İnşaat Sektöründe Su Bazlı Boyaların Hidrofobisite Özelliklerinin Geliştirilmesi

15 Mart 2018
Hidrofobisite


Yard. Doç. Nil Acaralı

Kimya Mühendisliği Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi

 

 

Hidrofobisite

 

Yüksek Kimya Mühendisi Merve Bağcı
Kimya Mühendisliği Bölümü
Yıldız Teknik Üniversitesi

 

 

Özet
Bu çalışmada, hidrofobik özelliğini geliştirmek amacıyla kırmızı gülün taç yaprakları, su bazlı boyanın içeriğine eklenmiştir. Kırmızı
gülün taç yaprakları kurutularak öğütücüde toz haline getirilmiştir. Su bazlı iç cephe boyasının ağırlıkça %0-6’ sı olacak şekilde,
bor kimyasalı, talk ve kırmızı gülün taç yaprakları farklı oranlarda su bazlı boyaya ilave edilmiştir. Çalışmadaki deneyler için üç
seviye ve üç parametre seçilerek Taguchi deneysel tasarım metodu kullanılmıştır. Katkı maddeleri ile homojen şekilde karıştırılmış,
dokuz farklı içerikteki boya numuneleri özel hazırlanmış plakalara uygulanmıştır. Plakalardaki boyalar kuruduktan sonra numuneler
testlere tabi tutulmuştur. Boyaya eklenen katkılar sayesinde su bazlı iç cephe boyasının hidrofobik özelliğinin yanı sıra farklı
özelliklerinin de geliştirilmesine yardımcı olduğu görülmüştür.

Giriş
İlerleyen teknoloji ile birlikte beklentilerin değişmesi üzerine, malzemelerde kaplama görevi gören boyaların da birtakım özelliklerinin
geliştirilmesi beklenmektedir. Yapılan çalışmalarda boyaya doğal ve sentetik katkı malzemeleri ilave edilmiştir. Araştırmacılar, bu
ilavelerin boya performansı üzerindeki etkisini incelemişlerdir. Çevresel faktörler, hammadde maliyeti ve kalite de göz önünde
bulundurulmuştur.

Kimyanın önemli bir özelliği olarak, bir yüzeyin ıslanabilirliği temel ve endüstriyel uygulamalarda büyük bir önem taşımaktadır [1].
Yüzey ıslanabilirliğinin kontrol edilmesi havacılık ve otomotiv sanayi için kendi kendini temizleyen camlar, inşaat sektörü için
aşınmaz yapılar,su geçirmez tekstil, optik aletler ve cep telefonları için kirlenmeyen yüzeyler, membran uygulamaları, hücre ve
antibakteriyel adezyon, tencere kaplamaları gibi farklı uygulamalar için oldukça değerlidir.

