Grafen oksit – silika nanohibrit katkılı su bazlı polimerik nanokompozit kaplamaların geliştirilmesi
Development of graphene oxide – silica nanohybrid added water based polymeric nanocomposit coatings
Yazar: METE ÜNLÜTÜRK
Danışman: PROF. DR. HALE BERBER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Yüzeylerin biyokirliliğe karşı dayanıklı olma özelliği, son yıllarda malzeme mühendisliği ve diğer mühendislik disiplinleri için önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir. Birçok uygulama alanının yanı sıra, özellikle denizcilik sektörü bu konuya büyük önem atfetmektedir. Denizlerde biyokirlilik, çeşitli deniz canlılarının yüzeylere istenmeyen bir şekilde yapışması anlamına gelir. Bu durum, ciddi güvenlik sorunlarına yol açarken, büyük ekonomik kayıplara ve yakıt verimliliği, gemi manevra kabiliyeti ve hızı, motor ömrü ve deniz ekolojik dengesi açısından önemli çevresel sorunlara neden olabilir. Bu problemi çözmek amacıyla geliştirilen ve yaygın olarak kullanılan biyokirlilik önleyici boyalar (anti-fouling paints), başarılı sonuçlar vermekle birlikte, deniz suyuna saldıkları toksik maddeler (biyositler) nedeniyle hedef dışı deniz organizmalarının ölümüne yol açarak ciddi çevresel sorunlara neden olmaktadır. Bu çalışmada deniz taşıtları için biyosit salan kaplamalar yerine farklı yüzey özelliklerine sahip çevre dostu nanohibrit katkılı su bazlı polimerik nanokompozit kaplamalar geliştirilmiştir. 
Yüzey özelliklerini iyileştirmek amacıyla sol-jel yöntemiyle sentezlenmiş nano silika (SiO2) parçacıklarının yüzeyi 3-aminopropil trietoksisilan (APTES) ile modifiye edilmiştir. Grafen oksit (GO), modifiye Hummers yöntemiyle sentezlenmiştir. Modifiye nano silikalar (SiO2-APTES) ve GO ile reaksiyonu sonucunda GO-SiO2 nanohibrit (N-Hibrit) yapısı elde edilmiştir.
Sentezlenen nano yapılar ağırlıkça %0.1, 0.25 ve 0.5 oranında su bazlı epoksi matrisi içerisinde dağıtılarak nanokompozitler hazırlanmış ve düşük karbonlu çelik sac (DKP DC01) yüzeylerine uygulanarak polimerik kaplamalar oluşturulmuştur. Epoksi kaplamaların, optik tensiyometre cihazı ile temas açıları ölçüldüğünde ağırlıkça % 0.25 oranında SiO2-APTES içeren kaplamanın 100.32° derece ile en yüksek temas açısı değerine sahip olduğu görülmüştür. Potansiyostat yardımı ile korozyon akım yoğunlukları (Icorr) ölçülen kaplamalar arasında 0.09 μA.cm-2 değeri ile 0.25 N-Hibrit içeren kaplama en yüksek korozyon dayanımına sahip numune olmuştur. Biyokirlilik direnç testleri de N-Hibrit yapının mikroorganizmaların yüzeye tutunma eğilimini azalttığını göstermiştir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, nanotanecik türü ve miktarının epoksi nanokompozit kaplamaların özellikleri üzerinde önemli bir rol oynadığını ve N-Hibrit yapının endüstriyel polimerik kaplama uygulamaları için yenilikçi ve dayanıklı bir çözüm potansiyeli taşıdığını ortaya koymuştur.

Abstract:
The antifouling properties of solid surfaces have become a critical focus in materials and other engineering fields in recent years. These properties hold particular significance in the maritime industry, where marine biofouling the unwanted accumulation of various marine organisms on surfaces poses severe challenges. Such biofouling can lead to safety risks, substantial economic losses, and environmental concerns, including reduced fuel efficiency, diminished ship maneuverability and speed, shorter engine lifespans, and disruptions to marine ecosystems. Although antifouling paints have been widely adopted to address these issues, their reliance on biocides to deter organisms can harm non-target marine life and result in significant ecological damage. In this study, environmentally friendly water-based polymeric nanocomposite coatings with nanohybrid additives having different surface properties were developed instead of biocide-releasing coatings for marine vehicles.
In order to improve the surface properties, the surface of nano silica (SiO2) particles synthesized by sol-gel method was modified with 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES). Graphene oxide (GO) was synthesized by modified Hummers method.As a result of the reaction of modified nano silicas (SiO2-APTES) and GO, GO-SiO2 nanohybrid (N-Hybrid) structure was obtained.
The synthesized nanostructures were dispersed in water-based epoxy matrix at 0.1, 0.25 and 0.5% by weight to prepare nanocomposites and applied to low carbon steel sheet (DKP DC01) surfaces to form polymeric coatings. When the contact angles of the epoxy coatings were measured with an optical tensiometer device, it was observed that the coating containing 0.25% SiO2-APTES by weight had the highest contact angle value with 100.32° degrees. Among the coatings whose corrosion current densities (Icorr) were measured with the help of a potentiostat, the coating containing 0.25 N-Hybrid was the sample with the highest corrosion resistance with a value of 0.09 μA.cm-2. Biofouling resistance tests also showed that the N-Hybrid structure reduced the tendency of microorganisms to adhere to the surface. The results obtained in this study revealed that the type and amount of nanoparticles play an important role on the properties of epoxy nanocomposite coatings and the N-Hybrid structure has the potential to be an innovative and durable solution for industrial polymeric coating applications.