Yün fiberlerin mekanik özellikleri

Yün fiberlerin mekanik özelliklerini anlayabilmek ve yapısal değişimlerle ilişkilerini açıklayabilmek için bir çok bilim adamı tarafından yapılan çaılışmalar vardır ( Feughelman, 1959; Chapman, 1969; Feughelman ve Robinson, 1971; Crewter, 1972; Chapman, 1973; Watt, 1975; Danilatos ve Feughelman,1980; Gupta ve Rao, 1992; Wortmann ve Zahn,1994; Church vd., 1998; Monti vd., 1998; Cao, 2000; Hearle, 2000; Pielesz vd., 2000; Mamedov vd., 2002; Taddei vd., 2003). J.B. Speakman, ilk olarak yün fiberlerin mekanik özelliklerinin onların işleme performanslarında önemli bir etkiye sahip olduğu teorisinden bahsetmiştir. Özellikle gerilim-uzama eğrilerinin ölçülmesinin ve fiziksel ve kimyasal değişikliklerle onların değişimlerinin önemli olduğunu belirtmiştir (Gupta ve Rao, 1992).

Yün fiberlerin uzunlamasına (boyuna) özellikleri özellikle onun korteksin molekül yapısıyla ilgili olduğu bilinmektedir. Kaynaklarda Hook ve akma (yield) bölgesinde mekanik ilişkileri kontrol eden yapısal faktörler hakkında genel bir anlaşma varmış gibi görünmesine rağmen, ileri akma bölgesindeki mekanik ilişkileri kontrol eden faktörleri bizim de ileriki kısımlarda tartışacağımız gibi tam bir uzlaşı yoktur.

Mekanik özellikleri ve yapısal ilişkileri anlamada önemli bir katkı sağlayan diğer bir bilim adamı, Max Feughelman (2002), mekanik karakteristikleri açıklayan birkaç model önermiştir. Diğer bazı araştırmacılar (Chapman, 1969; Crewter, 1972; Duhn ve Weatherall, 1992; Gupta ve Rao, 1992; Wortmann ve Zahn, 1994;) mekanik özellikleri için 3 farklı bölgeyi kapsayan yün ve saç gibi α-keratin fiberleri için uzunlamasına yük-uzama ilişkilerini tarif etmişlerdir.

Onlara göre, bu bölgeler, %2 uzamaya kadar hook bölgesi, %2’den %25-30 uzamaya kadar akma (yield) bölgesi, ve %30 uzamanın üzerinde ise ileri akma bölgesi (post yield)’dir. Yün fiberin gerilim-uzama eğrisinin genel bir görünüşü şekil 1.25’de verilmektedir. Burada, gerilim yaklaşık %2 değerine kadar kabaca doğrusal olarak ilerlemekte ve böylece yazarlara göre bu uzama bölgesi “Hook” bölgesi ismini almaktadır. Bu bölgede, görünen elastik davranış, fiberin visko elastik bileşenini maskelediği düşünülmektedir (Feughelman ve Robinson, 1971).

Crewter’e göre (Crewter, 1972) gerilim-uzama ilişkisinin Hook bölgesi başlıca, kimyasal bağların geri dönebilen (reversible) deformasyonlarına atfedilebilir. Feughelman ise α-keratin fiberlerin Hook bölgesinde mekanik olarak sabit bir Hook yayının Young modülüne 1,4 GPa katkıda bulunarak seri bağlı bir yay ile bir amortisöre (dash pot) şekil 1.26’daki gibi paralel bağlı bir şekilde davranacağını belirtmiştir. Amortisörün viskozitesi neme bağlıdır ve molekül segmentlerin, ana zincirlerin ve iki faz modelindeki M fazının yan gruplarının mobilitesine bağlıdır. Katılık ya da sertlik ise C fazının oluşturan düzenli α-helis halatlarının uzamalarına karşı koymasıyla elde edilmektedir. Feughelman’a göre, mekanik olarak boyca uzamalar için C ve M fazları paralel olarak hareket etmektedir. Bu yüzden iki fazda eşit olarak uzarlar ve her bir fazdaki boyca kuvvetler fiber boyca uzatıldığında tüm fiber için toplanabilmektedirler.

Şekil 1.26 Yün ve diğer α-keratin fiberlerin yaklaşık 20 °C civarında Hook bölgesi mekanik davranışları için yay-amortisör modeli. Fiberin Hook modülüne katkılar A ve B yaylarından gelmektedir. A yayı iki-faz modelin C fazının mekanik davranışına karşılık gelmektedir ve

amortisörle seri bağlı B yayı ise suyun ilerleyebileceği M fazına karşılık gelmektedir (Feughelman, 2002)