Yüzey ıslanabilirliğini belirleyebilmek için denge temas açısı ölçümleri yapılmalıdır [2]. Bir sıvı damlası katı bir yüzey üzerine temas
ettiğinde, temas açısının 900’den küçük olduğu bir yüzey ıslatılabilen bir yüzeyken temas açısının 900’den büyük olduğu yüzey ise
ıslatılamayan yüzeydir. Islatılabilen yüzey, hidrofilik ıslatılamayan yüzey ise hidrofobik yüzey olarak adlandırılmaktadır [3].
Süperhidrofobisite 1940’lardan beri bilinmesine rağmen, 1997’de Barthlott ve Neinhus tarafından nilüfer yaprağı da dahil olmak
üzere çeşitli doğal bitki yapraklarının yüzey yapısının araştırılmasının ardından son yıllarda daha büyük bir önem taşımaya
başlamıştır [4]. Süperhidrofobik yüzeylerin yapışmama, kirlenmeme ve kendi kendini temizleme gibi özellikleri bulunmaktadır ve bu
özelliklerinden dolayı birçok biyolojik ve endüstriyel uygulamalarda kullanılması beklenmektedir [5]. Katı yüzey üzerindeki sıvı
damlasının temas açısı 150°’den büyük olan yüzeyler süperhidrofobik yüzeyler olarak adlandırılmaktadır [4]. Bir yüzeyin
süperhidrofobik özellik gösterebilmesi için yüzey enerjisinin düşük olması ve yüzeyin pürüzlü olması gibi iki temel faktöre
gereksinim duyulmaktadır [3]. Bu iki temel faktör süperhidrofobik yüzey sentezlenmesi için iki yönteme öncülük etmektedir. Birinci
yöntemde hidrofobik bir maddeden pürüzlü yüzey sentezlenebilmektedir. İkinci olarak ise pürüzlü hidrofilik bir yüzeyin kimyasal
olarak modifiye edilmesi veya üzerine hidrofobik bir malzeme uygulanmasıdır [5]. Süperhidrofobik özellik kazandıracak boyutta
yüzey pürüzlülüğü oluşturabilmek için yapay yollarla plazma aşındırma, lazer aşındırma, kimyasal aşındırma, elektro kimyasal
reaksiyon ve çöktürme, elektrospining, kimyasal buhar çöktürme, litografi, sol-gel işlemi, çözelti dökme, tabaka tabaka ve koloidal
birleşme gibi birçok farklı metod kullanılabilmektedir [3]. Lotus (nilüfer) ve pirinç yaprakları, kelebek ve ağustos böceği kanadı,
sivrisinek gözü, geko kertenkelesi ayağı ve gül taç yaprakları gibi bazı canlıların yüzeylerinde bulunan suyu emmemesi ve kendi
kendini temizlemesi özelliği yıllardır araştırma konusu olmuştur. Kendi kendini temizleyebilen ve hidrofobik yüzeye en güzel örnek,
bataklıkta yetişen nilüfer çiçeği diğer bir adıyla lotus bitkisidir [6]. Lotus bitkisinin yapraklarında rastgele dağılmış halde mikro ve
nano pürüzlülükler yer almaktadır. Dışarıdan bakıldığında anlaşılmamasına rağmen nano çıkıntılar yapıya süperhidrofobluğu
sağlamakta ve yüksek temas açısı kazandırmaktadır [7]. Su damlaları nano çıkıntıların en yüksek noktaları üzerinde bulunmaktadır
çünkü damlanın altındaki çukur yapılar hava paketçikleri ile doldurulmuştur. Nilüfer çiçeği yapraklarının süperhidrofobik özellik
göstermesinin sebebi hava paketçiklerinin varlığından kaynaklanmaktadır [5]. Yüzeyin hidrofobik karakteri sayesinde, su damlaları
yüzeyle tam bir temas kuramayıp kendi ağırlıklarıyla aşağıya doğru yuvarlanarak ilerlerken yüzey üzerindeki tüm kirlilikleri
uzaklaştırmaktadır ve bu olay kendi kendini temizleme özelliği olarak adlandırılmaktadır. “Lotus etkisi” olarak da bilinen, yüzeylerin
kendi kendini temizleme özelliği günümüzde tekstil ve boya sanayi başta olmak üzere pek çok endüstri alanında yeni uygulamalar
ve gelişmeler sağlamaktadır [7].

Bu çalışmada, bir optimizasyon metodu olan Taguchi Metodu kullanılarak, su bazlı boyaya ilave edilen katkılarla, boyanın
hidrofobisite özellikleri geliştirilmeye çalışılmış, yapılan testlerde olumlu sonuçlar elde edilmiştir.

Deneysel Çalışma
%0-6 (w/w) aralığında ağırlıkça belirli oranlarda bor kimyasalı (B), kırmızı gülün taç yaprağı (GY) ve talk (T) hazırlanarak, beyaz
renkli, su bazlı, iç cephe boyasına ilave edilmiş ve mekanik karıştırıcı yardımıyla homojen olarak karıştırılmıştır. Karıştırma işleminin
tamamlanmasının ardından Taguchi optimizasyon yöntemine göre hazırlanan ve sette 9 farklı içerik oranına sahip boyalar elde
edilmiştir. Bu boyaların her birinin viskozite değerleri ölçülmüştür. Viskozite sonuçları, Taguchi optimizasyon metodunda
kullanılarak optimum deney parametreleri belirlenmiştir (Çizelge 1).

Hidrofobisite

Çizelge 1. Taguchi L-9 ortogonal dizi

Belirli oranlarda çeşitli maddeleri içeren bu boyalar 26×26 cm2’lik ölçülere sahip plakalara uygulanmıştır. Taguchi optimizasyon
metoduna göre hazırlanan boya karışımları, aplikatör yardımıyla 150 μm çekme kalınlığı ile plakalara uygulanmıştır (Şekil 1). 24
saat kuruma süresinin ardından temas açısı ölçüm cihazı kullanılarak boyaların hidrofobiklik değerleri saptanmıştır.

Hidrofobisite

Şekil 1. Boya karışımlarının uygulandığı plaka örnekleri

Sonuçlar ve Tartışma
Taguchi optimizasyon metoduna göre hazırlanan boyalara ait viskozite değerleri Çizelge 2’de verilmiştir

 

Hidrofobisite

Çizelge 2. Hazırlanan boyaların viskozite değerleri

Hazırlanan boya setinde bor kimyasalı ve kırmızı gülün taç yaprağı parametreleri için üçüncü seviye, talk kimyasalı için ikinci
seviyenin kullanıldığı 9 numaralı deney en optimum sonucu vermiştir (Şekil 2).

