Yün fiberlerinin mekanik özelliklerine su ve sıcaklığın etkileri

Yün fiberlerin mekanik özellikleri onların kullanıldığı şartlardan etkilenmektedir. Özellikle su ya da farklı bağıl nem ve farklı sıcaklıklar bu özellikleri maruz bırakılma süresine bağlı olarak

değiştirecektir. Suyun olması durumunda, yapıdaki moleküller su molekülleri ile etkileşerek sonuçta molekül yönelimini bozarak ya da hidrojen bağları gibi bazı bağları kırarak ve ya yeniden oluşturarak yapıyı zayıflatır.

Bilindiği gibi protein fiberleri ana zincirlerinde amit gruplarına sahiptir ve bunlara su molekülleri hidrojen bağı yaparak bağlanabilir ve aynı zamanda yan zincirlerinde diğer suyu çeken –OH, −NH , -COO, -CO₃+ ⋅NH2 sahiptirler. Kimyasal yapılarından yün fiberlerin

hidrofillik (polar) R gruplarına sahip serin, tiroin, tirozin, glutamin,ve aspargin gibi amino asitlere sahiptirler. Bu gruplardan dolayı, fiber su ile etkileşir ve yeni hidrojen bağları yapabilir bunun sonucunda yapının kararlılığını ve diğer mekanik özelliklerini değiştirir. Su moleküllerin ilk etkisi özellikle amorf bölgedeki (matris) moleküllerle olacağı düşünülebilir, çünkü fiber molekülleri kristal bölgelerde daha düzenli olarak paketlenmişlerdir. Aktif gruplar keratinde hidrojen bağlanması gibi moleküller arasında bağlantılar oluşturabilirler. Bunun için, kristalin bölgelere doğru su moleküllerinin ilerlemesi kolay değildir ve yutulmanın olması için çapraz bağların ve ya hidrojen bağlarının kırılması ve bazı aktif birimler serbest olmalıdır. Yün fiberlerinin çekme ve zamana bağlı özelliklerine nem ve suyun etkileriyle ilgili bazı çalışmalar vardır.

Bunlardan birinde, Chapman (Morton ve Hearle, 1997) yün fiberlerinin gerilim-uzama eğrilerine bağıl nemin etkisini incelemiştir. Farklı bağıl nem değerlerinde gerilim-uzama eğrileri şekil 1.46’da verilmektedir. Önemli etki, akma noktasının yükselmesi olarak göze çarpmaktadır.

Şekil 1.42 Yün fiberlerinin gerilim-uzama eğrilerine bağıl nemin etkisi (Morton ve Hearle, 1997)

Feughelman (1962) sabit bağıl nem değerinde %15 uzatılmış yün fiberin kuvvet- zaman ilişkisini oda sıcaklığında incelemiştir. Yazara göre, yutulma ve desorpsiyon çevrimi süresince, bu şartlardan %0 B.N değerine kurutulan ve aynı bağıl nem değeri atmosferine

maruz bırakmada, fiberin üstündeki kuvvet, fiber bu çevrimi yapmadığı durumdakinden daha aşağı düşmektedir. Yutma veya desorpsiyon veya her ikisi süresince, kuvvetin azalması, yaklaşık %80 B.N değerlerinin altında keratin-su sistemi geçici olarak daha hareketli olmaktadır. Yapının bu geçici mobilitesi uzatılmış fiberle denge durumunda bağların yeniden oluşmasına izin vererek sonuçta fiberden dolayı kuvvetin azalmasına neden olmaktadır. Bunun yanında, Corriedale yün fiberleri için gerilim-relaksasyon Hook bölgesindeki uzama değeri %0,8’de su içinde ve 0-90 °C sıcaklık aralığında sabit sıcaklıklarda 64 dk. yapılmıştır (Feughelman ve Robinson, 1969). Yazarlara göre, sabit bir zamanda sıcaklık 1’den 40 °C’ye arttığında gerilim-relaksasyonu azalmaktadır ve hatta 50-60 °C’da çok küçüktür. T=50 °C’den sonra, bu son gerilim düşmesinin büyüklüğü sıcaklıklar artarken ani şekilde artar. Tuz bağlantılarından dolayı gerilim sıcaklıkla ya da zamanla 60 °C’ye kadar anlamlı bir şekilde değişmemektedir. Ancak, 60 °C üstünde ve uzun zaman sonra, sülfihidril (-SH-) – disülfit değiş tokuşu olabilecektir. Aynı zamanda su içinde bir fiberin young modülünü hesaplamışlardır. Bunun %10 dk-1 çekme hızında, 10 °C’de 1,85. 1010 _dyn/cm2 _{değerinden 40}

°C’de ise 1,52.1010 _dyn/cm2 _{değerine değiştiği belirtilmiştir. Aynı zamanda su içindeki bir}

fiberin Young modülünün 2 bileşenden, mikrofibrilllerden dolayı olan Yc ile matristen dolayı

olan YM’den oluştuğunu önererek aşağıdaki gibi toplam şeklinde ifade etmişlerdir:

YF=YC+YM (1.5)

