Aerojel-Silika Esaslı Süper Hidrofobik Suyu Geçirmeyen Akıllı Yüzey Kaplamaları
Özet
Bu çalışmada aeorojel ve silika ürün karışımlarından daldırma kaplama tekniği ile cam ve elektro-eğirme tekniği ile elde edilen nanofiber membran yüzeylerine homojen bir kaplama sağlanarak malzemelerin suya geçirmeyen süper hidrofobik olması sağlanmıştır.
Elde edilen bu kaplamaların endüstriyel ölçekli üretimlere entegrasyonu ile fonksiyonel
kullanım imkanına sahip çeşitli ürün gamları da elde edilebilecektir.
1. Giriş
Malzeme yüzeylerinin su tutma, mekanik ve ısıl özelliklerini değiştirme veya dekoratif açıdan ilgi çekmek amacıyla klasik ve modern teknolojilere dayanan yüzey işlemleridir.
Herhangi bir malzeme yüzeyinin sahip olamadığı veya minimal düzeyde sahip olduğu yüzey özelliklerini iyileştirme amacıyla farklı fiziksel veya kimyasal kaplama teknolojileri
kullanılabilmektedir [1,2].
Yüzey kaplamalarında en sık tercih edilen durum su iticilik özellikleridir. Apolar molekül yapılarının benzer molekül içi etkileşimlerde veya sulu alanlarda moleküller arası tamamlayıcı gibi davranabilme yetisidir hidrofobik (suyu sevmeyen) etki.
Hidrofobik etki sayesinde suyun oluşmasını ve gelmesini engelleyen bir kalkan özelliği oluşturması durumudur [3,4].
Hidrofobik kaplama tekniği olarak sıklıkla tercih edilen daldırma kaplama tekniği kullanılmaktadır. Bu teknikte belirli bir saykılda inip çıkan bir malzeme tutucu aparat ve alt tarafında solüsyon konabilecek bir karışım kabı bulunmaktadır. Cihaz üzerinden girilen saykılda hazırlanan karışım solüsyonuna kaplanacak malzeme daldırıp çıkarılarak kaplama
sağlama yöntemini içermektedir [5,6].
Son yıllarda popüler kullanım alanına sahip aerojel ürünler süper hidrofobik yapısı sebebiyle su itici uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu alanda literatür çalışmaları incelendiğinde farklı kaplama teknolojileri üzerinde aerojel tabanlı çalışmalar yürütülmüş ve su itme potansiyelliğinin olduğu yapılan çalışmalarcada ortaya konmuştur [7-9].
Aerojel malzemesi bir jelin içerisindeki sıvı bileşenin hava ile değiştirilmiş olan katı maddeler halidir. Aerojel malzemesi; termal yalıtım, akustik yalıtım, uzay ve havacılık uygulamaları, katalizör ve katalizör dolguları, yakıt hücreleri, kimyasal sensörler, ilaç salım sistemleri, pencere uygulamaları gibi birçok alanda kullanılmaktadır.
Bilim insanlarının “donmuş duman” adını verdikleri aerojel, kurşun geçirmemesi ile birlikte,
1 kilogram dinamitin patlamasından etkilenmemekte ve 1300oC’ye kadar sıcaklıktan ve -120oC’ye kadar soğuktan koruyabilmektedir [10,11].
Aerojel gibi diğer bir su itici malzeme olarak silika malzemesi kullanılmaktadır. Silika, doğada en yaygın olarak kuvars olarak ve çeşitli canlı organizmalarda bulunan SiO₂ kimyasal formülüne sahip bir silikon oksittir.
Dünyanın birçok yerinde silis kumun ana bileşenidir. Literatür araştırmaları incelendiğinde silika esaslı hidrofobik yüzey kaplamaları çalışılmıştır. Su itme potansiyelleri araştırıldığında belirli bir süre itme özelliği bulunurken artan süre boyunca su itme potansiyelleri azalmıştır.
Böylelikle yeni malzeme arayışlarına ve blend karışım malzemelerine ihtiyaç artmıştır. Aerojel ürünlerin de uyum sorunu olduğundan kaplama yüzeylerinde yeni malzemeler ile karışım oluşturularak kaplama yapılacak yüzey arasında arayüzey uyumu sağlanması sağlanmıştır [12,13].
