Functional anti-icing and anti-corrosive composites
Fonksiyonel buzlanma önleyici ve korozyon önleyici kompozitler
- Tez No: 531088
- Danışmanlar: PROF. DR. ADEM LEVEND DEMİREL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 253
Özet
Nano ve mikro büyüklükte dolgu parçacıkları içeren işlevsel kompozit kaplamalar, uzay alanından biyomedikal implantlara kadar çok çeşitli uygulamalarda, özellik ve performans gerekliliklerini karşılayabilen uygun aday malzemelerdir. Bu tez çalışmasında, buzlanmayı ve korozyonu önleme işlevine sahip birkaç özgün kompozit malzeme tasarlandı ve gerçekleştirildi. Bütün bu kompozit malzemelerde, kimyasal kararlılığı, biyouyumluluğu, yüzeylerinin kolaylıkla işlevselleştirilebilmesi ve morfolojilerinin kolaylıkla değiştirilebilmesi nedenleriyle silika bazlı gözenekli nano- ve/veya mikro- dolgu parçacıkları kullanıldı. Buzlanmayı önleyici madde veya korozyon inhibitörü ile yüklenmiş gözenekli silika bazlı dolgu malzemeleri, SBS matrisi veya elektrokaplanmış Fe-P filmlerin içine katılarak buzlanmayı veya korozyonu önleme işlevine sahip özgün kompozit kaplamalar elde edildi. Bu işlevler, SBS matrisi içinde gözenekli silika bazlı dolgu malzemelerine doldurulmuş ajanların salımıyla, Fe-P matrisi içinde ise silika bazlı dolgu malzemelerinin Fe-P matrisini anodik olarak polarize etmesiyle sağlandı. Farklı gözenek yapılarına ve morfolojilerine sahip mezogözenekli silika yapılar, farklı tiplerde iyonik olmayan yüzey aktif maddeler (polietilen oksit bazlı blok kopolimerler) ve tetra etil ortosilikat (TEOS) kullanılarak, yüksek asidik bölgede ve oda sıcaklığında sol-jel yöntemi ile sentezlendi. 200-600 m2/g aralığında yüksek özgül yüzey alanı, herhangi bir ısıl işlem veya yüksek sıcaklıkta yaşlandırma olmaksızın elde edildi. Mezogözenekli silika yapıların morfolojileri küresel parçacık ve monolit morfolojileri arasında yüzey aktif madde/TEOS oranı ve asit katalizör konsantrasyonu ayarlanarak başarılı bir şekilde kontrol edildi. Küresel silika parçacıkları (çapları ~ 800-4300 nm), silindirik mezogözeneklerin bir yönde hizalandığı birincil parçacıklardan (çapları ~ 20-30 nm) oluştu, ancak küresel parçacık içindeki her bir birincil parçacığın hizalanma yönü rastgeleydi. Diatomlu toprak (DE) veya mezogözenekli silika doldurulmuş SBS bazlı kompozitler buzlanma önleyici madde salınımı yapan özgün kaplamalar olarak geliştirildi. Ağırlıkça %30 oranında silika (DE veya mezogözenekli silika) dolgu malzemesi içeren SBS kompozitlerin içine buzlanma önleyici ajanlar, kompozitin hazırlanması sonrasında dietil eter/aseton ikili karışımı içindeki buzlanma önleyici ajan (EG veya PEG) çözeltisine daldırılması suretiyle dolduruldu. Çözünmüş buzlanma önleyici ajan malzemeler, bu ikili karışım içinde şişmiş halde bulunan SBS matrisi içine nüfuz etti. Gözenekli silika parçacıkları, hidrofobik SBS matrisinde buzlanma önleyici madde taşıyıcısı olarak görev yaptı. Kompozit içinde bulunan buzlanma önleyici madde miktarı, ikili karışımdaki buzlanma önleyici madde konsantrasyonu ile arttırıldı ve bu kompozit üzerindeki su damlacıklarının daha uzun sürede donmasını sağladı. Etki eden buzlanma önleyici mekanizmanın buzlanma önleyici ajanın su ile temasıyla beraber kompozitten salımı ve bunun sonucunda suyun donma sıcaklığının düşmesi olduğu gösterildi. Matris içindeki DE gözeneklerinde yer alan PEG'in salımı, kompozit filmlerin daha küçük parçalara kesilmesi ve su/kompozit arayüzey alanının arttırılmasıyla gerçekleştirildi. Bu aynı zamanda, geliştirilmiş olan kompozitlerin, buzlanma önleyici işlevlerini çizilme ve aşınma durumlarında bile uzun süreler koruyabileceğini göstermektedir. Çizikler ve aşınmalar, gözenekleri buzlanma önleyici madde ile dolu ve SBS matrisi içinde gömülü olan silika