Preparation and characterization of heat-resistant and easy-to-clean coating by sol-gel method
Sıcaklık dayanımı olan ve kolay temizlenebilen kaplamanın sol-jel yöntemi ile hazırlanması ve karakterizasyonu
- Tez No: 637479
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ŞEREF SÖNMEZ, PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Metallurgical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
Günümüzde kaplama teknolojisinin ilerlemesiyle beraber; cam, metal, plastik gibi farklı malzemeler kolaylıkla kaplanabilmektedir. Kaplama uygulamaları malzemelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini iyileştirmek ve ayrıca malzemelere farklı fonksiyonel özellikler katmak amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaplama uygulamaları, günlük yaşantımızda, mutfaklarda önemli bir yeri olan beyaz eşya grubu ürünlerine de beklentilere ve teknolojik gelişmelere bağlı olarak kullanılmaktadır. İnce film kaplamalar da değişik birçok yüzeye kolaylıkla uygulanabilmektedir ve uygulandıkları yüzeylerin hem fiziksel hem de kimyasal özelliklerini değiştirebilmeleri sayesinde eşyalar ve teknolojik cihazlar üzerindeki kaplama kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Kaplamalar malzemelere dekoratif amaçlı ya da malzemenin aşınma dayanımı, sıcaklık dayanımı, kimyasal dayanımı ve korozyon dayanımı gibi malzemenin özelliklerini de iyileştirmek amacıyla uygulanabilir. Böylece kaplamalar, normalde malzemenin kendisinde olmayan özellikleri malzemelere kazandırırlar. Özellikle ince film kaplamalar, malzemelere sağladıkları bu avantajlar sayesinde kaplama endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaplamanın; ince yapısı, şeffaflığı ve optik özellikleri nedeniyle özellikle optik aygıtlarda da kullanımı yaygındır ve bu kullanımı günden güne gelişmektedir. Kaplama kullanımlarının en yaygın olduğu alanlar yapı malzemeleri, otomobil cam ve dış yüzeyleri, beyaz eşyalar, küçük ev aletleri, duvarlar, ahşap yer döşemeleri, optik lensler, fotokromik ve elektrokromik malzemeler, güneş panelleri, devreler, sensörler ve filtrelerdir. Kaplama uygulamaları, beyaz eşya sektöründe malzemelerin toz, buzlanma, kir, su, yağ, duman tutma gibi özelliklerini minimuma indirgemek ve malzemelerin anti-reflektif, aşınma direnci, sıcaklık direnci, kolay temizlenebilirlik gibi özelliklerini iyileştirmek için kullanılmaktadır. Ayrıca kaplama teknolojisi sayesinde arzu edilirse malzemenin rengi ve parlaklığını değiştirerek, malzemeye dekoratif olarak güzel estetik bir görünümde kazandırılır. Kolay temizlenebilen özellikli kaplamalar, malzemenin yüzey serbest enerjisini düşürerek malzemeye hidrofobik ve oleofobik özellik kazandırır. Aynı zamanda malzemeyi dış etkilere karşı da koruyacağı için, kaplama zarar görmediği sürece uygulandığı malzemenin kullanım ömrünü uzatır. Kolay temizlenebilir özellikteki kaplamalar malzeme yüzeyindeki kirlerin az bir miktar su veya temizleyici yardımı ile malzemeden kolayca ayrılmasını sağlar. Böylece kiri yüzeyden uzaklaştırmak için farklı birkaç temizleyiciye veya agresif bir aşındırıcıya ihtiyaç kalmaz. Ayrıca bu malzemeleri kullanan müşteriler, yüzey temizleme işlemi sırasında iş gücünden ve zamanlarından tasarruf sağlamış olur. Bunların yanı sıra, ince film kaplama alanında uygulanan kaplama yöntemlerini birbirleri ile karşılaştırdığımız zaman kolay uygulanabilirliği ve homojen bir kaplama elde edilebilmesi nedeniyle sol-jel metodu önemli bir role sahiptir. Sol-jel yöntemi ile istenilen yüzey morfolojisine ve fonksiyonel özelliklere sahip istenilen kalınlıkta kaplamalar elde edilebilir. Kaplamaların malzemelere kazandırdığı tüm bu avantajlar ve kaplama teknikleri göz önüne alınarak, bu tez çalışmasında cam yüzeylere uygulanmak üzere, sol-jel yöntemi ile kolay temizlenebilen, yüksek sıcaklığa (300 °C) dayanımı olan, şeffaf özellikte bir kaplama formülasyonunun ve kaplamanın