Yakın kızılötesi yansıtıcı, hidrofobik ve anti-bakteriyel yüzey özelliklerine sahip multifonksiyonel kaplamalı ısı yalıtım malzemelerinin üretimi
Production of multifunctional coated thermal insulation materials with near-infrared reflective, hydrophobic and anti-bacterial surface properties
Yazar: EMRE YAVUZ
Danışman: PROF. DR. NİYAZİ UĞUR KOÇKAL
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Malzemeleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Antibakteriyel özellikler = Antibacterial properties ; Hidrofobik özellik = Hydrophobic property ; Isı yalıtımı = Heat insulation ; Sol-jel yöntemi = Sol-gel method ; Yakın kızılötesi ışın spektroskopisi = Functional Near Infrared Spectroscopy

Özet:
Bu tez çalışmasında NIR yansıtıcı, hidrofobik ve anti-bakteriyel yüzey özelliklerine sahip multifonksiyonel kaplamalı ısı yalıtım malzemeleri üretilmiştir. Isı yalıtım malzemeleri, inorganik temelli plakalar ve üzerine uygulanan multifonksiyonel kaplamaları içermektedir. Plaka üretiminde bağlayıcı olarak kullanılan inorganik temelli TEOS/MTMS bağlayıcısı sol-jel yöntemi ile sentezlendi. Genleştirilmiş hafif malzemeler (cam, vermikulit ve perlit) ve SiO2 aerojel kullanılarak hazırlanan karışımlarda sentezlenen bağlayıcının kullanılması, basınç altında sıkıştırılması ve termal olarak kürlenmesi ile çeşitli plakalar geliştirildi. Plaka üretiminde kullanılan SiO2 aerojel miktarının plakaların kimyasal, fiziksel, termal ve mekanik özellikleri üzerine olan etkisi incelendi. Plaka yüzeylerinin fonksiyonel hale getirilmesi için öncelikle NIR yansıtıcı kaplamalar TEOS/MTMS bağlayıcısı ile farklı renkteki NIR yansıtıcı pigmentin birlikte kullanılması ile geliştirildi. Pigment konsantrasyonunun NIR yansıtıcılık, yüzey morfolojisi ve ıslanabilirlik üzerine olan etkisi araştırıldı. NIR yansıtıcı kaplamaların yetersiz özelliklerinin iyileştirilmesi için hidrofobik ve anti-bakteriyel ikinci katman kaplamalar üretildi. Bu kapsamda hidrofobik-antibakteriyel ve anti-bakteriyel alkoksisilan bileşikleri sentezlendi. TEOS/MTMS bağlayıcısı içerisinde sentezlenen alkoksi silanların kullanılması ile ikinci katman kaplamalar hazırlandı. Geliştirilen plakaların kimyasal yapıları; FT-IR, XRD ve elementel analiz, fiziksel özellikleri; görünür yoğunluk, ıslanabilirlik, uzun dönem su emme ve SEM, termal özellikleri; ısı iletkenlik katsayısı, TG ve yanma testi, mekanik özellikleri; basınç ve çekme dayanımı analizleri ile incelendi. Sentezlenen bileşiklerin kimyasal yapıları FT-IR, NMR (1H, 13C ve 29Si) ile karakterize edildi. Kaplamaların NIR yansıtıcılık özellikleri UV-VIS-NIR spektral yansıtıcılık analizi, hidrofobisiteleri temas açısı histerezisin analizi, morfolojileri SEM ve AFM analizi, mekanik özellikleri tutunma ve çizilme direnci testi ile belirlendi. Ayrıca kaplamaların anti-bakteriyel, kolay temizlenebilirlik ve uzun süreli performans özellikleri araştırıldı. Tez kapsamında geliştirilen plakaların yangına karşı dirençli, düşük su emme (28 günde %3.24 ± 0.01) ve düşük ısı iletkenlik katsayısına (0.057 W/m.K) sahip olduğu saptandı. Elde edilen kaplamalar NIR bölgede %83 yansıtıcılık, hidrofobik karakter ve düşük temas açısı histerezis (<20°) değeri, kolay temizlenebilir, E. coli ve S. aureus bakterilerine karşı %99.9999 (6 log) anti-bakteriyel etkinlik göstermiştir. Ayrıca geliştirilen kaplamalar 50 °C ve %90 bağıl nem koşullarına 28 gün maruz bırakıldığında temas açısı histerezis değerini ve kolay temizlenebilme özelliklerini hala koruyabilmişlerdir.

Abstract:
In this study, multifunctional coated thermal insulation materials with infrared-reflective, hydrophobic and anti-bacterial surface properties were produced. Thermal insulation materials are composed of inorganic-based plates and multifunctional coatings. Inorganic-based TEOS/MTMS binder used as a binder in plate production was synthesized by the sol-gel method. Various plates were developed under pressure and thermally curing conditions by using the synthesized binder with expanded lightweights (glass, vermiculite and perlite) and SiO2 aerogel mixture. The effect of the amount of SiO2 aerogel was investigated in terms of the chemical, physical, thermal and mechanical properties of the plates. Infrared-reflective coatings were developed by using different colour infrared-reflective pigments in the TEOS/MTMS binder to functional the plate surface. The effect of pigment concentration on infrared reflectivity, surface morphology and wettability was investigated. To improve the inadequate properties of infrared-reflective coatings, hydrophobic and anti-bacterial second-layer coatings were developed. In this scope, hydrophobic-anti-bacterial and anti-bacterial alkoxysilane compounds were synthesized. Second layer coatings were prepared by using synthesized alkoxy silanes in TEOS/MTMS binder. Chemical structures of the developed plates; FT-IR, XRD and elemental analysis, physical properties; apparent density, wettability, long-term water absorption and SEM, thermal properties; thermal conductivity coefficient, TG and fire test, mechanical properties; analyzed by compressive and tensile strength analyses. Developed plates were analysed in terms of chemical structure (FT-IR, XRD and elemental analysis), physical (apparent density, wettability, long-term water absorption and SEM), thermal (thermal conductivity coefficient, TG and fire test), and mechanical  (compressive and tensile strength analyses) properties. Coating's Infrared-reflectance,  hydrophobicity, morphology and mechanical properties were characterised by UV-VIS-NIR spectral reflectance analysis, contact angle hysteresis analysis, SEM and AFM analysis,  and adhesion and scratch resistance tests, respectively. In addition, the anti-bacterial, easy-to-clean and long-term performance properties of the coatings were investigated. It was determined that the plates developed within the scope of the study were fire resistant, low water absorption (3.24 ± 0.01% in 28 days) and low thermal conductivity coefficient (0.057 W/m.K). The obtained coatings showed 83% reflectivity in the NIR region, hydrophobic character and low contact angle hysteresis (<20°) value, easy to clean, and 99.9999% (6 log) antibacterial activity against E. coli and S. aureus bacteria. Besides, the developed coatings can still maintain their contact angle hysteresis value and easy-to-clean properties when exposed to 50 °C and 90% relative humidity conditions for 28 days.