parçacıklarının üst yüzeye çıkmasına ve suyla temas etmesine, böylelikle buzlanma önleyici ajanların salımına olanak verir. Benzer salınım mekanizmasının, metaller üzerindeki korozyon önleyici kaplamalar için de çalıştığı gösterildi. SBS matrisine gömülmüş, çevre dostu korozyon önleyici (Kitosan veya PEG) yüklü silika bazlı dolgu maddeleri (DE, mezogözenekli silika veya haloysit nanotüpler) bakır alt tabakalarına daldırma yöntemiyle uygulandı. Kaplamaların korozyon önleyici özellikleri, 0.5M NaCl çözeltisi içinde elektrokimyasal yöntemlerle ölçüldü. Dolgu malzemesi yüklenmemiş SBS kaplamalar, metali çözünmekten koruyarak pasif bir bariyer görevi görmektedir. Tafel eğrileri ve döngüsel voltamogramlar, kompozitle kaplanan bakırın, korozyon akım yoğunluğunun ve pasif akım yoğunluğunun, dolgu malzemesiyle yüklenmemiş SBS'e kıyasla ~63% daha düşük olduğu netlikle gösterdi. Pasif akım yoğunluğu, korozyon akım yoğunluğu ve çukur oluşturma (pitting) korozyonunun derecesi kompozit kaplamalardaki inhibitör yüklü silika bazlı gözenekli parçacıkların miktarının artmasıyla azaldı. Elektrokaplanmış Fe-P tabakalarına korozyon inhibitörü yüklenmiş veya yüklenmemiş silika bazlı dolgu maddelerinin (mezogözenekli silika parçacıklar veya haloysit nanotüpler) katılmasının, filmlerin korozyona karşı olan dirençlerini arttırdığı gözlendi. Fe-P tabakalarında silika bazlı dolgu maddeleri kullanılarak, bu tabakalardaki korozyon hızı, ~14 kat azalarak, 0.56 mm/yıl'dan 0.04 mm/yıl'a kadar düştü.
Özet (Çeviri)
Functional composite coatings consisting of nano- and micro- filler particles are suitable candidates to meet the property and performance requirements in applications ranging from aerospace to biomedical implants. In this thesis work, several novel composites having anti-icing or anti-corrosion functions have been designed and realized. In all composites, silica based porous nano- and/or micro- filler particles were used due to their chemical stability, biocompatibility, easy surface functionalization and easy-to-tailor morphologies. Porous silica based fillers loaded with anti-icing agent or corrosion inhibitor were incorporated either in SBS matrix or in Fe-P electrodeposited films to obtain composite coatings with unique anti-icing or anti-corrosion properties based on either the release of the agents filled into porous silica-based fillers in the SBS matrix or the ability of silica based fillers to anodically polarize the metallic Fe-P matrix. Mesoporous silica assemblies having different pore structures and morphologies were synthesized by sol-gel method using different types of non-ionic surfactants (polyethylene oxide-based block copolymers) and tetra ethyl orthosilicate (TEOS) precursor in highly acidic region and at room temperature. High specific surface area of 200-600 m2/g was achieved without any heat treatment or aging of the samples at elevated temperature. The morphology of the mesoporous silica assemblies was successfully controlled between spherical particles and monoliths by surfactant/TEOS ratio and acid catalyzer concentration. The spherical silica particles (800-4300 nm in diameter) were composed of primary particles (20-30 nm in diameter) within which cylindrical mesopores were aligned, but the alignment direction of each primary particle was random. Diatomaceous earth (DE) or mesoporous silica loaded SBS based composites were developed as novel anti-icing agent releasing coatings. 