Investigation Of Optical And Wettability Properties Of Polymer Coatings

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis () -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Yüzey ıslanabilirliğinin kontrolü, sağladığı sayısız avantaj sebebiyle endüstri tarafından gittikçe artan bir ilginin odak merkezi konumundadır. Özellikle sunduğu kendini temizleme, buzlanma önleyici, anti bakteriyel, sürüklenme azaltıcı ve denizel kirlenme önleyici gibi sayısız özelliğinden dolayı endüstriyel uygulama alanları oldukça geniştir. Fakat her ne kadar elde edilebilecek özellikler çok büyük avantajları barındırsa da bu yüzeylerin üretilmesi kendi zorluklarını da beraberinde getirmektedir. Örneğin; kendini temizleyen su tutmayan süperhidrofobik yüzeylerin yapılması için yüzeyin enerjisinin düşük olması ve pürüzlülük barındırması gerekir fakat pürüzlülük ışık geçişinin azalmasına sebep olmaktadır. Eğer bu ve benzeri yüzeyler üretilecekse birden fazla parameter birlikte düşünülerek, geniş yelpazede malzeme kullanımı göz önünde bulundurulmalı ve yüzey davranışları üzerine hakimiyet yüksek olmalıdır. İnsanlık tarihin ilk zamanlarından beri sıvıların, özellikle de suyun, kontolü ve zararlarının önlenebilmesi için çalıştı. İçinde tutabilmek için kupalar, enerji üretebilmek için barajlar, üzerinde durabilmek için gemiler ve bir çok makine için borular tasarlandı. Birçoğunda tasarımlar doğadan alınırken birçoğunda da doğaya karşı düşünülebilen her türlü şekilde karşı koymaya çalışılmıştır. Geçtiğimiz yıllarla beraber sıvıyı belirli alanlarda kontrol edebilme becerimiz her ne kadar artsa da sıvıların zararlı ve istenmeyen etkilerine karşı koyma konusunda çok da başarılı olunamamıştır. Yakın zamanlarda anlaşılmıştır ki, doğa bu zararlı etkilerden uzak durma veya kontrol etme konusunda, insanlığın tüm çabalarına rağmen, teknolojik ilerlememizi gölgede bırakacak nitelikte oldukça etkili ve çeşitli yöntemler geliştirmiştir. Örneğin, bir böcek türü olan Aquarius remigis, sahip olduğu süperhidrofobik bacaklar sayesinde havayı paketler halinde hapsederek su üzerinde rahatlıkla durabiliyor ve bunu o kadar etkili yapıyor ki her bir bacağının suda ortaya koyduğu kaldırma kuvveti bacağın kendi ağırlığının 300 katına kadar ulaşabiliyor. En bilinen ve kendini temizleme etkisine (lotus effect) ismini veren nilüfer çiçekleri, kendilerini temizleyebilen yüzeyleri sayesinde kirleticilerden kolaylıkla kurtulabiliyorlar. Doğanın su ile baş etme çeşitliliği, insanlığın henüz karşılaşmadığı problemlerine dahi çözümler barındırdığı göz önünde tutulduğunda, bu konudaki endüstriyel ilerlememizin anahtarı konumundadır. Su itici yüzeylerin iki önemli alt başlığı bu tezin odak noktası olarak gösterilebilir; hidrofobik ve süperhidrofobik yüzeyler. Yüzey su temas açıları 90°’den fazla olan yüzeyler hidrofobik yüzey, 150°’den fazla olanlar ise süperhidrofobik yüzey olarak adlandırılırlar. Bu çalışmada bu alanlara odaklanılmasının asıl sebebi denizcilik alanında sahip oldukları yüksek potansiyeldir. Süperhidrofobik yüzeyler yüksek su itici özellikleri sayesinde deniz taşıtlarının su ile temasını barındırdıkları hava paketleri sayesinde minimuma indirerek önemli avantajlar sunabilir, örneğin; yüksek sürtünme direnci düşüşü sağlayabilir, gemi izini (wake) azaltarak gemilerin uzak mesafelerden tespitini zorlaştırarak askeriyede yüksek avantaj sağlayabilir, sahip olduğu antibakteriyel özellik gemilerin yüzeylerinde mikroskopik canlıların tutunmasını ve birikmesini önleyerek şimdilik kaçınılmaz olan performans düşüşünü engelleyebilir, buz oluşumunu önlemesi sayesinde soğuk bölgelerde faliyet gösteren deniz yapıları ve taşıtlarının performanslarını ve güverte güvenliğini oldukça yüksek oranda arttırabilir ve gemilerin boru sistemlerinde ve hatta ballast tanklarının içerisinde kullanılarak birçok problemin önüne geçilebilir. Ayrıca mevcut zehirli gövde kaplamalarının yerini alabilme potansiyeli