Yüksek mekanik dayanımlı saydam süperhidrofobik kaplamaların üretilmesi ve karakterizasyonu
Yüksek mekani̇k dayanimli saydam süperhi̇drofobi̇k kaplamalarin üreti̇lmesi̇ ve karakteri̇zasyonu
Yazar: İLKER TÖRÜN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA SERDAR ÖNSES
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Su ve organik çözücüler gibi farklı sıvılara karşı yüksek derecede iticiliğe sahip yüzeyler, kendiliğinden temizlenen, korozyon önleyici, buzlanma önleyici, su hasatlayıcı kaplamalar gibi geniş bir uygulama sahası için büyük ilgi çekmektedir. İdeal sıvı itici bir yüzeyde, ilgili sıvı yüksek bir temas açısına sahip olmalı ve minimal bir yapışma sergilemlidir. Su için bu yüzeyler, statik temas açısı 150o'nin üzerinde ve su damlalarının yüzeyden yuvarlanması için gerekli kayma açısı 10o'nin altında olduğunda süperhidrofobik (SHP) olarak adlandırılmaktadır. Özellikle uygulamalar için aranan en önemli özellikler, kaplamaların su iticilik, mekanik dayanım ve saydamlığının yüksek olmasıdır. Bu tez çalışmasının ilk kısımda mekanik darbeye ve aşınmaya karşı dirençli SHP kaplamalar kâğıt altlıklar üzerinde, florine edilmiş silika nanoparçacıkların tek adımda spreyle kaplanmasıyla üretilmiştir. Kâğıt üzerindeki SHP kaplamalar, 5° 'den daha düşük yuvarlanma açıları ile gösterildiği gibi, suya ve ~ 45 mN /m'den daha yüksek yüzey gerilimine sahip organik sıvılara aşırı derecede iticidir. SHP kaplanmış kâğıt yüzeyleri, farklı mekanik aşınma testlerini takiben statik temas açılarında ve yuvarlanma açılarında herhangi bir değişiklik olmaksızın sıvı itme davranışlarını muhafaza etmiştir. Kendiliğinden temizleme, buzlanmayı önleme ve gıda ambalajlamadaki kullanım örnekleri ile birlikte mekanik sağlamlık özelliğiyle SHP kâğıtlar büyük bir uygulama potansiyeline sahiptirler. 
İkinci kısımda ise yansıma önleyici ve saydam süperhidrofobik kaplamaların (SHPARC) üretimi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Tamamen şeffaf ve suya dayanıklı süperhidrofobik kaplamalar, güneş hücreleri, fotonik cihazlar ve otomotiv ve inşaat endüstrisi için pencereler de dâhil olmak üzere geniş bir uygulama yelpazesinde büyük önem taşımaktadır. Bu tür kaplamaların üretilmesi için en pratik ve yaygın olarak kullanılan yaklaşımlardan biri, hidrofobik nanopartiküllerin çözeltiden biriktirilmesidir. Bu tür kaplamalarda zorluk, eşzamanlı olarak yüksek seviyede su iticilik, mükemmel şeffaflık ve su-darbesi direnci sunmamasıdır. Bu çalışmada, aşılanmış ince polimer (<12 nm) filmlerin, su-darbeye dayanıklı ve yansıma önleyici süperhidrofobik kaplamaların (SHPARC) imal edilmesi için sprey kaplama yöntemi ile hidrofobik nanoparçacıklar için mükemmel arayüzler sağladığı gösterildi. İskelet kimyası ve moleküler ağırlığa bağlı olarak, aşılanmış polimerler, florine edilmiş silika nanoparçacıkları ile benzersiz bir şekilde etkileşime girmesi ile yansıtıcı kayıpların azaltılmasını ve su damlacıklarının etkisinden korunmayı sağlayan nanoyapılı filmler oluşturur. Poli(etilen glikol) hidrofilik tabakalar ile modifiye edilmiş olan altlıklar, hidrofobik polimerlere kıyasla daha yüksek su-darbesi direnci sergilemişlerdir. Aşılanmış poli(etilen glikol) üzerinde SHPARC'nın kayma açısı, 100,000 su damlasına maruz kaldıktan sonra 2°'den küçük olduğu gösterilmiştir. Elde edilen kaplamalar, cam yüzeylerinin saydamlığını ve her yönden yansıma önleyici özelliğini % 5 arttırmıştır. Son olarak, kendi kendini temizleyen fotovoltaik modüllerin üretiminde bu tür kaplamaların güç dönüşüm verimliliğini önemli ölçüde azaltmadan (<0,23%) büyük bir alanda (156 × 156 mm2) silikon güneş pili üzerinde SHPARC uygulaması gösterilmiştir.

Abstract:
Surfaces that are extremely repellent to a wide range of liquids including water and oils organic solvents are of significant interest for practical applications in self-cleaning, water harvesting, anti-icing, and anti-corrosion coatings. An ideal liquid repellent surface should not only display high contact angles but also exhibit minimal sticking to the liquid of interest. For water, such surfaces are commonly defined as superhydrophobic (SHP) when the water contact angle is greater than 150o and the sliding angle required for the rolling-of the droplets is smaller than 10o. The most important aspects for practical applications are high levels of water repellency, mechanical robustness and transparency. The first part of this thesis focused on fabrication of mechanically robust SHP coatings on paper substrates by one-step spray-coating of fluorinated silica nanoparticles. The coatings were extremely repellent to water and organic liquids with surface tensions higher than ~45 mN/m, as demonstrated by the sliding angles that are lower than 5o. The coated paper substrates retained their SHP behavior without any discernable change in their static contact and sliding angles following different mechanical wear tests. Mechanical robustness together with demonstrations in self-cleaning, anti-icing and food-packaging show great promise for the use of fabricated paper substrates in different applications.
In the second part, the fabrication and characterization of anti-reflective and transparent SHP coatings were performed. Fully transparent and water impact resistant superhydrophobic coatings are of great importance in a broad range of fields including solar cells, photonic devices and windows for automotive and construction industry. One of the most practical and widely utilized approach to fabricate such coatings involves solution-based deposition of hydrophobic nanoparticles. A central challenge is that such coatings do not simultaneously offer high levels of water repellency, perfect transparence and water-impact resistance. Here we demonstrate that end-grafted polymer thin (<12 nm) films provide excellent interfaces for spray-coated hydrophobic nanoparticles leading to water-impact resistant and anti-reflective superhydrophobic coatings (SHPARCs). Depending on the backbone chemistry and thickness, end-grafted polymers uniquely interact with the fluorinated silica nanoparticles resulting in nanostructured films that enable reduction of reflective loses and protection from impact of water droplets. Substrates modified with end-grafted hydrophilic polymers exhibited high water-impact resistance: the sliding angle of SHPARC on end-grafted poly(ethylene glycol) was <2o after exposure to 100,000 water droplets. The resulting coatings increased the transparency of the underlying glass substrates by ~5% through omnidirectional anti-reflectivity. We finally demonstrate application of SHPARC on large area (156 × 156 mm2) silicon solar cells without significant (<0.23%) reduction of the power conversion efficiencies illustrating the promise of such coatings in fabrication of self-cleaning photovoltaic modules.