Design and engineering of slippery liquid-infused porous surfaces by LbL technique for icephobic surfaces and hydrodynamic cavitation
Buzfobik yüzeyler ve hidrodinamik kavitasyon için LbL tekniği ile kaygan sıvı doldurulmuş gözenekli yüzeylerin tasarımı ve mühendisliği
- Tez No: 658433
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FEVZİ ÇAKMAK CEBECİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Bu tez kapsamında yapılan çalışmalar, doğada gözlemlenen, yüzey mühendisliği ve akışkanlar dinamiği ile incelenerek açıklanabilen bir olayın, özelliklerinin ve potansiyel uygulamalarının ortaya çıkarılması için incelenmesi ve taklit edilerek çalışılmasını üzerinedir. Sürahi bitkisinden esinlenilerek hazırlanmış, kaygan sıvı doldurulmuş gözenekli yüzey (SLIPS) teknolojisi, tabaka tabaka (LbL) ince film kaplama tekniği kullanılarak geliştirilmiştir. Yüzeyin pürüzlülüğü, ince bir silika nanoparçacık filminin bir altlık üzerine birikilmesiyle elde edilmiştir ve ardından oluşturulan yüzeyin gözenekleri, yapışmaz, itici, kendi kendine düzenlenebilen, buzfobik ve hidrofobik SLIPS mimarisini oluşturmak için bir yağlama maddesiyle doldurulmuştur. Çapı 40 ila 80 nm arasında değişen negatif yüklü silika nanoparçacıklar Stöber yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir ve TEOS / amonyak oranı kontrol edilerek boyutları ve yüzey yüklerinin miktarı kontrol edilmiştir. Sentezlenen silika nanoparçacıklar, daldırmalı kaplama ve akışkan kaplama yöntemleri ile LbL ince-film kaplama tekniği kullanılarak altlığın yüzeyinde biriktirilmiştir. SEM, AFM, UV-Vis ve elipsometri sonuçları, elde edilen ince filmlerin yüzey pürüzlülüğünün 30 ila 15 nm arasında olduğu, Young modül değerinin 5,3Gpa, görünür bölgede %98 geçirgenlik ve 100 ila 200 nm kontrol edilebilen bir kalınlığa sahip bir kaplamanın elde edildiğini gösterilmiştir. Bir yağlayıcı ile doldurulmuş gözenekli ince film kaplamaların buzfobik özellikleri kendi yaptığımız çevresel koşullandırma kabini içinde bir buz yapışma mukavemeti ölçüm düzeneği kullanılarak değerlendirilmiştir. Elde edilen SLIPS mimarisinin buz yapışma mukavemeti 5 kPa'dan az olarak elde edilmiştir, belirtilen değer literatüre göre oldukça iyidir. SLIPS üzerinde gerçekleştirilen döngü ve yaşlandırma testleri, 100 gün sonra SLIPS'nin buz fobisite özelliklerinde %35'lik bir azalma göstermiştir ve kaplamaların buz yapışma mukavemeti, 50 buz çözme döngüsünden sonra bile referans test örneklerden yaklaşık beş kat daha düşüktür. Yağlayıcının tekrarlanmasıyla başlangıçtaki özellikler tekrar elde edilmiştir. Yüzey topografyası ve özellikleri, mikro ölçekte kavitasyonlu akış oluşumunda önemli bir etkiye sahiptir. SLIPS ve yüzey pürüzlülüğünün kavitasyon akışı üzerindeki etkisini incelemek için tasarlanan SLIPS yapısı, çeşitli hidrolik çaplara sahip hidrodinamik kavitasyon mikroçipleri üzerinde akışkan yöntem ile tabaka tabaka kaplama yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Mikroakışkan cihazlar, 1 ila 7.23 MPa arasında değişen yukarı akış basınçlarına maruz bırakılmıştır ve kavitasyonlu akış ve süper kavitasyon durumunun başlangıcının, işlem görmemiş mikroakışkan cihazlara kıyasla çok daha düşük basınçlarda meydana geldiği gözlenmiştir. Selüloz nanofiberle stabilize edilmiş perfloropentan damlacıklarının mikro kanallarda SLIPS yapısının oluşturulmasıyla, cihaz içinde süper kavitasyon akış modelinin elde edilmesi için yukarı akış basıncını 1,7 MPa'ya kadar düşürüldüğü tespit edilmiştir. Selüloz nanolifler kavitasyon işleminden sonra AFM kullanılarak incelenmiş ve daha düşük giriş basıncı nedeniyle kavitasyon sürecinde hasarsız oldukları görülmüştür, elde edilen sonuçlar kapalı döngü uygulamalarında damlacıkların rejenerasyon potansiyelini artırdığı görülmüştür.
