Geri Dön

Investigating the effect of additives on the performance of non-stick coating films in composite structures

Kompozit yapılardaki yapışmaz kaplama filmlerinde katkı malzemelerinin performansa etkisinin incelenmesi

  1. Tez No: 943519
  2. Yazar: JABIR ISMAEILI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. BİKEM ÖVEZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Ege Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 243

Özet

Floropolimer bazlı yapışmaz kaplamalar, mutfak gereçleri, endüstriyel makineler ve yüksek performanslı uygulamalarda yaygın olarak kullanılmakta olup, olağanüstü termal stabiliteleri, düşük yüzey enerjileri ve kimyasal dirençleri nedeniyle büyük avantajlar sunmaktadır Ancak, sınırlı aşınma dirençleri, yüksek sürtünme ve mekanik zorlanma altında yüzeyin erken bozulmasına neden olmaktadır. Bu tez çalışması, politetrafloroetilen (PTFE), perfloroalkoksi alkan (PFA) ve florlanmış etilen propilen (FEP) matrislerine bor karbür (B4C), siyah silisyum karbür (B.SiC), yeşil silisyum karbür (G.SiC) ve alüminyum oksit (Al2O3) gibi sert dolgu malzemelerinin eklenmesini inceleyerek, aşınma direncini artırmayı ve yapışmazlık özelliklerini korumayı amaçlamaktadır. Bu kapsamda sıvı kompozitler, kaplanmış paneller ve ince filmler olmak üzere üç farklı örnekleme yöntemi kullanılmış ve bu yöntemlerin yapısal bütünlük, aşınma dayanımı ve işlenebilirlik açısından performansları değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın temel odak noktalarından biri, katkı maddelerinin floropolimer kompozit kaplamalar üzerindeki etkisini çok yönlü bir deneysel çerçeve içinde incelemektir. Sıvı kompozit örnekleri, endüstri standartlarına uygun şekilde hazırlanmış ve homojenlik, dispersiyon kararlılığı ve standardizasyon kriterlerine uygunluk açısından toplam farklı kalite kontrol testlerinden geçirilmiştir. Bu testlerin içinde reolojik ölçümler, FTIR ve XRD analizleri gibi 6 kritik karakterizasyon yöntemi yer almakta olup, dolgu malzemelerinin polimer matrisi ile etkileşimini ve yapısal özelliklerini belirlemek amacıyla kullanılmıştır. Sıvı kompozit analizlerindeki en dikkat çekici bulgu, dolgu malzemelerinin kayma incelmesi ve viskozite değişimi ile doğrudan ilişkilendirilerek, kaplama uygulamalarında akışkanlık ve işlenebilirliği önemli ölçüde etkilediğinin tespit edilmesidir. Kaplama panelleri, sıvı kompozitlerden püskürtme yöntemiyle uygulanmış, 150°C'de kurutulmuş ve 400°C'de kürleme işlemi uygulanarak standart hale getirilmiştir. Parlaklık, pürüzlülük, sertlik ve temas açısı ölçümleri gibi farklı kalite testleri uygulanmıştır. Panellerin kalite değerlendirmesine yönelik doğrulama testi sonuçları, özellikle mekanik sağlamlık, tribolojik özellikler ve yapışma performansına odaklanarak tez hedefleriyle doğrudan uyumlu bulunmuştur. Kaplamaların aşınma dayanımı, en kritik performans kriteri olarak belirlenmiştir. Aşınma testi olmadan, değerlendirmenin sadece yapışma kuvveti ve yüzey morfolojisi analizleri ile sınırlı kalması, kaplamanın gerçek kullanım koşullarında dayanıklılığını tam anlamıyla doğrulamak için yetersiz