30% by weight silica (DE or mesoporous silica) loaded SBS composites were post filled by keeping the composites in anti-icing agent (EG or PEG) solutions in diethyl ether/acetone binary mixtures. The dissolved anti-icing agents penetrated into the swollen SBS matrix in the binary mixture. Porous silica particles served as the anti-icing agent carrier in the hydrophobic SBS matrix. The amount of anti-icing agent retained in the composite was increased by increasing the concentration of the anti-icing agent in the binary mixture, which resulted in longer freezing times of water droplets on the composite. The effective anti-icing mechanism was shown to be the release of the anti-icing agent upon contact with water and subsequent decrease of the water freezing temperature. The release of PEG in the inner DE pores was achieved by cutting the composite films into smaller pieces and increasing the water/composite interfacial area. This shows that the developed composites maintain their anti-icing activity for longer times in the presence of scratches and wear. Scratches and wear allow the anti-icing agent filled pores of silica particles buried in the SBS matrix to be exposed to the top surface with the possibility of new anti-icing agents being released when in contact with water. The similar release mechanism was shown to work for anti-corrosive coatings on metals. Environmentally friendly corrosion inhibitor (Chitosan or PEG) loaded silica-based fillers (DE, mesoporous silica or halloysite nanotubes) embedded in SBS matrix were applied to copper substrates by dip coating method. The anti-corrosion properties of the coatings were electrochemically measured in 0.5 M NaCl solution. Unloaded SBS coating acted as passive barrier by protecting the metal from dissolution. The Tafel plots and cyclic voltammograms clearly showed that the corrosion current density and passive current density of copper coated by the composite were ~63% lower compared to unloaded SBS. The passive current density, the corrosion current density and the extent of pitting corrosion decreased with increasing amount of inhibitor loaded silica-based containers in the composite coatings. The incorporation of corrosion inhibitor loaded or unloaded silica-based fillers (mesoporous silica particles or halloysite nanotubes) into electrodeposited Fe-P layers was shown to enhance the corrosion resistance of the films. The corrosion rate of Fe-P layers decreased by as much as a factor of 14 from 0.56 mm/year to 0.04 mm/year by incorporating silica-based fillers in the Fe-P matrix.
Benzer Tezler
- Design of a functional composite membrane via particle stabilized emulsion templating
Kararlılaştırılmış, parçacıklı emulsiyon kalıplama tekniği ile fonksiyonel kompozit zar tasarımı
SELİN KANYAS
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Bilim ve TeknolojiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SEDA KIZILEL
- One-pot synthesis of amide-functional main-chainpolybenzoxazine precursors
Amit fonksiyonlu ana zincir polibenzoksazinlerin tek-potada sentezi
CANAN DURUKAN
- Yüksek korozyon dirençli grafen tabanlı nanokompozit kaplamaların geliştirilmesi
Development of high corrosion resistance graphene based nanocomposite coating
SEÇİL PEKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KERİM YAPICI
- Poliolefin kaplanarak süperhidrofobik hale getirilen polyester kumaşların sentezi ve karakterize edilmesi
Synthesis and characterization of superhydrophobic polyester fabrics coated by polyolefins
BAHAR ŞENGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Kimya MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSNÜ YILDIRIM ERBİL
- Stacking sequence optimization of the anti-buckled graphite/epoxy laminated composites for minimum weight using generalized pattern search algorithm
Genelleştirilmiş model arama algoritması kullanılarak burkulmayan tabakalı grafit/epoksi kompozitlerin minimum ağırlık için tabaka dizilimlerinin optimizasyonu
HAKAN BOYACI
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HATİCE SEÇİL ARTEM