Elektro-eğirme tekniği, polimer çözeltilerinden elektriksel alan yardımı ile nanofiber membrane üretimidir. Basit, düşük maliyetli ve fonksiyonel malzeme üretimine imkan veren
bir sistemdir. Nanofiber yapısı bir insan saç telinin binde biri olarak tanımlanmaktadır [14-16].
Bu çalışmada hem aerojel hem de silika kaplama ajanlarının su itme özelliklerindeki bireysel özelliklerini ve malzemeler arasındaki kaplama özelliklerini iyileştirme esasıyla kompozit karışımlı malzemelerin daldırma kaplama tekniği ile cam ve nanofiber membran yüzeyine kaplanması sağlanmıştır.
Böylelikle su itme potansiyeli yüksek süper hidrofobik akıllı yüzey kaplama ürünleri elde edilmiş olacaktır.
2. Materyal ve Metot
2.1. Materyal
Aerojel ve silika malzemeleri çevremizdeki yerel firmalardan temin edilmiştir. Safsu, dimetilformamid (DMF), kloroform ve 80.000 g/mol molekül ağırlığına sahip polikaprolakton
(PCL) Sigma/Aldrich marka kullanılmıştır. Elektro-eğirme tekniğinde altlık yüzey olarak yağlı kağıt tercih edilmiştir.
2.2. Metot
Süper Hidrofobik Su İtici Akıllı Yüzey Kaplaması Üretimi
Elektro-eğirme tekniği öncesi 60/40 kloroform/DMF karışımına sahip çözücü sisteminde 10 gram PCL, 60 dakika karışım halinde 55oC’ye kadar ısıtma işlemi ile manyetik karıştırıcıda
çözelti haline getirilerek elektro-eğirme tekniği ile yağlı kağıt üzerine oda koşullarında saatte 3 mililitre besleme hızı, 30 kV voltaj ve şırınga ve toplayıcı arası mesafe 20 cm olacak şekilde nanofiber membran elde edilmiştir.
Aerojel ve silika maddelerinin homojen kaplanabilmesi amacıyla bilyalı öğütücüde sıvı azot yardımı ile önce dondurarak akabinde kırma işlemi sağlanarak 100 mikrometre boyutuna getirilmiştir.
Elde edilen tozlar %50-50 olacak şekilde blend edilerek karışımı kuru halde sağlanarak 100ml safsu içerisine konarak homojen karışımı sağlanmıştır. Elde edilen bu karışım çözeltisine daldırma kaplama tekniğinde belirli bir saykılda daldırıp çıkarma işlemi sağlanarak homojen kaplama sağlanarak vakumlu etüvde oda sıcaklığında kurutulması sağlanmıştır. Süper hidrofobik su itici akıllı yüzey kaplaması üretim aşamaları Şekil 2.1.’de yer almaktadır.
3. Bulgular ve Tartışma
Elektro-eğirme tekniği ile elde edile nanofiber membran ve cam yüzeyine aerojel ve silika karışımı daldırma kaplama tekniği ile homojen bir şekilde kaplanmıştır. Elde edilen nanofiber membran morfolojik görüntüleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile çekilmiştir. Şekil 3.1.’de nanofiber membran ve SEM görüntüsü yer almaktadır. Elde edilen nanofiber çap dağılımı 180-380 nm aralığındadır.
4. Sonuçlar
Bu çalışmada başarılı bir şekilde aerojel ve silika karışımını içeren ürünler ile daldırma kaplama tekniği ile cam ve elektro- eğirilmiş nanofiber membrane üzerine homojen kaplama sağlanmıştır.
Elde edilen cam ve nanofiber membrane yüzeylerine kaplanan karışımın suyu mükemmel derecede ittiği gözlemlenmiştir. Üretilen ürünlerin fonksiyonel kullanım imkanı dikkate alındığında suyu itici, termal yalıtkanlık ve dayanıklılık özellikleri ile endüstriyel alanda birçok sektörde amaca yönelik kullanıma sunulabilecek ideal malzemeler olabilecektir.
Kaynaklar
[1] Erkoc, P., & Ulucan-Karnak, F. (2021). Nanotechnology-Based Antimicrobial
and Antiviral Surface Coating Strategies. Prosthesis, 3(1), 25-52.
[2] Oshida, Y. (2021). Surface modifications. In Magnesium Materials (pp.
427-442). De Gruyter.
