Mekanik direnci yüksek süperhidrofob kaplamalar
Mechanically robust superhydrophobic coatings
Yazar: MİRAY ÇINAR
Danışman: PROF. DR. HÜSNÜ YILDIRIM ERBİL
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, mikro/nanopartikül katkılı mekanik direnci yüksek süperhidrofob poliüretan kaplamalar sentezlendi. Ucuz maliyetli alifatik polimerik hekzametilen diizosiyanat (HDI) ve akrilat poliol çifti kullanıldı. Yüzeyin pürüzlülüğünü arttırmak için silika, polimer partikülleri ve cam kürecikler katkı olarak kullanıldı. Çalışmada cam, alüminyum, kağıt ve polietilen film yüzeyleri püskürtme ve daldırma yöntemleri ile çok katlı olarak kaplandı. Yüzeyde iyi tutunan hidrofobik fumed silikanın (Aerosil R 974) yüzey pürüzlülüğünü ve temas açısını artırdığı saptandı. Cam kürecik, PVDF, PP, PTFE polimer tozları katkı olarak başarısız oldu. Alt katın katkısız, üst katın katkılı olduğu PU kaplamaların, hem temas açısının büyüklüğü, hem de çizilmeye direnç olarak en iyisi olduğu bulundu. Aerosil R 974 silikası için poliüretan ile optimum karıştırma oranının %23 olduğu, bunun altında olan silika oranlarında temas açısının düştüğü, üstündeki oranlarda ise yüzeyin kalem sertlik direncinin azaldığı görüldü. Aerosil R 974 gibi dimetildiklorosilan (DDS) ile hidrofobize edilmiş ancak farklı partikül büyüklüğüne sahip Aerosil R 972 ve Aerosil 976S silikaları birlikte PU içinde kullanıldığında 170˚ statik temas açısı, 7H kalem sertliğine sahip en başarılı kaplama elde edildi. Bunun sebebi farklı büyüklüklerdeki silika partiküllerinin yüzeye çıkabilmesi ve yüzeyde oluşturulan pürüzlülüğün hem mikro, hem de nano yapılı olmasıdır. Ayrıca taramalı elektron mikroskobu ile çekilen görüntülerde hem dimetildiklorosilan, hem de polidimetilsiloksan ile modifiye edilmiş silikaları (Aerosil R 202) içeren PU kaplama yüzeylerinin de hiyerarşik mikro/nano yapılara sahip olduğu belirlendi. Sonuç olarak, 170 statik temas açısı, 14 temas açı karmaşasına sahip, 7H kalem sertliği çizilme dayanımı veren süperhidrofob yüzeyler elde edildi. Bu değerler, literatürde rapor edilenler arasında en başarılı olanlardandır.


Anahtar Kelimeler: Süperhidrofobik yüzeyler, poliüretan, silika, mekanik dirençli, kalem sertlik testi.

Abstract:
Superhydrophobic coatings having high mechanical resistance were synthesized with the addition of fumed silica microparticles into polyurethane in this thesis work. Aliphatic polymeric hexamethylene diisocyanate and acrylate polyol were used. Silica, polymer powders and glass beads were used as additives to increase roughness of the surface. Glass, aluminum, paper and polyethylene substrates were coated in multiple layers by spraying and dip coating methods. Hydrophobic fumed silica additive (Aerosil R974), increased surface roughness and water contact angles and glass beads, PVDF, PP, PTFE powders were failed to increase contact angles and to impart mechanical resistance. The optimum mixing ratio of Aerosil R974 with  polyurethane was determined to be 23% and contact angles decreased for lower and pencil hardness decreased at higher silica ratios. The highest contact angles (170˚) were obtained with a 7H pencil hardness when Aerosil R974, R972 and R976/S silicas were used all together in polyurethane. These silicas were all hydrophobized with dimethyldichlorosilane and have different particle sizes and forms hierarchical micro/nano structured surfaces when sprayed onto a surface. Scanning electron microscopy (SEM) images confirmed the above structures giving very high contact angles. Polyurethane coatings containing fumed silica particles which were hydrophobized by polydimethylsiloxane (Aerosil R202) also resulted in very high contact angles. In conclusion, a superhydrophobic surface that has 170° static contact angle, 14° contact angle hysteresis, 7H pencil hardness resistance was obtained in this thesis work which was one of the most successful superhydrophobic surface in terms of robustness of those reported in the existing literature.


Keywords: Superhydrophobic surfaces, polyurethane, silica, robust, pencil hardness test.