geliştirilmesi ve cam yüzeylerin geliştirilen bu formülasyon ile kaplanarak karakterize edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla inorganik-organik hibrit kaplama çözeltisi hazırlanarak cam yüzeylere uygulanmıştır. Organik bileşikler yüksek sıcaklıklarda bozulduğundan ve film yapısından ayrılarak ince film kaplama yüzeyinde boşluklar oluşmasına neden olarak filmin cam yüzeye sağladığı özelliklere zarar vermektedir. Bu yüzden, sıcaklık dayanımı olan ve hidrofobisiteye de katkı sağlayacak inorganik katkı malzemeleri organik matriks yapısına ilave edilerek, matriks ile çapraz bağlanması sağlanmış ve sıcaklık dayanımı olan inorganik-organik hibrit kaplama çözeltisi elde edilmiştir. Bu tez çalışmasında formülasyon çözeltisinde kolay hidroliz olabildiği ve sol-jel reaksiyonlarında reaktivitesi yüksek olduğu için TEOS, hidrofobik -CH3 grubunu içeren MTES başlangıç malzemeleri olarak kullanılmıştır. Yüzey enerjisini düşürerek hidrofobik ve oleofobikliği artıran perfloroalkilsilan katkı malzemesi olarak kullanılmıştır. Ayrıca hidrofobik özelliğe sahip, çapraz bağlanma yoğunluğunu artırarak matriks yapısını güçlendireceği için kolloidal silika katkı malzemesi olarak ve son olarak asit katalizör görevi görmesi için kullanılmıştır. İstenen özelliklere sahip kaplama çözeltisi hazırlanarak, kaplama yöntemi ve kürleme sıcaklığının kaplama özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Kaplama yönteminin etkisinin incelenmesi için hazırlanan çözelti cam yüzeylere üç farklı sol-jel kaplama yöntemi (döndürerek kaplama, daldırarak kaplama ve sprey kaplama) kullanılarak uygulanmıştır. Kaplanan cam yüzeyler ise 4 farklı sıcaklıkta (250, 300, 350 ve 400 °C) kürlenerek kürleme sıcaklığının kaplama üzerindeki etkisi incelenmiştir. Farklı kaplama yöntemi ve kürleme sıcaklıkları ile hazırlanan camlar karakterize edilerek, hazırlanan formülasyon için optimum kürleme sıcaklığı ve en uygun kaplama yöntemi tespit edilmiştir. Yüksek sıcaklıkta, kaplama formülasyonunun içerisindeki organik grupların bozunması, yapıdan ayrılması gerçekleşeceği için uygun sıcaklıkta kürleme yapılması kaplamanın kimyasal özelliğini ve kullanım ömrünü doğrudan etkilemektedir. Bunun yanı sıra özellikle endüstriyel uygulamalarda, malzemelerin yüksek sıcaklıklarda kaplanmasının da enerji verimini olumsuz etkileyeceği göz ardı edilmemelidir. Kaplamaların sıcaklık dayanımını karakterize etmek için, kaplamalı camlar 300 °C'de beş çevrim ısıl teste tabi tutulmuş ve her çevrim sonrası temas açısı ölçümü ile su, yağ ve gliserol ıslatma açıları ölçülerek, yüzey serbest enerjilerindeki değişim incelenmiştir. Isıl çevrim testi sonunda yüzey serbest enerji değişimi minimum olan ve hala hidrofobik/oleofobik özellik gösteren kaplamalı camların 300 °C'ye ısıl dayanımı olduğu anlaşılmaktadır. En düşük yüzey serbest enerjisine sahip kaplamalı camın spin kaplama yöntemi ile elde edilen ve 300 °C'de kürlenen kaplamaya ait olduğu görülmüştür (θsu: 101.38°, θn-hekzadekan: 42.80°, Υtop: 18.16 mN/m). Aynı kaplama beş çevrim ısıl test sonunda da düşük yüzey serbest enerjisine sahiptir ve yüzey hala hidrofobik/oleofobik özellik göstermektedir (θsu: 92.26°, θn-hekzadekan: 38.06°, Υtop: 21.03 mN/m). Ayrıca hazırlanan sol-jel çözeltisinin ve kaplamalı camların diğer özelliklerinin de araştırılabilmesi için birtakım karakterizasyon yöntemleri kullanılmıştır. Çözelti içerisinde oluşan organik bağların incelenebilmesi ve istenilen bağ yapısının (Si-O-Si iskelet yapısının) oluşup oluşmadığının anlaşılması için FTIR analizi yapılmıştır. TGA analizi ile çözeltinin termal özellikleri incelenmiştir. Kaplamalı camların yüzey morfolojisi ve kaplama kalınlığı SEM-EDS analizi ile analiz edilerek, kaplama yöntemi ve kürleme sıcaklığının bu özellikler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Temas açısı ölçümleri ile de yüzeyin hidrofobik/oleofobik özellikleri ve