olacaktır. Aşınma performansını nicel olarak değerlendirmek amacıyla, ağırlık kaybı ölçümlerinin yanı sıra hem fotoğraf çekme veya tarama yoluyla görüntü yakalamayı hem de görüntülerin dijital olarak işlenmesini kapsayan gelişmiş bir yöntem kullanılmıştır. Yüzey bozulma verileri ile kütle kaybı arasında R2 > 0.98 gibi yüksek bir korelasyon değeri elde edilmiştir. Bu yöntem, kaplama yüzeyindeki aşınmayı yüksek hassasiyetle analiz etmeyi sağlamış ve geleneksel yöntemlere göre daha güvenilir sonuçlar sunmuştur. Ayrıca, deneysel tasarım (DOE) metodolojisi kullanılarak dolgu türü, dolgu konsantrasyonu, tanecik boyutu ve işlem parametreleri optimize edilmiş ve kaplamaların aşınma direnci üzerindeki etkileri istatistiksel olarak analiz edilmiştir. Döngüsel aşındırma testleri sonucunda, aşınma miktarının çevrim sayısı ile doğrusal olarak arttığı ve farklı polimer ve dolgu kombinasyonlarının aşınmaya karşı değişken direnç gösterdiği belirlenmiştir. Film kaplamaların mekanik ve yüzey özelliklerine etkisi de detaylı bir şekilde incelenmiştir. Film örnekleri, ince film yapışma kalitesi, esneklik ve koruyucu özellikleri açısından değerlendirilmiş, mekanik testlerden çok, gerçek kullanım senaryolarında yapışmazlık ve dayanım testlerine odaklanılmıştır. B₄C dolgulu PTFE filmlerinin en yüksek mekanik dayanım ve aşınma direnci sergilediği belirlenirken, FEP bazlı filmler ise en yüksek elastikiyet değerine sahip olarak esneklik gerektiren uygulamalarda üstün performans göstermiştir. SiC veya Al₂O₃ dolgulu PFA bazlı filmler, esneklik ve koruma performansı açısından dengeli bir seçenek olarak değerlendirilmiştir. Bu çalışma, sıvı kompozitler, kaplanmış paneller ve film kaplamalar kullanılarak üç farklı değerlendirme yöntemi ile katkı malzemelerinin floropolimer kaplamalar üzerindeki etkisini kapsamlı bir şekilde incelemiştir. Tüm test sonuçları karşılaştırıldığında, B₄C dolgulu kaplamaların, tüm yöntemlerde en iyi aşınma direncini sağladığı doğrulanmıştır. Bununla birlikte, sıvı kompozit karakterizasyonu, kaplama formülasyonunun homojenliği ve işlenebilirliği hakkında kritik bilgiler sağlamıştır. Film kaplama analizleri ise, kaplamaların esneklik ve uzun vadeli dayanım performansı hakkında kapsamlı bir değerlendirme sunmuştur. Bu tez çalışması, B₄C dolgusunun yapışmaz floropolimer matrislerinde kullanımı üzerine detaylı ve sistematik bir değerlendirme sunmaktadır. Sonuçlar, B₄C'nin aşınma direncini, mekanik mukavemeti ve uzun vadeli dayanıklılığı önemli ölçüde artırdığını doğrulamaktadır. Performans açısından dolgu maddeleri B4C > B.SiC > G.SiC > Al2O3 ve polimer matrisleri ise PTFE > PFA > FEP sırasıyla değerlendirilmiştir. Bu araştırma, dijital görüntü işleme tabanlı aşınma analizleri, deneysel tasarım metodolojisi ve ileri malzeme karakterizasyonu kullanarak endüstriyel ve tüketici uygulamalarında dayanıklı ve yüksek performanslı yapışmaz kaplamaların geliştirilmesine önemli katkılar sunmaktadır. Gelecekteki araştırmalar, hibrit dolgu sistemleri, ileri nanoyapılı takviyeler ve aşınma direnci mekanizmalarının aşırı yük koşullarında optimizasyonuna odaklanmalıdır.

