Design and characterization of poplar fiber based nonwoven structures for sustainable textile applications
Sürdürülebilir tekstil uygulamaları kapsamında kavak lifli dokusuz yüzeylerin tasarımı ve karakterizasyonu
- Tez No: 977753
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPER GÜRARSLAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Dokunmamış kumaşlar, Doğal lifler, Karakavak, Oyuk elyaf, Non woven fabrics, Natural fiber, Balck poplar, Hollow fiber
- Yıl: 2025
- 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: Belirtilmemiş.
Özet
Son yıllarda küresel tekstil endüstrisi, sürdürülebilirlik ve çevre dostu üretim uygulamaları yönünde önemli bir dönüşüm geçirmektedir. Bu dönüşümün merkezinde, geleneksel sentetik malzemelere alternatif olarak doğal liflerin benimsenmesi yer almaktadır. Yenilenebilir kaynaklardan elde edilen bu liflerin, çok çeşitli alanlarda kullanılabilen fonksiyonel dokusuz yüzeylere entegre edilmesi, önemli bir araştırma ve inovasyon konusu haline gelmiştir. Bitkisel veya hayvansal kaynaklardan elde edilen doğal lifler, biyolojik olarak parçalanabilir olmaları ve üretim süreçlerinde daha düşük çevresel etki yaratmaları gibi önemli avantajlar sunmaktadır. Endüstri daha sürdürülebilir bir geleceğe doğru ilerlerken, bu liflerin potansiyelinden yararlanmak giderek daha kritik hale gelmektedir. Bu çerçevede, doğal kaynakların verimli kullanımı, tekstil üretiminde önemli zorluklar olan çevre kirliliği ve su tüketiminin azaltılması açısından büyük önem taşımaktadır. Artan bu farkındalık, araştırmacıları alternatif hammadde kaynaklarını incelemeye ve bu hammaddelerin tekstil endüstrisine entegrasyonunu destekleyecek üretim teknikleri geliştirmeye yöneltmiştir. Bu bağlamda, Kuzey Yarımküre'de yaygın olarak yetiştirilen ağaçlardan elde edilen kavak lifleri, bu çalışmada alternatif bir doğal lif kaynağı olarak seçilmiştir. Bu tezin temel amacı, halihazırda ticari tekstil uygulamalarında kumaş formunda kullanılmayan kavak liflerini, fonksiyonel ve katöa değeri yüksek dokusuz kumaşlara dönüştürmektir. Bu dönüşüm, iğneleme, ıslak serme (wet-laying) ve biyokompozit üretimi olmak üzere üç farklı üretim tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Gözenekli yapıları ve doğal hidrofobik, antibakteriyel ve biyobozunur özellikleri sayesinde kavak lifleri, ileri tekstil uygulamaları için önemli bir potansiyele sahiptir. Bu özellikler, tekstil yüzeyinin eldesi ve karakterizasyonu bağlamında ilk kez bu tezde ele alınmaktadır. Bu tez, araştırma kapsamının bütünlüğünü koruyacak şekilde özenle düzenlenmiş dört bölümden oluşmaktadır. Her bir deneysel bölüm, sürdürülebilir tekstil malzemeleri alanındaki mevcut literatüre özgün katkılar sunmakta ve yeni bakış açıları kazandırmaktadır. Bölümlerin içeriğinde, kavak liflerinin fonksiyonel dokusuz yüzey yapılarına dönüştürülmesine ilişkin temel bulgular ayrıntılı biçimde ele alınmaktadır. Birinci bölüm olan giriş kısmında, kavak liflerinin kısa uzunlukları (~4 mm), içi boş lümen morfolojisi, hidrofobik yüzeyleri ve doğal antibakteriyel aktiviteleri gibi benzersiz fizikokimyasal özelliklerine dair kapsamlı bir literatür değerlendirmesi sunulmuştur. Ayrıca, dokusuz kumaşların temel tanımı, üretim yöntemleri ve bu yapıların sürdürülebilirlik alanındaki önemleri de açıklanmıştır. Literatür taraması, özellikle değerlendirilmemiş atıkların (kavak lifi) yüksek performanslı tekstil ürünlerine dönüştürülmesinin çevresel ve endüstriyel önemini vurgulamaktadır. İkinci bölümde, üretim yöntemi olarak iğneleme tekniği kullanılmıştır. Ancak kavak liflerinin kısa olması (minimum 30 mm uzunluk gerektiren taraklama (carding) işlemi için uygun olmaması) nedeniyle, bu lifler farklı oranlarda (ağırlıkça %30 ve %60 kavak) 64 mm uzunluğunda içi boş polyester (PET) liflerle karıştırılmıştır. Elde edilen karışım dokusuz yüzey kumaşlar; fiziksel, morfolojik, mekanik, termal, akustik ve geçirgenlik özellikleri açısından ayrıntılı olarak karakterize edilmiştir. Kavak lifi içeriği arttıkça, lifler arası kohezyonun azalması nedeniyle çekme mukavemeti azalmıştır. Saf PET kumaşın 1.78 MPa olan çekme dayanımı, kavak lifi ile %60 oranında karıştırılarak elde edilen PET-PO60 karışım kumaşında 0.58 MPa'ya düşmüştür. Ancak, ısı yalıtımı (maksimum 0.1209 K·m²/W) ve ses emilimi (SAC = 0.78) değerleri PET-PO60 karışım kumaşında