Kimyasal korozyon direncine sahip çok katmanlı filmlerinhazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of multilayered films withchemical corrosion resistance
Yazar: ALEYNA NUR BAŞEY
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son yıllarda, yüzeylere işlevsellik kazandırmak amacıyla kontrol edilebilir özelliklere sahip ince filmlerin geliştirilmesi, ayırma prosesleri, biyoteknoloji uygulamaları ve yüzeyleri korozyon gibi çeşitli tehlikelerden korumak için tasarlanan yüzey kaplamalarında tercih edilen yaygın bir strateji olmuştur. Bu kapsamda, ekonomik ve uygulaması oldukça basit olan katmanlı kaplama (Layer-by-Layer, LbL) yöntemi yaygın kullanılan bir ince film oluşturma tekniği olarak dikkat çekmektedir. Günümüzde; petrokimya, deniz, havacılık ve otomotiv endüstrilerinin gelişimiyle birlikte, korozyonun neden olduğu ekonomik kayıplar kritik hale gelmiş ve LbL çok katmanlı filmler korozyon korumasında da ilgi görmüştür.
Tez kapsamında, polielektrolit (PE) çözeltileri ve yapılan birçok çalışmada antikorozif özellikleri ele alınan benzotriazol (BTA) ve imidazolyum esaslı iyonik sıvı (IL) varlığında Kuvars Kristal Mikroterazi Disipasyon (QCM-D) yöntemiyle kimyasal korozyona dayanıklı çok katmanlı polimer elektrolit filmler (PEM) iki farklı yaklaşım benimsenerek oluşturulmuştur. İlk yaklaşımda öncelikli olarak PEM yapısının hazırlanmasının ardından antikorozyon ajanların ayrı ayrı söz konusu PEM'ler üzerinden geçirilerek yüzeyde birikmelerinin incelenmesiyle birlikte PEM yapısında meydana gelen ağırlık ve viskoelastik değişimlerin takibi gerçekleştirilmiştir. İkinci yaklaşımda ise kullanılan inhibitör ajanlarının uygun pH'larda pozitif yüklü olması nedeniyle LbL filmlerin hazırlanmasında katyonik PE ile kullanılarak doğrudan LbL film yapısı içerisine ilavesi sağlanmıştır.
QCM-D çalışmalarından elde edilen bulgulara göre sensör yüzeyine kütlece en yüksek antikorozyon ajanının adsorpsiyonunun gerçekleştiği (PAH.BTA-PAA)5, (PAH.IL0,8-PAA)5 ve (PAH.IL.BTA-PAA)5 film yapılarında bulunan inhibitör varlığının tespit edilmesi amacıyla Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve UV-VIS Spektroskopisi (UV-VIS) analizleri yapılmıştır. Bununla birlikte, filmlerin yüzey karakterizasyonlarını incelemek amacıyla yüzey temas açısı ölçümleri ve optik mikroskop analizi yapılırken; filmlerin elektrokimyasal özelliklerinin belirlenmesi amacıyla da Açık Devre Potansiyeli (OCP), Tafel, Potansiyondinamik Polarizasyon ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) ölçümleri gerçekleştirilmiştir.
Tez çalışmasında oluşturulan (PAH.BTA-PAA), (PAH.IL0,8-PAA) ve (PAH.IL.BTA-PAA) PEM yapılarının çalışmada kaplama yüzeyi olarak kullanılan AA2024 alüminyum alaşımı üzerinde etkili bir korozyon koruması sağladığı tespit edilmiştir. Bununla birlikte, (PAH.IL.BTA-PAA)50'nin AA2024 numunesine göre yaklaşık 10 kat daha düşük korozyon hızına sahip olduğu saptanarak diğer PEM yapılarına göre daha yüksek korozyon koruma performansı sergilediği belirlenmiştir.
Sonuç olarak, tez kapsamında kullanılan polielektrolit ve korozyon inhibitörü türüne bağlı olarak farklı bileşimlere sahip çok katmanlı fonksiyonel ince filmler başarıyla hazırlanarak katman gelişimleri QCM-D tekniği ile incelenmiş ve elektrokimyasal analizleri gerçekleştirilen bu filmlerin kimyasal korozyon direncine sahip olduğu gözlenmiştir. Elde edilen sonuçların, özellikle daha önce QCM-D tekniği kullanılarak benzer bir çalışma yapılmamış olması ve IL-BTA karışımının sinerjik etki ile daha üstün korozyon koruma performansı göstermesi nedenleriyle bilimsel literatüre katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
In recent years, the development of thin films with controllable properties to enhance functionality of surfaces has become a widespread research topic, preferred for applications in separation processes, biotechnology, and surface coatings designed to protect surfaces from various hazards like corrosion. In this context, the Layer-by-Layer (LbL) coating method, which is economical and relatively simple to apply, is a widely used technique for producing thin films. Nowadays, with the development of the petrochemical, marine, aviation, and automotive industries, the economic losses caused by corrosion have become critical, and LbL multilayer films have also gained interest for corrosion protection.
In this thesis, chemical corrosion-resistant multilayer functional films (PEM) have been prepared from polyelectrolytes (PEs) and benzotriazole (BTA) and/or imidazolium-based ionic liquid (IL), which have been extensively studied for their anticorrosive properties using Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (QCM-D) technique considering two different approaches. In the first approach, the accumulation of corrosion inhibitors, individually passed over the surfaces of the freshly prepared respective PEMs, was examined, and the weight and viscoelastic changes within the PEM structure were monitored. In the second approach, the inhibitors used, being positively charged at suitable pH, were directly added into the cationic PE to design LbL film including anticorrosive agent during multilayer grow up.
According to the findings obtained from QCM-D studies, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and UV-VIS Spectroscopy (UV-VIS) analyses were conducted to confirm the presence of inhibitors in the (PAH.BTA-PAA)5, (PAH.IL0.8-PAA)5, and (PAH.IL.BTA-PAA)5 film, which exhibited the highest mass adsorption on the QCM-D sensor surface. Additionally, surface contact angle measurements and optical microscope analysis were conducted to examine the surface characterizations of the films while Open Circuit Potential (OCP), Tafel, Potentiodynamic Polarization, and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements were performed to investigate their electrochemical properties.
In this thesis, (PAH.BTA-PAA)50, (PAH.IL0.8-PAA)50, and (PAH.IL.BTA-PAA)50 PEM structures provided effective corrosion protection on the AA2024 aluminum alloy used as a substrate. Among the prepared PEMs, (PAH.IL.BTA-PAA)50 exhibited higher corrosion protection performance with a corrosion rate approximately 10 times slower than that of the AA2024 sample. As a result, multilayered functional thin films with varying compositions depending on the type of PE and corrosion inhibitor used in the thesis have been successfully prepared, and their layer build up have been examined using QCM-D technique. Electrochemical analysis showed that these films obviously displayed chemical corrosion resistance. The obtained results are expected to contribute to the scientific literature, especially because of the lack of similar study using QCM-D technique and superior corrosion protection performance of IL-BTA mixture used as a corrosion inhibition agent due to its synergistic effect.