yüzey serbest enerji değeri tespit edilmiştir. Spektrofotometri cihazı kullanılarak her ısıl çevrim sonunda kaplamalı cam yüzeylerin renk değişimi ölçülerek, kaplamanın fiziksel özelliğine (renk) sıcaklığın etkisi araştırılmıştır. Dış görünüş olarak şeffaf kaplamalar üretilmiş olsa da şeffaflığının kanıtlanması için UV-Vis analizleri ve geçirgenlik, bulanıklık, berraklık, parlaklık ölçümleri de tamamlanarak üretilen kaplamaların fiziksel özellikleri incelenmiştir. Cam yüzeylerin çizilmesi estetik olarak hoş görünmeyeceği ve kaplamanın özelliklerini olumsuz etkileyeceği için cam yüzeylerin çizilme dirençleri de ölçülmüştür. Son olarak cam yüzeylere kolay temizlenebilirlik testi uygulanmış ve kaplamalı camların kaplamasız cama kıyasla daha kolay temizlenebilir olduğu anlaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
Coating technology is improving day by day, and with this developing technology, different materials like glass, metal, and plastic can be easily coated. Surface coating applications are used to improve the physical and chemical properties of materials and give them new functional properties. Thin-film coatings can also be applied to several different surfaces and change the surfaces' both physical and chemical properties on which they are applied. These coatings can be applied to the materials for giving a better decorative appearance, or they can be applied to enhance the material's properties such as abrasion resistance, heat-resistance, chemical resistance, corrosion resistance, and easy cleanability. In addition to being used to improve the properties of materials, thin-film coatings can change the color and brightness of the material and give the materials an aesthetic appearance. Thin-film coatings are widely utilized in the coating industry due to these advantages. The foremost common areas of use of coatings are building materials, automobile glass and exterior surfaces, white goods, small appliances, walls, wooden flooring, optical lenses, photochromic and electrochromic materials, solar panels, sensors, and filters. Recently, the use of easy-to-clean thin-film coatings in white goods has increased due to customer satisfaction. Easy-to-clean coatings reduce the surface free energy of the material and increase the material's hydrophobic/oleophobic properties. It enhances the chemical properties withstand for extraneous effects of the material; therefore, it extends the lifetime of the material. ETC coatings allow the dirt on the material surface to be easily separated from the material with some water. Thus, there is no need for an aggressive cleaning agent to remove the dirt from the material surface. It provides convenience to the end-user by saving labour and time during the surface cleaning process. In addition, in the thin-film coating industry, when comparing the coating methods with each other, the sol-gel method has an important place because of its easy applicability and providing a homogeneous coating. Coatings with desired surface morphology and functional properties can be obtained with the sol-gel method. The easy applicability of this method to material surfaces facilitates its application in mass production. The theme of this study has been formed by considering all these advantages and coating techniques. The aim of this thesis is to develop a transparent, easy-to-clean, and high-temperature resistant (300 ° C) coating formulation that can be applied to glass surfaces by the sol-gel method. Besides, in this study, the effect of the coating method and the curing temperature on the coating properties were examined. The impact of the coating method was investigated using three different techniques (spin coating, dip coating, and spray coating). The coated glass surfaces were cured at four different temperatures (250, 300, 350, and 400 ° C), and the effect of curing