Başka bir çalışmada (Feughelman ve Robinson, 1971), 20 °C’de bütün nem miktarları için Hook bölgesinde %1’lik uzamalara kadar yün fiberlerin mekanik davranışının lineer viskoelastik olduğu rapor edilmiştir. Orijinal 2 faz matris-mikrofibril modelinde matrisi zayıflattığı önerilen suyun etkisi artık matrisin molekül yapısının segment mobilitelerini arttırdığı düşünülmektedir. Nemin fiber içindeki etkisi aynı zamanda segment hareketlerin hızını arttıran plastikleştirici etkisidir. Yazarlara göre 20 °C’de bütün bağıl nem değerlerinde fiberin mekanik etkisi yerine Young modülüne 1,4. 1010 dyn/cm2 katkıda bulunan ve neme bağlı karakteristiğe sahip viskoz bir amortisör ile paralel bağlı bir yayın etkisi düşünülebilir. Farklı bağıl nem değerlerinin ve suyun yün fiberlerinin mekanik özelliklerine etkilerine ilaveten, farklı sıcaklıklar ve ya ısı işlemlerinin de mekanik özelliklerini etkileyeceği bilinmektedir. Bir çok çalışma (Haly ve Snaith, 1970; Leveque ve Garson, 1974; Watt, 1975; Gupta ve Rao, 1992; Cao v.d, 1997; Morton ve Hearle, 1997; Lyman v.d, 2001; Feughelman, 2002) α-keratin fiberlerin yapısal değişimlerine ve zamana bağlı karakteristiklerine ısı etkilerini anlamaya adanmıştır.

Chapman (Morton ve Hearle, 1997) şekil 1.43’de görüldüğü gibi, yün fiberlerinin ve önceden su içinde tutulan yün fiberlerinin gerilim-uzama eğrilerine farklı sıcaklıkların etkisini incelemiştir. Mazingue ve Overbeke (Watt, 1975) su buharının olmadığı durumda 160 °C sıcaklık değerlerine kadar ısıtmanın yavaş bir yıpranmaya neden olacağını söylemişlerdir. Watt bu sıcaklık değerinden daha yukarı değerlere hatta kısa zaman için dahi ısıtmanın örneğin kütle kaybından da gördüğü gibi sürekli bir hasara neden olduğunu göstermiştir. Aynı zamanda, 100-150 °C aralığında ısı işlemi görmüş yün fiberlerin ısı, çekme ve nem ilişkilerini incelemiştir. Daha yüksek sıcaklık değerlerinin fiberin deformasyonuna karşı koyan daha karalı molekül düzenlemeleri getirmekle beraber fiberin zayıflamasını sağlayan yıpranmaya da neden olduğunu göstermişlerdir. Merinos, Chokla, Lincoln yün fiberlerin su içinde 2–50 °C aralığında %1, %20, %40 ilk uzama değerlerinde gerilim relaksasyon deneyleri yapılmıştır (Gupta ve Rao, 1992). %20 değerinde, akma bölgesindeki gerilim- relaksasyonu için gerilim relaksasyon derecesi yüksektir ve artan sıcaklıkla artmaktadır. 50 °C’ye kadar bu uzama seviyesinde hidrojen bağları ve tuz köprüleri kırılabileceği ve yeniden oluşabileceği ve böylece yapısal birimlerin tekrardan gruplanması için bir mekanizma sağlayacağı belirtilmektedir. 50 °C üzerinde kimyasal çapraz bağların kırılması ve yeniden oluşumu gerilim relaksasyonu için bir mekanizma sağlamaktadır. Aynı zamanda akma ve ileri akma bölgesinde aktivasyon enerjisini tipik kovalent bağın kırılma enerjisi olan 18 ve 22 kcal/mol aralığında hesaplamışlardır. İleri akma bölgesinde aktivasyon enerjisinin sıcaklığa bağlılık gösterdiğini belirtmişlerdir.

Yün fiberlerin erime davranışını göz önüne alan Cao vd. (1997) DSC tekniğini kullanarak örneklerin farklı formlarda kuru ve ıslak durumları arasındaki durumlarda yündeki α-form kristalitlerin erime davranışlarını incelemişlerdir.

(a) (b)

Şekil 1.43 Yün fiberlerin gerilim-uzama eğrilerine farklı sıcaklıkların etkisi: (a) orijinal fiberler; (b) Islak yün fiberleri (Morton ve Hearle, 1997)

%65 B.N değerinde makasla kesilmiş yün örnekleri için erime noktasının 166 °C civarında olduğunu ve 185 °C civarında ise bir yıpranma pikinin olduğunu göstermişlerdir.

Bunun yanında ısıtma hızı, ısı iletimi ve değişmelerden sonra yünün durumu arasındaki ilişki incelenmiştir (Haly ve Snaith, 1970). Düşük ısıtma hızlarında, düşük entropi ile α→kristal olmayan→β olduğu değişimi ve α-helis yapısından uzatılmış β-yapısına moleküler seviyede bir faz geçişi ile ısı değişiminin olduğunu önermişlerdir.