önemli ölçüde artmış, bu da bu yapıların bina veya otomotiv sektörlerinde yalıtım ve konfor uygulamaları için oldukça uygun olduğunu göstermiştir. Yüksek kavak lifi içeriği, malzemenin kalınlığını ve gramajını arttırırken, yoğunluk ve hava geçirgenliğinde azalmaya neden olmuştur. Bununla birlikte, su buharı geçirgenliği ve genel konfor özellikleri büyük ölçüde korunmuştur. Üçüncü bölümde, yenilikçi bir biyokompozit üretim yöntemi tanıtılmıştır. Bu yöntemde, kavak lifleri ile PLA (polilaktik asit) lifleri, yaş serme tekniği kullanılarak birleştirilmiş ve ardından sıcak presleme ile çok katmanlı yapılar elde edilmiştir. Bu yöntem, iğneleme yöntemine kıyasla daha yüksek (%80'e kadar) kavak lifi oranının kullanımına olanak tanımış ve daha sürdürülebilir bir üretim yaklaşımı sunmuştur. Elde edilen biyokompozitler; mekanik (çekme, eğilme, darbe), termal, akustik ve hidrofobik performans açısından değerlendirilmiştir. Çok katmanlı yapı, çekme mukavemetinde önemli bir artış (tek katmanlı WL1 örneğinde 1.5 GPa olan değer, beş katmanlı WL5 örneğinde 5.1 GPa'a yükselmiştir) ve eğilme özelliklerinde iyileşme sağlamıştır. Bu değerler, otomotiv bileşenleri için gerekli standartları karşılamaktadır. Ancak katman sayısındaki artış, muhtemelen arayüz kırılganlığından kaynaklanan darbe dayanımında bir azalmaya neden olmuştur. WL5 numunesi, 0.028 W/m·K değeri ile en düşük termal iletkenlik değerine ulaşmış ve ses yutum performansı iyileşmiştir; bu da bu yapıların yalıtım uygulamaları için uygunluğunu kanıtlamıştır. Tüm numuneler, ~130°'lik su temas açısıyla yüksek hidrofobiklik sergilemiş ve bu da özellikle otomotiv iç mekanlarında gibi nemli ortamlarda malzeme mukavemetini desteklemiştir. Son deneysel bölümde, yaş serim yöntemi ile %100 kavak liflerinden elde edilen dokusuz kumaşların, atıksu arıtma uygulamalarında kullanımı araştırılmıştır. Ham kavak liflerinin hidrofobik yapısı nedeniyle, bu liflere sodyum hidroksit (NaOH) ile alkali yüzey modifikasyonu uygulanarak hidrofilik hale getirilmiş, böylece katyonik boyaların (metilen mavisi) ve ağır metal iyonlarının (bakır (Cu⁺²) ve kurşun (Pb⁺²)) adsorpsiyonu sağlanmıştır. Ön işlem sonrasında elde edilen dokusuz yüzey kumaşlar karakterize edilmiş ve adsorpsiyon performansları değerlendirilmiştir. Sonuçlar, metilen mavisi boyasının yaklaşık %72'sinin, Cu(II) iyonlarının %97'sinin ve Pb(II) iyonlarının yaklaşık %100'ünün uzaklaştırıldığını göstermiştir. Optimum adsorpsiyon koşulları, pH 6 ve 120 dakikalık temas süresi olarak belirlenmiştir. Bu bulgular, kimyasal olarak modifiye edilmiş kavak liflerinin, özellikle tekstil atık sularının arıtımında kullanılabilecek, düşük maliyetli ve biyolojik olarak parçalanabilir adsorbanlar olarak büyük potansiyele sahip olduğunu ortaya koymuştur. Bu tez kapsamında elde edilen bulgular, daha önce kumaş formunda tekstil uygulamalarında kullanılmamış olan kavak liflerinin, fonksiyonel dokusuz yüzey yapılarında başarılı bir şekilde entegre edilebileceğini doğrulamaktadır. Bu liflerin; ısı ve ses yalıtımı ile emilim gibi kullanım alanlarında sergilediği performans, onların çok yönlü kullanılabilirliğini kanıtlamaktadır. Özellikle, bu tez çalışması kavak liflerinin fonksiyonel dokusuz yüzey uygulamalarında kullanılabilirliğini kapsamlı biçimde ortaya koyan ilk çalışmadır. Elde edilen kumaşlar, inşaat, otomotiv, medikal ve çevre mühendisliği gibi birçok sektör için pratik ve ölçeklenebilir çözümler sunarken, aynı zamanda biyobazlı tekstil teknolojilerinin gelişimine de önemli katkılar sağlamaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması, başlıca şu noktaları ön plana çıkarmaktadır: -Kavak liflerinin çok yönlü işlevselliği (antibakteriyel, hidrofobik, ısı yalıtımı, ses emilimi) -Kavak liflerinin sürdürülebilir üretim teknikleriyle (iğneleme, yaş serim, biyokompozit üretimi) uyumluluğu -Yüzey modifikasyonları veya farklı liflerle karıştırma yoluyla malzeme özelliklerinin özelleştirilebilirliği Elde edilen bulgular doğrultusunda, bu çalışma doğal liflerin kullanımı konusunda akademik bilgi birikimini zenginleştirmenin yanı sıra, çevre dostu tekstil malzemelerinin pratikte geliştirilmesine katkıda bulunarak sürdürülebilir dokusuz yüzey teknolojilerinin kapsamını genişletmektedir.
Özet (Çeviri)
