Alüminyum yüzeyler üzerine süperhidrofobik kaplamaların uygulanmasında proses parametrelerinin deneysel tasarım yöntemleri ile optimizasyonu
Optimization of process parameters with experimental design methods in the application of superhydrophobic coatings on aluminum surfaces
Yazar: ÇETİN KARAGÖL
Danışman: PROF. DR. ÇAĞLAYAN AÇIKGÖZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SAHRA DANDIL
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Aşındırma = Abrasion ; Modifikasyon = Modification ; Taguchi deneyleri = Taguchi experiments ; Taramalı elektron mikroskobu = Scanning electron microscope

Özet:
Yüzey kaplama işlemleri, malzemelere istenilen yüzey özelliklerinin kazandırılması için yoğun şekilde kullanılan ve geliştirilen bir konudur. Bu çalışmada, alüminyum yüzeyler üzerinde, daldırma kaplama yöntemi ile süperhidrofobik kaplamalar geliştirilmesi hedeflenmiş ve bu kapsamda deney koşulları deneysel tasarım yöntemlerinden biri olan Taguchi deney tasarım yöntemi ile de optimize edilmiştir. Deneysel tasarımda; zımpara, aşındırma ve modifikasyon olmak üzere 3 faktör belirlenmiş ve bu üç faktör için de 3 seviye belirlenerek, etki dereceleri ve birbirleri ile etkileşimleri incelenmiştir. 
Deneysel çalışmalarda numune olarak 7 cm x 2 cm x 1,5 mm boyutlarındaki alüminyum plakalar kullanılmıştır. Deney numunelerinin zımpara işleminde 3 farklı zımpara kağıdı (400,600 ve 800' lük) kullanılmıştır. Aşındırma ve modifikasyon işlemleri iki farklı deneysel çalışma ile gerçekleştirilmiştir. Her iki çalışmada da Minitab 18 programı kullanılarak L9 ortogonal düzende 9 farklı deney yapılmıştır. Birinci deneysel çalışmada; zımparalama işlemi tamamlanmış numuneler 4 M' lık hidroklorik asit (HCl) çözeltisine 2, 4 ve 6 dakika daldırılarak aşındırılmıştır. Modifikasyon işlemi için, aşındırılmış yüzeyler 0,01 M derişiminde dodesiltrietoksisilanın etanollü çözeltisine 8, 16 ve 24 saat daldırılarak bekletilmiştir. İkinci seri deneysel çalışmalarda ise;  ardışık olarak baz + asit muamelesi ile aşındırma işlemleri yapılmıştır. Burada, zımparalanmış numuneler 1 M sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisine 10 dakika daldırılarak aşındırılmıştır. Ardından 20 ml H2O: 8 ml HCI: 1 ml CH3COOH oranındaki çözeltiye 3, 5 ve 10 dakika daldırılarak ikinci bir aşındırma işlemi yapılmıştır. Modifikasyon işleminde, aşındırılmış numunelere kütlece % 2' lik palmitik asitin etanollü çözeltisi içinde 15, 30 ve 60 dk sürelerde daldırma işlemi uygulanmıştır.
Elde edilen yüzeylerin süperhidrofobik özelliği, temas açı ölçüm cihazı ile belirlenmiş ve yüzey morfolojileri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Temas açı sonuçlarına göre; her iki çalışmada da 150°' nin üzerinde temas açıları elde edilmiş ve alüminyum yüzeylere süperhidrofobik özellik kazandırıldığı belirlenmiştir. SEM görüntülerinde ise; süperhidrofobik yüzeylerin pürüzlü yapıda olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre; uygulanan yöntemin, alümünyum yüzeyler üzerinde süperhidrofobik kaplamaların geliştirilmesinde kullanılabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
Surface coating processes are a subject that is used and developed extensively to give the desired surface properties to the materials. In this study, it was aimed to develop superhydrophobic coatings on aluminum surfaces with the dip coating method, and the experimental conditions were also optimized with the Taguchi experimental design method, which is one of the experimental design methods. In experimental design; 3 factors were determined as sanding, etching and modification, and 3 levels were determined for these 3 factors, and their degree of influence and interactions with each other were examined.
Aluminum plates with dimensions of 7 cm x 2 cm x 1.5 mm were used as samples in the experimental studies. 3 different sandpapers (400, 600 and 800) were used in the sanding process of the samples. Etching and modification processes were carried out with 2 different experimental studies. In both studies, 9 different experiments were carried out in L9 orthogonal arrangement using Minitab 18 program. In the first experimental study; the sandede samples, were immersed in 4 M hydrochloric acid (HCl) solution for 2, 4 and 6 minutes and etched. For the modification, the etched surfaces were immersed in an ethanolic solution of dodecyltriethoxysilane at a concentration of 0.01 M for 8, 16 and 24 hours. In the second series of experimental studies; etching processes were carried out sequentially with base + acid treatment. Here, sanded samples were etched by 1 M sodium hydroxide (NaOH) solution for 10 minutes. Then, a second etching was carried out by immersing it in a solution of 20 ml distilled water (H2O): 8 ml HCl: 1 ml (acetic acid) CH3COOH for 3, 5 and 10 minutes. In the modification process, the etched samples were immersed in an ethanolic solution of 2 % by mass of palmitic acid for 15, 30 and 60 minutes.
The superhydrophobic properties of the surfaces were determined with the contact angle measuring device and the surface morphologies were examined by Scanning Electron Microscope (SEM). According to the contact angle results; in both studies, contact angles of over 150° were obtained and aluminum surfaces were determined as superhydrophobic. In SEM images; the rough superhydrophobic surfaces were observed. According to the results; it has been determined that the applied method can be used in the development of superhydrophobic coatings on aluminum surfaces.