Özet (Çeviri)
In this thesis a phenomenon that had been observed in nature and has been explained by fluid dynamics and surface engineering, was mimicked to study its properties and potential applications. The slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS) technology, which is inspired by pitcher plant, has been developed using Layer-by-Layer (LbL) assembly technique. The roughness of the surface was provided by deposition of a thin film of silica nanoparticles on a substrate and then the porosities of the surface was filled by a lubricant to have a non-stick, ultra-repellent, self-healing, icephobic and hydrophobic SLIPS. The charged silica nanoparticles with a diameter range of 40 to 80nm were synthesized using Stöber method and their size and surface charge were adjusted by controlling the TEOS/Ammonia ratio. The synthesized silica nanoparticles were deposited on the surface of the substrate using LbL assembly technique via dip coating and fluidic coating methods. The SEM, AFM, UV-Vis and ellipsometry results confirmed the deposition of a rough coating with root mean square roughness of 30 to 15nm, young modules of 5.3Gpa, 98% transparency in visible region and thickness of 100 to 200 nm. The icephobic porosities of the assembled thin films, which were filled by a lubricant were evaluated using a homemade ice adhesion strength measurement setup in an environmental chamber. The ice adhesion strength of the prepared SLIPS was measured as less than 5kPa. The cycling and aging tests, which were carried out on the SLIPS showed 35% reduction in the icephobicity of the SLIPS after 100 days and the ice adhesion strength of the coatings was about 5 times lower than untreated samples even after 50 icing deicing cycles. Surface topography and properties have an important influence on the generation of cavitating flow in microscale. For studying the effect of SLIPS and the surface roughness on the cavitating flow, the designed SLIPS structure was layer-by-layer assembled using fluidic method on the hydrodynamic cavitation microchips with various hydraulic diameters. The microfluidic devices were exposed to upstream pressures varying from 1 to 7.23 MPa and it has been observed that the inception of the cavitating flow and supercavitation condition have been occurred at much lower pressures in comparison with non-treated microfluidic devices. Introducing the cellulose nanofiber-stabilized perfluoropentane droplets to the SLIPS assembled micro channels, reduced the upstream pressure down to 1.7 MPa for generation of the supercavitation flow pattern within the device. The cellulose nanofibers were assessed by AFM after the cavitation process and it was observed that they were left undamaged during the cavitation process due to the lower upstream pressure, which in turn, increased the regeneration potential of the droplets for closed-loop applications.
Benzer Tezler
- Synthesis of aerogel coatings and investigation of anti-icing performances
Aerojel kaplamaların sentezi ve buzlanma önleme başarımlarının incelenmesi
ÜMRAN AKGÖL
- Development of electrospun multifunctional fibrous structures for icephobic and superhydrophobic applications
Buzfobik ve süperhidrofobik uygulamalar için elektroeğrilmiş çokişlevli lifli yapıların geliştirilmesi
MAHMUT TAS
Doktora
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiThe University of NottinghamMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. XİANGHUİ HOU
- Kayganlaştıcı sıvı emdirilmiş, gözenekli kaygan yüzeyler (Slips) üzerinde damla buharlaşmasının incelenmesi
Investigation of evaporation of sessile droplets on slippery lubricant-infused porous surfaces (Slips)
RANA ÜÇÜNCÜOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Kimya MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSNÜ YILDIRIM ERBİL