In recent years, the global textile industry has experienced a significant shift toward sustainability and environmentally responsible practices. Central to this transformation is the growing preference for natural fibers as an alternative to conventional synthetic materials. The integration of these renewable fibers into functional nonwovens that serve a wide range of applications has emerged as a prominent area of research and innovation. Natural fibers derived from plant or animal sources offer significant advantages, including biodegradability and a lower environmental footprint during production. As the industry progresses toward a more sustainable future, exploiting the potential of such fibers becomes increasingly critical. Within this framework, the efficient use of natural resources is crucial to minimize pollution and water consumption, which are significant concerns in textile production. This growing awareness has led researchers to investigate alternative raw materials and develop processing techniques that support their integration into the textile industry. In this context, poplar seed fibers, harvested from trees commonyl grown in the Northern Hemisphere, have been selected for this study as promising, underutilized alternatives. The goal of this doctoral study is to transform poplar fibers, a natural material with no prior application in fabric form in commercial textiles, into functional, high value-added nonwoven textiles. This transformation is achieved using three different fabrication techniques: needle punching, wet-laying and bio-composite production. Due to their porous structure and inherent hydrophobic, antibacterial and sustainable characteristics, poplar fibers present significant potential for advanced textile applications. These properties are being explored for the first time within the context of textile research. This thesis study consists of four chapters, carefully organized to maintain the coherence and integrity of the research scope. Each experimantal chapter presents original contributions and offers new insights that enrich the existing literature in the field of sustainable textile materials. Throughout the chapters, key findings related to the conversion of poplar fibers into functional nonwoven structures are explored in detail. The first introductory chapter provides a comprehensive literature review of the distinct physicochemical properties of poplar fibers, including their short length (~4mm), hollow morphology, hydrophobic surface and inherent antibacterial activity. The chapter also introduces the fundamentals of nonwoven textiles, their production methods and their importance in the context of sustainable development. The literature review highlights the environmental importance and industrial potential of converting agricultural waste (especially underutilized natural fibers, into high-performance textile products. In the second chapter, the needle-punching method was employed as the production method. Owing to their short length, poplar fibers were combined with longer hollow polyester fibers (64 mm) in weight ratios of 30% and 60% to facilitate carding. The blended nonwoven fabrics were extensively characterized to evaluate their physical, morphological, mechanical, thermal, acoustic and permeability properties. The results revealed a decrease in tensile strength due to reduced fiber cohesion as poplar content increased (from 1.78 MPa for pure PET to 0.58 MPa for PET-PO60). However, there were significant improvements in thermal insulation (maximum 0.1209 K·m²/W) and acoustic absorption (SAC=0.78 for PET-PO60), indicating that these fabrics are strongly suitable for building or automotive insulation and comfort applications. Higher poplar content also resulted in increased thickness and basis weight, lower density and air permeability, while properties related to water vapor permeability and general comfort features were largely maintained. The third chapter introduces an innovative bio-composite production strategy, in which poplar fibers were combined with PLA (polylactic acid) fibers using the wet-laying technique, followed by hot-pressing to form multilayer structures. This method allowed for poplar fiber content of up to 80%, offering a more sustainable alternative compared to the needle punching. The fabricated composites were subjected to mechanical (tensile, flexural, impact), thermal, acoustic