Hidrofobisite

Şekil 2. S/N oranı için ana etki eğrileri

Hidrofobiklik testinde, öncelikle plakalarda kuruyan boyaların üzerine pipet yardımıyla bir damla su damlatılmıştır. Plakalar yavaş
bir şekilde dik konuma getirilerek su damlasının boya üzerindeki akışı incelenmiştir. Boya numunelerinin yüzeyinde yumuşama,
bozulma, kalkma ve renk değişimi gibi olumsuz sonuçların oluşmadığı gözlemlenmiştir (Şekil 3).

Şekil 3. Referans boya ve optimum boyaya ait hidrofobiklik testi

Temas açısı ölçüm cihazı; gözenekli materyallere sıvıların emilimini, sıvıların yüzey ve ara yüzey gerilimlerini, yüzey serbest
enerjilerini, statik veya dinamik temas açılarını ölçmek için görüntülerin videoya çekilmesi ve otomatik görüntü analizine dayanan
bilgisayar kontrollü bir cihazdır. Sıvıların yüzey/arayüzey gerilimini, emilimini, statik veya dinamik temas açılarını belirlemek için
damla şekli analizi kullanılmaktadır. Yapısındaki kamera özelliği 10 ms’den 1000 s’ye kadar süre aralıklarında görüntüler yakalamayı
sağlamaktadır. Görüntülerin uygun yöntemlerle yerleştirilmesinin ardından 5° ile 180° arasındaki temas açısı ve 0,01 ile 999 mN/m
arasındaki yüzey gerilimi elde edilebilmektedir [8].

Temas açısı ölçüm cihazı kullanılarak referans boya ve her iki setin optimum boya numunelerinin temas açıları ölçülerek ne
derecede hidrofobik özellik gösterdikleri incelenmiştir. Ölçüm sonuçları Şekil 4 ve Şekil 5’te gösterilmektedir.

Şekil 4. Referans boyanın temas açı görüntüsü

Hazırlanan optimum boya numunesinin temas açısı ölçüm sonucu 81.25°’dir. Hidrofobik özelliğe sahip kırmızı gülün taç
yapraklarının katkı maddesi ola- rak ilave edilmesiyle boyanın temas açısı değerini arttırdığı ve bu değeri 90°’ye yaklaştırarak
boyanın hidrofobik özelliğini geliştirdiği görülmüştür.

Hidrofobisite

Şekil 5. Optimum boyanın temas açı görüntüsü

Sonuç
Sonuç olarak, boyaya temas eden suyun, boyanın yapısında oluşturacağı olumsuz etkileri minimum se- viyeye düşürerek
hidrofobik özellik kazandırabilecek parametreler değerlendirilmiştir. Temas açısı ölçüm cihazı ile referans boya ve hazırlanan
optimum boya numunelerinin temas açıları belirlenmiştir. Referans boyanın temas açısı değeri 61.64° iken katkılarla hazırlanan
optimum boya numunesinin temas açısı değeri 81.25° olarak ölçülmüştür. Referans boya hidrofilik özellik gösterirken kırmızı gülün
taç yapraklarının eklenmesi ile temas açısının 90°’ye yaklaştığı gözlem- lenmiştir. Taç yapraklarının, optimum boya numunelerinin
hidrofobik özelliğine olumlu yönde katkı sağladığı sonucuna varılmıştır.

Kaynaklar
[1] Zhi, J.H., Zhang, L.Z., Yan, Y. ve Zhu, J., (2016). “Mechanical Durability of Superhydrophobic Surfaces: The Role of Surface
Modification Technologies”, Applied Surface Science, Elsevier, 392:286-296.
[2] Çağlar, A., (2016). Elektrokromik Yüzey Malzemelerinde Hidrofobik Özellikler, Yüksek Lisans Tezi, Çanakkale Onsekiz Mart
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Çanakkale.
[3] Ordu, F., (2012). Metalik Yüzeylerde Kimyasal İşleme Yöntemi ile Hidrofobik Yüzey Oluşturulması, Yüksek Lisans Tezi, Trakya
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Edirne.
[4] Söz, Ç., (2015). New Processes and Critical Parameters for the Preparation of Superhydrophobic Polymer Surfaces, Doktora
Tezi, Koç Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
[5] Özen Cansoy, C.E., (2011). Mikro Desenli Süperhidrofobik Yüzeylerde Yüzey Pürüzlülüğü ile Su Temas Açısı İlişkisi, Doktora
Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü, Gebze.
[6] Canpolat, Ş., Kılınç, M., Gürbüz, N.R. ve Kut, D., (2014). “Tekstil Uy- gulamalarında Biyomimetik Yaklaşımlar”, İstanbul Ticaret
Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 25:91-111.
[7] Barsbay, B. ve Güven, O., (2010). “Selüloz Esaslı Kendi Kendini Temizleyen Süper Hidrofobik Yüzeyler”, 3. Ulusal Polimer Bilim
ve Teknolojisi Kongresi ve Sergisi, 12-14 Mayıs 2010, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli.
[8] http://cit.kuleuven.be/smart/infrastructure/documents/cam200.pdf, 20 Ocak 2017.