denizlerin de kirletilmesini önlemek açısından oldukça önemlidir. Uluslararası denizcilik düzenlemelerinin bu konuda aldığı kararlar da düşünüldüğünde bunun ekonomik sonuçları da göz önünde bulundurulmalıdır. Özellikle sürtünme direnci üzerinden gemilerin karbon ayak izlerini azaltması en büyük etkisi olacaktır. Dünyadaki gemi taşımacılığının tüm dünya karbon emisyonu miktarının yaklaşık %2’sinden sorumlu olduğu düşünüldüğünde bu orandaki herhangi bir azalmanın dünyaya etkisi bir ülke ile kıyaslanabilecek ölçüde büyük olacaktır. Buna ek olarak, gemilerde yaratacağı performans artışı ve maliyet düşüşleri taşımacılık maliyetini de azaltacağı için gemi taşımacılığına yönelimi ve hatta kapasitesini arttıracaktır. Karbon ayak izi açısından, birim yük için mevcut en verimli taşımacılık gemi taşımacılığı olduğu düşünüldüğünde dolaylı olarak da dünyadaki karbon izinin azalmasını sağlayacaktır. Süperhidrofobik yüzeylerin üretimi şimdiye kadar farklı malzeme ve metodlarla ulaşılmış olsa da interdisipliner çalışma ile bu yüzeylerin gerçek çıktılarının üretimi her zaman problemli olmuştur. Yüzey davranışı üzerine hakimiyet her ne kadar oldukça önemli olsa da, üretim sırasında aynı zamanda bu yüzeylerin pratik uygulamaları için de hakimiyet sahibi olunmalıdır. Gemilerin gövde tamirleri için mevcut optimum üsreler düşünüldüğünde çok daha hızlı sökülecek bir kaplama kendi avantajlarını ortadan kaldıracaktır. Diğer taraftan bakılırsa, sadece deniz araçlarının çetin koşullarına hakim olanursa ihtiyaç duyulan çözüm konusunda ufuk sınırlı kalabilir ve sadece mevcut durum tekrarlanır. Bu çalışmanın sonucunda ulaşılması amaçlanan nokta, belirtilen iki alanı birleştirecek bir ortak zemin yaratmak ve ilerideki çalışmalar için ortak bir hakimiyet oluşturmaktır. Bu çalışmanın ana hedefi gemicilik alanındaki uygulamaları ve sonraki çalışmalar için bilgi zemini oluşturmaktır. Buradan yola çıkarak yapılacak çalışmalar ile yukarıda bahsedilen gelişmelere ulaşmak oldukça mümkündür. Bu çalışmada, yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (HDPE), düşük moleküler ağırlıklı polietilen (LDPE), polipropilen (PP), polipropilen-polyetilen kopolimer (PPPE), polivinil alkol(PVOH), naylon 6 (N6), naylon 6,6 (N66), polistiren (PS), polimetilmetakrilat (PMMA) ve polivinilasetat (PVAc) polimer yüzeyler sahip oldukları yüzey davranışları, optik karakteristikler ve ıslanabilirlik özellikleri üzerine incelenmiştir. Polimer çeşidi geniş tutularak optik ve ıslanaiblirlik özellikleri arasındaki geçişlerin hangi parametrelerle mümkün olduğu gösterilmeye çalışılmıştır. Yüzey enerji hesaplamaları yapılmış ve sahip oldukları karakteristik özellikleri arasında bağıntılar kurularak ayrıntılı karakterizasyon verileri sunulmuştur. Son çalışmada nanoboyutlu SiO2 parçacık dispersiyonu yüzey pürüzlülüğü yaratmak için kullanılmıştır. Çalışma için polistiren polimeri seçilmiş olup sahip olduğu yüksek su tema açısı, oda şartlarında kolay çalışabilirliği, yüksek optik geçirgenliği ve görece düşük yüzey enerjisi gibi özellikleri bu çalışmada seçilmesi için etkili olmuştur. Nanoparçacıklar politirene içerisinde tanıtılmadan önce sonic homojenizatör ile polistirenin çözüldüğü çözücüde dağıtılmış ardından polimerle beraber tekrar homojenizatör ile işleme sokulmuştur. Örnekler spin kaplama tekniği ile hazırlanmıştır. Elde edilen kaplamalar hidrofobikten süperhidrofobiğe kadar ulaşan geniş bir skala sunmuştur. Örneklerin incelenmesi için ayrıntılı temas açısı ölçümleri ile ıslanabilirliği incelenmiş optik karakterizasyonu ile de aralarında bağıntılar kurulmuştur. Ulaşılan örneklerin oluşturduğu yelpaze aynı zamanda SiO2 miktarının doygunluğunu göstermesi açısından da yardımcı olmuştur. Optik karakterizasyon sonuçları ile örneklerin temas açıları arasında korelasyon kurulduğunda, belirli bir noktadan sonra temas açısı açısından bir avantaj yaratmadığı gibi optik geçirgenliğinin de düştüğü