Süperkritik karbondioksit ortamında sentezlenen fluroakrilat kopolimerden süper-hidrofobik, süper-oleofobik yüzey ve sıvı bilya eldesi ve uygulamaları
Formation of superhydrophobic and superoleofophobic surfaces from fluoroacrylate copolymers in supercritical carbon dioxide medium and liquid marble and aplications
Yazar: UĞUR CENGİZ
Danışman: PROF. DR. H. YILDIRIM ERBİL
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Polimer sentezi = Polymer synthesis ; Süperkritik karbon dioksit = Supercritical carbon dioxide ; Yüzey hidrofobisitesi = Surface hydrophobicity

Özet:
Süperoleofobik (süper yağ-itici) ve süperhidrofobik (süper su-itici) yüzeyler, üzerlerinde sırasıyla yağ ve su sıvılarının 150°'den büyük temas açısı ve çok düşük ?temas açısı karmaşası? veren yüzeyler olarak tanımlanır. Bu yüzeylerin, hava veya su içerisindeki organik, inorganik veya biyolojik maddelerin sebep olduğu kirlenmeyi önlemek gibi pratikte birçok uygulaması vardır. Bu konu, son zamanlarda özellikle fırın ve ocak gibi mutfak yüzeylerinde yağ itici yüzeylerin kullanımının artması ile endüstriyel olarak ciddi önem kazanmıştır.Bu tez çalışması kapsamında, süperhidrofob ve süperoleofob yüzey eldesin de kullanılacak düşük yüzey enerjili perfloroakrilat kopolimerleri, CO2-genişletilmiş monomer içerisinde sentezlenmiştir. Sentezlenen kopolimerlerin molekül ağırlıklarının, reaksiyona beslenen perfloroakrilat miktarı arttıkça doğrusal olarak düştüğü ve toplam monomer başına CO2 oranının artmasıyla da doğrusal olarak arttığı bulunmuştur. Bu kopolimerlerden faz ayrımı tekniği ile sentezlenen pürüzlü süperhidrofob yüzeyler başarı ile yapılsa da, bu yüzeylerin süperoleofob olmadığı saptanmıştır. Ancak daha sonra hegzadekan damlasının 152o açı verdiği süperoleofob yüzey, sıvı CO2 ortamında polimer çözeltisine silika partiküller karıştırılarak elde edilmiştir.Ayrıca, yüzey gerilimleri 20,7-72,8 mN/m arasında değişen 14 farklı sıvı damlası, flor içeren polimer tozlar ile kaplanarak sıvı bilyeler elde edilmiş ve bunların ömürleri saptanmıştır. Sıvı bilyelerin partikül çaplarının, 8 ? m' den 60 ? m' ye artması ile su üzerindeki su bilye ömürlerinin 170 dakikadan 1 dakikaya düştüğü görülmüştür. En kararlı sıvı bilye ise cam ve su üzerinde bir haftaya yakın bir sürede küresel şeklinde bir değişiklik olmayan hegzadekan sıvı bilyesidir.Öte yandan, çapları 410-1450 nm arası değişen boncuksuz ve boncuk içeren fiberler, elektrospinning tekniği ile floroakrilat terpolimer kullanılarak sentezlenmiştir. Fiber çaplarının terpolimer molekül ağırlığı, DMF içerisindeki konsantrasyonu ve akış hızı artması ile arttığı, uygulanan elektrik alanın düşmesi ile azaldığı bulunmuştur. Hiyerarşik bir düzen içinde olan boncuk fiber yüzeyinde su, gliserin ve etilen glikol damlalarının temas açısı değerleri sırasıyla 172o, 167o ve 163o olduğu bulunmuştur. Hegzadekan damlası temas açısı değerleri ise boncuk fiber yüzeylerinde 70o iken, boncuksuz fiber yüzeylerinde 0o temas açı vererek yayılmaktadır.

Abstract:
Superoleophobic and superhydrophobic surfaces are defined as surfaces on which oil and water drops form a contact angle larger than 150° and having a very low ?contact angle hysteresis?. These surfaces are applied to prevent the contamination caused by organic, inorganic or biological substances which are present in air or water. This subject has recently gained high industrial interest as a result of the usage of oil repellent surfaces in the kitchen ovens, benches and stoves.Low surface energy of perfluoroacrylate copolymer surfaces were synthesized in the CO2-expanded monomer phase and used to obtain superhydrophobic and superoleophobic surfaces. It was found that the molecular weights of the synthesized copolymers linearly decreased as the ratio of perfluoroacrylate feed to the reactor increased and also linearly increased as the CO2/total monomer ratio increased. Rough superhydrophobic surfaces were successfully synthesized from these copolymers via the phase separation method. However, these surfaces were not superoleophobic. A superoleophobic surface was obtained where a hexadecane drop gives a 152o degree by mixing silica particles into a perfluoropolymer solution in the liquid CO2 environment.Liquid marbles were also obtained by encapsulating flor containing polymer particles onto 14 different liquids in which their surface tension values were between 20.7-72.8 mN/m. Life-times of these liquid marbles were also determined. It was observed that the life-time of water marbles on water surface decreased from 170 minutes to 1 minute by increasing the particle diameter of the liquid marbles from 8 to 60 ? m. The most stable liquid marble was the hexadecane marble, whose spherical shape did not change for almost a week on both glass and water surfaces.Beads containing and uniform fiber with diameters ranging from 410 to 1450 nm were synthesized by the electrospinning technique using fluoroacrylate terpolymer. It was determined that the fiber diameters increased with the terpolymer molecular weight, polymer concentration in DMF and flow rate increase, and it decreased with the decrease of applied electric field. The contact angle of the water, glycerine and ethylene glycol drops on the bead-fiber layer surface having a hierarchical order was also found as 172o, 167o and 163o, respectively. It was determined that the contact angle values of hexadecane drops on bead containing fiber surfaces was 70o, while it spreads on the uniform fiber layers with a contact angle of 0o.