[3] Davar, H., Nouri, N. M., & Navidbakhsh, M. (2021). Effects of superhydrophobic,
hydrophobic and hybrid surfaces in condensation heat transfer. J. Appl. Fluid Mech, 14(4), 0771-0901.
[4] Alwadani, N., Ghavidel, N., & Fatehi, P. (2021). Surface and interface characteristics of hydrophobic lignin derivatives in solvents and films. Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects, 609, 125656.
[5] Manoharan, K., Anwar, M. T., & Bhattacharya, S. (2021). Development of hydrophobic paper substrates using silane and sol–gel based processes and deriving the best coating technique using machine learning strategies. Scientific reports, 11(1), 1-12.
[6] Wu, J., Wang, C., Lin, W., & Ngai, T. (2021). A facile and effective approach for the synthesis of fluorinated waterborne polyurethanes with good hydrophobicity and antifouling properties. Progress in Organic Coatings, 159, 106405.
[7] Islam, S. R., Alassod, A., Naveed, T., Dawit, H., Ahmed, K., & Jiang, J. (2021). The study of hydrophobicity and oleophilicity of 3D weft-knitted spacer fabrics integrated with silica aerogels. Journal of Industrial Textiles, 15280837211029048.
[8] Peng, Z., Zhang, X., Zhao, C., Gan, C., & Zhu, C. (2021). Hydrophobic and stable MXene/reduced graphene oxide/polymer hybrid materials pressure sensors with an ultrahigh sensitive and rapid response speed pressure sensor for health monitoring. Materials Chemistry and Physics, 124729.
[9] Sha, L., Ma, C., Zhao, H., Qiu, S., Yan, Z., & Guo, D. (2021). Facile fabrication of superhydrophobic filter paper with improved durability and water repellency. Nordic Pulp & Paper Research Journal.
[10] Li, W., Li, Z., Wang, W., Li, Z., Li, Q., Qin, C., & Cao, F. (2021). Green approach to facilely design hydrophobic aerogel directly from bagasse. Industrial Crops and Products, 172, 113957.
[11] Najafidoust, A., Asl, E. A., Hakki, H. K., Sarani, M., Bananifard, H., Sillanpaa, M., & Etemadi, M. (2021). Sequential impregnation and sol-gel synthesis of Fe-ZnO over hydrophobic silica aerogel as a floating photocatalyst with highly enhanced photodecomposition of BTX compounds from water. Solar Energy, 225, 344-356.
[12] Xu, Y., Gao, D., Dong, Q., Li, M., Liu, A., Wang, X., … & Liu, Q. (2021). Anticorrosive behavior of epoxy coating modified with hydrophobic nano-silica on phosphatized carbon steel. Progress in Organic Coatings, 151, 106051.
[13] Mao, M., Xu, H., Guo, K. Y., Zhang, J. W., Xia, Q. Q., Zhang, G. D., … & Tang, L. C. (2021). Mechanically flexible, super-hydrophobic and flameretardant hybrid nano silica/graphene oxide wide ribbon decorated sponges for efficient oil/water separation and fire warning response. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 140, 106191.
[14] Aynali, F., Balci, H., Doganci, E., & Bulus, E. (2021). Production and characterization
of non-leaching antimicrobial and hydrophilic polycaprolactone based nanofiber mats. European Polymer Journal, 149, 110368.
[15] Buluş, E., Buluş, G. S., & Akkaş, M. (2021). Investigation of the Effects of Working Parameters in Electrospinning Technology on Morphology of Polymeric Nanofiber Membranes Using Reference Polymers. JOURNAL OF MATERIALS AND ELECTRONIC DEVICES, 2(1), 6-11.
[16] KAMACİ, Ö., YÜCEL, N., KÖTEN, H., BULUS, E., & BULUS, G. A Review polylactic acid and gelatin biomaterial GBR (Guided Bone Regeneration) and multilayer GBR membranes. Politeknik Dergisi, 1-1.
Erdi Buluş
Metalurji ve Malzeme Yüksek Mühendisi
Kıdemli Malzeme Teknolojileri Uzmanı
İstanbul Arel Üniversitesi ArelPOTKAM
(Polimer Teknolojiler ve Kompozit Uygulama ve Araştırma Merkezi)
Gülseren Sakarya Buluş
Uzman Hemşire
Silivri İlçe Sağlık Müdürlüğü
Bahçeşehir Üniversitesi
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Mühendislik Yönetimi Tezli Yüksek Lisans Programı