%2 uzamanın üstünde, fiber akma bölgesine girmektedir. Burada gerilim uzamayla sadece çok hafifçe artmaktadır. Crewter (1972) bu akma (yield) bölgesini temelde fiberin korteksindeki mikrofibrillerdeki α-helis protein zincirlerinin açılmasını içeren bir faz değişiminden dolayı olacağını söylemektedir. Collins ve Chaikin’e göre (Crewther, 1972) bu bölgenin eğimi başlıca bir tek fiber boyunca çapının homojen olmamasından kaynaklanacağını ileri sürmektedir. Genel kanı, akma bölgesine baktığımızda, fiber çekilirken

fiberin yapısının α-durumdan uzatılmış β-durumuna bir geçişin gözleneceğidir. Bendit (Feughelman, 2002) aynı zamanda α-keratin fiberlerin Hook bölgesinin hemen üzerindeki uzamalarda açılmaya başlayarak akma bölgesinin sonuna kadar yani yaklaşık %30 civarına kadar fiberin uzatılmış β-duruma dönüştürüldüğünü göstermiştir. Feughelman, aynı zamanda akma bölgesindeki uzamalar için α-kristalitlerden uzamış β-birimlere dönüşümün hemen hemen sabit bir gerilim seviyesinde gerçekleştiğini ve α-kristalitlerden β-birimlere termodinamik olarak birinci mertebeden geçişi temsil ettiğini önermektedir.

Astbury’e göre (Cao vd., 1999), yüksek açılı x-ışınları kırınımı ölçümleri yardımıyla, akma bölgesinin α-keratin fiberi yapısının amorf bölgesindeki uzamanın sonucunda olduğu sonucuna varmıştır. Aynı zamanda, fiber ileri akma bölgesine uzatılırken, fiberin katılığı katlanmış α-helis zincir yapısından uzatılmış β-durumuna organize olmuş kristal yapısının açılmasından dolayı olacağını ileri sürmektedir.

Diğer taraftan, Cao (Cao, 2000)’nun x-ışınları kırınım analizinden akma bölgesindeki α-β geçişi hakkında tartışmalı bir nokta vardır. α-β geçişinin uzamada hemen meydana gelmediğini, fakat buharlama işlemi sürecinde bu geçişin gözlendiği sonucuna varmıştır. Bu bulgu ise α-helis /β-sayfa konfigürasyon yorumunun bu geçiş durumu olmayacağıdır. Aynı zamanda yün fiberleri yaklaşık %60 uzama derecesinden daha yüksek değerler için gerildiklerinde, X-ışınları sonuçları örnek bu durumda tutulurken dahi α-form kristalitlerine sahip olduğu fakat buhar işleminden sonra β-form kristalliğine dönüştüğünü göstermiştir. Gördüğümüz gibi, bu sonuçları karşılaştırdığımızda α-β geçişinin yorumlanması ve bu geçişin mekanizması hakkında ortak olmayan noktalar ve tutarsızlıklar vardır.

Hearle’a göre (Hearle,2000), birçok polimerde olduğu gibi akma plastik bir olay değildir, fakat %30 gibi yüksek uzamalardan komple bir elastik iyileşme vardır, sadece daha yüksek uzamalardan ise küçük bir iyileşme kaybı vardır. Aynı zamanda, Speakman (Feughelman, 2002) oda sıcaklığında akma bölgesindeki uzamalar için fiberleri yaklaşık 20 saat su içinde serbest bırakmadan sonra fiberlerin mekanik özellikleri tamamıyla iyileştiğini göstermiştir. Bizim deneysel sonuçlarımızda da göreceğimiz gibi, böyle tamamıyla iyileşme özelliği yoktur. Bu ise aynı zamanda iyileşme davranışının tartışılabilir ve tamamıyla açık olmadığını göstermektedir. Yaklaşık %20-30 uzamaların ilerisinde, ileri akma bölgesinde eğim tekrardan artmaktadır. Gerilim-uzama eğrisinin 3 bölgesi su içinde iyi bir şekilde tanımlanmaktadır. Hook, akma ve ileri akma bölgelerinin eğimleri genelde 100:1:10 şeklinde olmaktadır. Feughelman aynı zamanda fiberin ileri akma bölgesinde uzamasının oldukça keskin ve

ilerleyen bir şekilde fiberlerin orijinal mekanik özelliklerinin geri dönüşümsüzlüğünü arttırdığını ifade etmektedir. İlk defa Speakman ileri akma bölgesinde α-keratin fiberlerin mekanik davranışını disülfit bağlarıyla çapraz bağlanmayı içeren kovalent bağlı bir ağdan da kaynaklanacağını önermiştir (Feughelman, 2002).

Bunlara ilaveten, bizim daha da ileride göreceğimiz gibi, özellikle su etkisi altında yün fiberlerin gerilim-uzama eğrileriyle alakalı mekanik özellikler hakkında bir takım yorumlar vardır. Bu tür açıklamalar fiber çekilirken, fiberin mekanik davranışını anlamamıza yardımcı olacaktır.

Yün fiberlerin gerilim-uzama ile ilgili bu tür çalışmaların yanında, fiberin gerilmiş durumda zaman içinde davranışını açıklayana gerilim-relaksasyon gibi bir iki deneysel çalışmalar vardır (Feughelman ve Robinson, 1972; Gupta ve Rao, 1992). Genelde relaksasyon birçok fiziksel ve kimyasal çapraz bağlanmaların uzama süresince krılmasına ve zaman içinde onların yeniden oluşmalarına atfedilmektedir. Gupta v.d’ne göre, bağların relaksasyon zamanlarına göre, relaksasyon süreçleri düşük, orta ve uzun süreli relaksasyon süreçleri olarak düşünülür. Relaksasyonun hızı ve şiddeti sıcaklık, nem ve uzama geçmişi gibi test şartlarına bağlı olarak değiştiğini belirtmektedir.