temperature on the coating was examined. After the glasses coated with different coating methods and different curing temperatures were characterized, the optimum curing temperature and the most suitable coating method were determined for the formulation prepared. Since organic groups in the coating formulation will degrade at high temperatures, curing at an appropriate temperature affects the coating's chemical properties and lifetime. In order to characterize the thermal resistance of the coatings, the coated glasses were tested for five cycles at 300 ° C. At the end of each thermal cycle, the surface contact angle was measured, thereby examining the hydrophobic/oleophobic properties and the change in the surface free energy. At the end of five cycles, it can be said that coated glass, which has a minimum surface free energy change and still has hydrophobic/oleophobic properties, has a thermal resistance to 300 ° C. The coated glass, which has the lowest surface free energy, has been coated by a spin coater and cured at 300 °C (θwater: 101.38°, θn-hexadecane: 42.80°, Υtop: 18.16 mN/m). This coated-glass has low surface free energy after five cycles of thermal testing, and it still shows hydrophobic/oleophobic properties (θwater: 92.26°, θn-hexadecane: 38.06°, Υtot: 21.03 mN/m). Besides, characterization methods were used to investigate the prepared sol-gel solution and other properties of coated glasses. FTIR analysis was carried out to examine the organic bonds formed in the solution and to understand whether the desired bond structure is formed (formation of a Si-O-Si skeleton). The thermal properties of the solution were examined by TGA analysis. The surface morphology and coating thickness of coated glasses were determined by SEM-EDS analysis, and the effect of the coating method and curing temperature on these properties were examined. The hydrophobic/oleophobic properties and surface free energy of the coated glasses were determined by the contact angle values. The effect of temperature on the colour changing of the coating was investigated by measuring the colour change of coated glass surfaces after each thermal cycle using a spectrophotometry device. Transparent coatings were produced, and this physical feature has been tested using UV-Vis analysis of the coatings and also transmission, haze, clarity, and gloss measurements analysis of the coatings were done. Since scratching the glass surface negatively affects the aesthetic appearance of the glass material and the properties of the coating, the scratch resistance of the coated glasses was also measured. Finally, a performance test for testing their easy-to-cleanability has been applied to coated and uncoated glasses, and it has been seen that coated glasses were easily cleaned compared to uncoated glasses.
Benzer Tezler
- Al-butoksit'in sol-jel yöntemi ile modifikasyonu ve oluşan ürünün kaplamada kullanılması
Modification of Al-butoxide by the sol-gel process and using the product as coating material
GAMZE GÜL AVCI
- Isı yalıtımı uygulamaları için cam nanolif üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of glass nanofibers for thermal insulation applications
AHSEN ÜNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- Polimer emdirme yöntemi ile alüminyum 6063 alaşımı esaslı açık hücreli köpük üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of open cell aluminum foams by polymer replication method
CEREN YAĞŞİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
- Tüberküloz teşhisi için kullanılmak üzere mikro ısıtıcı tasarlanması karakterizasyonu ve üretimi
Microheater design production and characterisation for using in tuberculosis detection
MUHAMMED BEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Polimerik nanokompozit hazırlama ve karakterize edilmesi
Polymeric nanocomposite preparation and characterization
BETÜL KAYMAK