and hydrophobic performance analyses. Results indicated that the multilayer structure singificantly improved the tensile strength (from 1.5 GPa in single-layer (WL1) to 5.1 GPa in five-layer (WL5) sample) and flexural properties, meeting the standards required for automotive dashboard components. However, increased layering was associated with a decrease in impact resistance, likely due to interfacial brittleness. Importantly, the lowest thermal conductivity was achieved in WL5 (0.028 W/m·K) and sound absorption performance was improved, confirming the potential of the composites in insulation applications. All samples exhibited strong hydrophobicity with an average water contact angle of ~130°, supporting their durability in humid environments, such as automotive interiors. The final experimental chapter examines the use of 100% poplar fiber nonwovens, produced by wet-laid method, in wastewater treatment applications. Due to the hydrophobicity of raw poplar fibers, a surface modification process involving alkaline pretreatment with sodium hydroxide (NaOH) was employed to make the fibers hydrophilic, thus facilitating the adsorption of cationic dyes such as methylene blue (MB) and heavy metal ions including Cu+2 and Pb+2. Following this treatment, the wet-laid nonwoven fabrics were characterized and evaluated for their adsorption performace. Results revealed high removal efficiencies with 72% of methylene blue, 97% of Cu(II) and 100% of Pb(II) ions being successfully eliminated from aqueous solutions. Optimal adsorption was achieved at pH 6 with a 2 hours contact time. These findings highlight the potential of chemically modified poplar fibers as low-cost and biodegradable adsorbents for use in industrial wastewater treatment, especially in textile effluent management. The findings of this thesis confirm that poplar fibers, which have not previously been used in textile applications in fabric form, can be successfully integrated into functional nonwoven structures suitable for a variety of industrial fields, including construction, automotive and wastewater treatment. Their proven capabilities in thermal and acoustic insulation as well as absorption highlight their multifunctional potential. Significantly, this research represents the first comprehensive demonstration of the feasibility of using poplar fibers in functional nonwoven fabric applications. Resulting materials offer practical and scalable solutions for many industries, including construction, automotive, medical and environmental engineering. Besides, they significantly contribute to the advancement of biobased textile technologies. The research highlights: -The functional versatility of poplar fibers (antibacterial, hydrophobic, thermal insulating, sound-absorbing) -The compatibility of poplar with sustainable production techniques (needle-punching, wet-laid, bio-composite fabrication) -The ability to customize material properties through fiber blending and surface treatments In conclusion, this thesis broadens the horizons of sustainable nonwoven fabric technologies by contributing not only to the academic understanding of natural fiber utilization but also to the practical advancement of eco-innovative textile materials.
Benzer Tezler
- Tekstil endüstrisi boyama atıksularının karakterizasyonu ve biyolojik arıtılabilirliği
Characterization and biological treatability of textile dyeing wastewaters
BERNA YAPRAKLI
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FATOŞ GERMİRLİ BABUNA
- Jüt lifi takviyeli polipropilen kompozitlerde maleopimarik asidin uyumlaştırıcı etkisi
The effect of maleopimaric acid as a compatibilizer on jute fiber reinforced polypropylene composites
MESUT TOZAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Mechanical behavior of additively manufactured polymer composite structures and interfaces
Eklemeli imalat ile üretilen polimer kompozit yapıların ve arayüzeylerin mekanik özellikleri
MEHMET KEPENEKCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEZER ÖZERİNÇ
- Development of pedot: PSS based thermoelectric textiles
Pedot: PSS bazlı termoelektrik tekstillerin geliştirilmesi
BAHAR ŞÖLEN AKDEMİR
Doktora
İngilizce
2025
Mühendislik BilimleriGebze Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. AHMET YAVUZ ORAL
DOÇ. DR. NURAY KIZILDAĞ