis on the surface of the treated samples following the electroless metallization process, an energy dispersing spectroscopy (SEM-EDX) examination was performed. This section of the study indicated that fabric samples that had been laser-treated outperformed untreated fabric samples in terms of wear resistance. Abrasion resistance being one of the significant features in electric textile applications, laser-treated samples might thereby be the best options. The third part of the study was the development and characterization of conductive textured and non-textured polyester fabrics with different cross-sections. The electroless copper plating method was selected to impart conductivity on fabric structures. The deposition of copper nanoparticles on textured and non-textured polyester fabrics was characterized by electrical conductivity, electron scanning microscopy (SEM), microscopic morphology, and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). SEM images revealed a uniform copper nanoparticle coating of a thin film on textured and non-textured polyester fabrics. The properties of conductive textured polyester fabrics were compared in terms of electrical conductivity, wear resistance, thickness and durability with non-textured conductive polyester fabrics. Structural studies showed that the crystalline surface of the textured and non-textured polyester fabric structure is not affected by electroless metallization. Conductivity studies have shown that textured (lowest resistivity 2.18 Ω.cm) and non-textured (lowest resistivity 76.39 Ω.cm) polyester fabrics have good electrical conductivity. When the durability of conductive textured and non-textured polyester fabrics was examined against washing and rubbing fastness, the textured polyester fabrics showed good retention of copper nanoparticles by maintaining their electrical conductivity level after 250 abrasion cycles. Furthermore, resistivity analysis was also carried to study the effect of copper metallization and conductivity against different morphological structures of fibres. It was observed that there are lower values of electrical resistivity for each coated sample. The resistivity was found to be lowest for hollow round coated fibres (either textured or non-textured). The behaviour of metal deposition for hollow round fibers and electrical conductivity was further justified from the SEM analysis. The W shape fibers showed less amount of metal deposition and higher electrical resistivity values as compared to all. The final applications of developed copper plated fabrics are in the field of smart textiles, sensors, stretchable actuators, EMI shielded panels and stretchable electrodes.
Benzer Tezler
- Enerji depolamada yenilikçi karbon yapılı esnek yüzeylerin üretimi ve analizi
Production and analysis of novel carbon structured flexible surfaces for energy storage applications
ESRA ŞERİFE KILIÇ
Doktora
Türkçe
2024
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DEMİR
- Development of stretchable conductive hybrid yarn for e-textiles soft sensors applications
Gerilebilir iletken hibrit iplik geliştirilmesi e-tekstil yumuşak sensör uygulamaları için
IBRAHIM ADEL KHAMIS AHMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ATALAY
- Designing and manufacturing superamphiphobic flexible sensors
Süperamfifobik esnek sensör tasarlanması ve üretilmesi
FATMA SAİME ERDÖNMEZ
Doktora
İngilizce
2023
Polimer Bilim ve TeknolojisiBursa Teknik ÜniversitesiPolimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BEDELOĞLU
- Development of textile based temperature sensor for wearable electronics
Giyilebilir elektronikler için tekstil tabanlı sıcaklık sensörü geliştirilmesi
BURCU ARMAN KUZUBAŞOĞLU
Doktora
İngilizce
2021
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SENEM KURŞUN BAHADIR
- Flexible printed electronics for touch and strain feedback
Temas ve gerilim geri bildirimine sahip elastik baskılanmış elektronik devreler
HUSSAIN KAWSAR CHOWDHURY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATİH İNCİ