Özet (Çeviri)

Fluoropolymer-based non-stick coatings, widely utilized in cookware, industrial machinery, and high-performance applications, are valued for their exceptional thermal stability, low surface energy, and chemical resistance. However, their limited wear resistance poses a significant challenge, leading to premature surface degradation under high-friction conditions. This dissertation explores the incorporation of boron carbide (B₄C), black silicon carbide (B.SiC), green silicon carbide (G.SiC) and aluminum oxide (Al2O3) as a reinforcing filler within polytetrafluoroethylene (PTFE), Perfluoroalkoxy alkane (PFA), and fluorinated ethylene propylene (FEP) matrices to enhance mechanical durability without compromising non-stick functionality. A novel approach was adopted by evaluating three different sample forms, liquid composite mixtures, solid panels, and thin film coatings, each subjected to comprehensive testing to assess their structural integrity, wear resistance, and processing reliability. A key aspect of this study is the evaluation of the influence of additives on fluoropolymer composites through a multi-tiered experimental framework. The liquid composite samples were prepared to industry standards and underwent a series of quality control tests to ensure homogeneity, dispersion stability, and compliance with standard processing parameters. Among these, rheological measurements, structural, and thermal analysis were employed to determine the structural effects of the filler materials. 85 to 296 Å crystallite sizes confirm the nanoscale, along with the crystallinity changes with respect to amorphous content. The thermal stability of fillers followed the order as B4C > B.SiC ≈ G.SiC > Al2O3 according to TGA analysis. DSC analysis showed that melting point varies slightly with filler addition, showing that the intrinsic properties of the polymer matrix conserved. The most critical outcome for liquid composite characterization was the confirmation that filler dispersion and polymer matrix interactions significantly affected shear-thinning behavior and processability, which directly influenced coating performance. The composite panels, prepared via spray application and high-temperature curing, were subjected to a detailed performance evaluation, including gloss, roughness, hardness, and contact angle measurements. The validation test results for quality assessment of panels directly aligned with the thesis objectives, particularly focusing on mechanical robustness, tribological properties, and adhesion performance. The most decisive finding from solid panel analysis was the wear resistance evaluation, as it provided a direct measure of the coatings' functional durability. The abrasive wear testing not only been conducted, also the assessment has been relied on adhesion strength and surface morphology analysis, for direct validation of long-term mechanical performance. To quantify wear performance, an advanced method covering both image capturing by photographing or scanning and digital processing of images was employed alongside conventional weight-loss measurements, achieving a strong correlation (R2 > 0.98) between visual degradation patterns and mass loss. This approach enabled precise characterization of surface wear, reinforcing the validity of the experimental design methodology applied in the study. Furthermore, the statistical design of experiments (DOE) was implemented to optimize processing parameters, filler selection, and composite structure, ensuring that the findings were robust and applicable to industrial settings. Among these parameters filler ratio and DFT raised as the most important parameters. Notably, the effect of cyclic abrasion was investigated, revealing that wear increased proportionally with cycle count while varying polymer matrices and fillers demonstrated differential wear resistance. The study also establishes a hierarchy of performance effectiveness, ranking fillers as B₄C > B.SiC > G.SiC > Al₂O₃ and fluoropolymer matrices as PTFE > PFA > FEP in terms of wear resistance and overall mechanical integrity. This result is also consistent with the findings of liquid composite characteristics and panel characterization results. The role of film coatings in this study was critically analyzed, as their inclusion was aimed at understanding thin-film adhesion, flexibility, and protective functionality. Unlike composite panels, film samples were not subjected to a broad range of mechanical validation tests, as their primary purpose was to evaluate flexibility and non-stick performance under real-world usage conditions. The findings confirmed that B₄C-filled PTFE films exhibited superior mechanical strength and abrasion resistance, making them ideal for applications requiring rigidity and durability. In contrast, PFA-based films with SiC or Al₂O₃ fillers offered a balance between flexibility and protective performance, while FEP-based films demonstrated the highest elasticity, making them suitable for specialized applications requiring material stretchability. A fundamental aspect of this research was the comparative evaluation across liquid, panel, and film samples to establish whether similar trends and correlations emerged across different test environments. The results demonstrated a strong agreement between panel and film wear resistance trends, validating the consistency of B₄C as an effective reinforcing agent across multiple processing formats. However, while all sample types contributed unique insights, panel testing emerged as the most critical due to its direct relevance to industrial application performance. Without liquid composite characterization, the formulation process would have lacked fundamental quality validation, while the absence of film analysis would have limited the understanding of coating flexibility and non-stick retention over time. The originality of this study lies in its systematic evaluation of B₄C as a filler in non-stick fluoropolymer matrices, an area previously unexplored in such depth. By integrating three distinct sample forms (liquid composites, coated panels, and thin films) this research provides a comprehensive perspective on the rheological, structural, mechanical, and tribological effects of filler incorporation. The findings confirm that B₄C significantly enhances wear resistance, mechanical strength, and long-term durability, making it the most effective reinforcement among the tested fillers. Through extensive material characterization, digital imaging-based wear quantification, and experimental design-based statistical validation, this research contributes to the advancement of durable, high-performance non-stick coatings for industrial and consumer applications. Future work should explore hybrid filler systems, advanced nanostructured reinforcements, and further computational modeling to optimize wear resistance mechanisms under extreme operating conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    881091

    Geniş bant karıştırma durumunda OTFS-IM sistemlerin BER performansının araştırılması

    Investigating the BER performance of OTFS-IM systems with barrage jamming

    HUSSAM ALSALAMEH

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM DEVELİ

  2. Tez No

    66374

    Pompa betonlarında işlenebilirliğin harç fazının reolijisine dayanarak belirlenmesi

    Estimation of the pumpability of concretes from the mortar phase rheology

    KEMAL TUŞAT YÜCEL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Yapı Malzemesi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. SÜHEYL AKMAN

  3. Tez No

    635490

    Numerical and experimental investigation on the crushing behaviour of auxetic lattice cells produced with additive manufacturing techniques

    Eklemeli imalat teknikleri ile üretilmiş ökzetik kafes yapıların ezilme davranışlarının nümerik ve deneysel olarak incelenmesi

    KADİR GÜNAYDIN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ANTONIO MATTIA GRANDE

  4. Tez No

    640671

    Bir metal kalıpta farklı geometrilerde soğutma kanallarına sahip kalıp çekirdeğinin nümerik analizi ve dmls yöntemiyle üretilerek deneysel olarak incelenmesi

    Experimental investigation and numerical analyses of a metal mold that owned cooling channels with different geometries and manufactured by dmls

    KARANİ KURTULUŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Makine Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ BOLATTÜRK

  5. Tez No

    641459

    Surface modification of micronized quartz powders and investigation of additives as filling material in polymer matrix composite materials

    Mikronize kuvars tozlarının yüzey modifikasyonunun yapılması ve polimer matrisli kompozit malzemelerde dolgu malzemesi olarak incelenmesi

    ORHAN AKYÜZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERAFETTİN DEMİÇ

  6. Tez No

    955926

    Farklı olgunlaşma sürelerine sahip pamuk (Gossypium hirsutum L.) genotiplerine ait melez populasyonların kısıntılı sulama koşullarında incelenmesi

    Investigation of hybrid populations of cotton (Gossypium hirsutum L.) genotypes with different maturation periods under restricted irrigation conditions

    GÜLŞAH MÜJDECİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    ZiraatAydın Adnan Menderes Üniversitesi

    Tarla Bitkileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYDIN ÜNAY

Geri Dön