görülmüştür. Yapılan çalışmalar ile süperhidrofobik yüzeylere ulaşılmış ve sonraki çalışmalara zemin oluşturması amaçlanan interdisipliner hakimiyete ulaşılmıştır.Controlling wettability is an important property and highly desired by industry due to its wide range of advantages, such as; anti-bacterial, anti-ice and self-cleaning. Obtaining such advantages through engineering surface coatings presents highly challenging environment because, for example, one need to design highly porous surface for a chemically hydrophobic polymer coating to obtain anti-icing or self cleaning properties but porosity decreases light propagation and made the material opaque. Real struggle, and the most desired by industry, is finding the Goldilock Zone for such coatings, if not the perfect one. Controlling liquid behaviour is an ancient dream for us sapiens. We crafted cups to hold, canals to channel even built dams to harness the power within. Over the years, despite getting better at capturing the liquid, we were unable to prevent its harmful or undesirable effects after a certain point. It has been recently emphasized that nature is in fact very successful about avoiding its harmful effects with presenting liquid repellent properties. Water striders, a bug which have the ability to stand on water using its superhydrophobic legs, and water lilies (lotus) with self cleaning properties can be given as natural examples due to their unique water repellent properties. Learning the ways of nature about how to deal hazardous environment or how to enhance our inventions is the best key for success in engineering. Water repellent surfaces attracts many attention from industry with not only their self cleaning properties but also anti-fouling, drag reduction and many properties that were mentioned above. Two heading of water repellent surfaces can be mentioned as focussed in this thesis; hydrophobic surfaces and superhydrophobic surfaces where surfaces that have water contact angles larger than 90° called hydrophobic and larger than 150° called superhydrophobic. Main reason for the focus on these topics is their potential on marine enhancement properties. Drag reduction would be reduce carbon emissions in tremendous amounts when considered that the global shipping sector is responsible for approximately %2 of global greenhouse gas emissions which can be comparable for even countries. Anti-ice property could make working conditions on ships over cold climates better and increase the life expectancy of ships. Direct effect of water repellent properties will most likely be on hull applications as presenting anti-fouling properties and substituting present poisonous coatings with non-poisonous superhydrophobic coatings. The aim of this study is to create a knowledge basis of further studies and marine applications based on water repellent surfaces. High density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), polyproplyne-polyethylene copolymer (PPPE), polyvinyl alcohol (PVOH), nylon 6 (N6), nylon 6,6 (N66), polystyrene (PS), poly(methyl methacrylate) (PMMA) and polyvinyl acetate (PVAc) coatings were tested for surface and optical properties. Surface free energy studies were conducted and correlations were presented. Great deal of data were obtained in order to understand polymer surface behaviours as well as how to enhance the properties. Last study was performed using dispersed SiO2 nanoparticles in order to create surface roughness. Polystyrene was chosen for this study for its adequate properties such as, high contact angle value, relatively low surface energy and easy to work under room conditions as well as high transmittance. As a result of this study, superhydrophobic SiO2 nanoparticle dispersed polystyrene coatings were obtained. Extensive correlations were derived between surface and optical properties with respect to the nanoparticle content.Yüksek Lisan