Geri Dön

Yüksek performanslı polimerik yüzey kaplama malzemeleri

High performance polymeric surface coating materials

  1. Tez No: 948689
  2. Yazar: ELİF KESKİN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. NESRİN KÖKEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 142

Özet

Kimya bilimi, moleküler yapıların tasarımı ve işlevsel özelliklerin kontrolü yoluyla malzeme teknolojilerinin gelişmesine yön veren temel bir disiplindir. Günümüzde kimyanın sunduğu bu olanaklar sayesinde yalnızca malzemenin iç yapısal özellikleri değil, yüzey özellikleri de hedeflenerek ürün performansında önemli iyileştirmeler sağlanmaktadır. Özellikle endüstriyel üretimde kullanılan metal, cam ve polimer esaslı yüzeylerin korozyon, aşınma, nem, ultraviyole ışınları ve kimyasal etkilere karşı korunması büyük önem taşımaktadır. Bu bağlamda, yüzeylere yalnızca fiziksel koruma sağlamakla kalmayıp, fonksiyonel özellikler kazandırmayı hedefleyen çok işlevli kaplama teknolojilerine duyulan ihtiyaç artmıştır. Su ve kir tutmama, antibakteriyellik, optik şeffaflık, gaz bariyer özellikleri ve mekanik dayanım gibi özelliklerin tek bir sistemde bir araya getirilmesi, yüzey kaplama teknolojilerinde çözülmesi gereken önemli bir mühendislik problemidir. Bu kapsamda hibrit sol-jel kaplama sistemleri, düşük sıcaklıkta uygulanabilirlikleri, çevre dostu çözücülerin kullanılabilmesi ve yüzeye kimyasal bağlanabilme yetenekleri sayesinde dikkat çeken yenilikçi çözümler sunmaktadır. Sol-jel yöntemi, metal alkoksitlerin (örneğin tetraetil ortosilikat, TEOS) kontrollü hidroliz ve kondensasyonu yoluyla inorganik ağ yapılarının oluşturulmasını sağlar. Organofonksiyonel silanlar (glisidiloksipropil trimetoksisilan, GPTMS ve aminopropiltrietoksisilan, APTES) ile modifiye edilen bu yapılar, hibrit kaplama sistemlerinin geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Ayrıca, florlu silan katkıları (1H,1H,2H,2H-perfluorodesiltrietoksisilan, PFDTES ve 1H,1H,2H,2H-perfluorooktiltrietoksisilan, Dynasylan F 8261) kullanılarak yüzeylerin düşük yüzey enerjili, su ve kir tutmayan özellikler kazanması hedeflenmektedir. Bu çalışmada, farklı organik ve inorganik bileşenlerin kombinasyonuyla geliştirilen dört farklı hibrit kaplama sistemi hazırlanmıştır. Birinci sistem GPTMS ve APTES esaslı GEAN kaplaması, ikinci sistem Dynasylan F 8261 katkılı GEAND kaplaması, üçüncü sistem TEOS, GPTMS ve PFDTES esaslı EC1 kaplaması, dördüncü sistem ise TEOS, GPTMS ve Dynasylan F 8261 katkılı EC2 kaplamasıdır. Bu sistemlerin paslanmaz çelik ve cam yüzeyler üzerindeki uygulanabilirliği, yüzey morfolojisi, kimyasal yapısı, optik geçirgenliği, mekanik dayanımı, ıslanabilirlik özellikleri, termal stabilitesi ve korozyon direnci gibi performans parametreleri detaylı olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda, kaplamaların yapısal karakterizasyonu Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ile gerçekleştirilmiş, silika ağ yapılarının oluşumu ve organik bileşenlerin varlığı doğrulanmıştır. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) analizleri ile yüzey morfolojileri değerlendirilmiş, homojen kaplama dağılımları ve yüzey pürüzlülükleri ortaya konulmuştur. Optik geçirgenlik ölçümleri, cam yüzeylerde şeffaflığın korunabildiğini göstermiştir. Temas açısı ölçümleri ile florlu katkılı kaplamaların hidrofobik özellik kazandırdığı, özellikle GEAND ve EC2 kaplamalarında yüksek temas açıları elde edildiği belirlenmiştir. Mekanik performans testleri kapsamında, esneklik (konik bükme), darbe dayanımı, çizilme direnci ve tutunma testleri gerçekleştirilmiş, kaplamaların fiziksel dayanıklılık açısından endüstriyel gereksinimleri karşıladığı gösterilmiştir. Çevresel dayanım testleri kapsamında gerçekleştirilen nem ve tuz sisi testleri, özellikle GEAND ve EC2 kaplamalarının uzun süreli korozyon ve nem etkilerine karşı üstün performans gösterdiğini ortaya koymuştur. Renk, parlaklık ve su iticilik özellikleri de test edilerek estetik ve fonksiyonel performansın bir arada sağlanabildiği gösterilmiştir. Sonuçlar, florlu katkılarla modifiye edilen hibrit kaplamaların, yüzey enerjisini düşürerek su ve kir tutmama özelliklerini artırdığını, aynı zamanda mekanik ve kimyasal dayanım özelliklerini de iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Optik geçirgenlik özellikleri sayesinde estetik gereksinimleri karşılayan kaplamalar, özellikle ev tipi cihazlar, cam yüzeyli ürünler ve paslanmaz çelik ekipmanlar gibi kullanıcı odaklı uygulamalar için büyük potansiyel taşımaktadır. Ayrıca, laboratuvar ölçeğinde elde edilen başarılı sonuçların sanayi ölçeğine uyarlanabilirliği değerlendirilmiş ve kaplama çözeltilerinin üretim süreçlerine uygunluğu ortaya konulmuştur. Bu çalışma, çok işlevli, çevre dostu ve endüstriyel uygulamalara uygun hibrit sol-jel kaplama sistemlerinin geliştirilmesine yönelik önemli katkılar sunmaktadır. Literatürdeki sınırlamaların ötesine geçerek, optik şeffaflık, su iticilik, mekanik dayanım ve korozyon direncini aynı sistemde birleştiren yenilikçi kaplamalar geliştirilmiş ve performansları detaylı olarak ortaya konulmuştur. Geliştirilen kaplamalar, başta ev tipi cihazlar olmak üzere otomotiv, yapı malzemeleri, elektronik ve diğer birçok sektörde kullanılabilecek yüksek performanslı yüzey çözümleri sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

Chemistry, as a fundamental scientific discipline, plays a pivotal role in advancing material technologies through the design of molecular structures and the control of functional properties at multiple scales. Modern material science increasingly leverages chemical principles not only to enhance the intrinsic bulk properties of materials but also to tailor surface characteristics that directly influence product performance, durability, and application-specific functionality. Particularly in industrial manufacturing, metallic, glass, and polymer-based surfaces are constantly exposed to environmental challenges such as corrosion, abrasion, moisture, ultraviolet (UV) radiation, and chemical interactions. Addressing these challenges necessitates the development of surface engineering solutions that extend beyond simple barrier protection and integrate multifunctional performance criteria. In this context, surface coating technologies have evolved from conventional single-function paints and varnishes to advanced hybrid systems capable of providing multiple functionalities simultaneously. Current industrial demands include not only visual and protective qualities but also properties such as water and oil repellency, anti-fouling behavior, antibacterial activity, optical transparency, gas barrier performance, and mechanical robustness. Integrating such diverse functionalities into a single, scalable coating system presents a significant scientific and engineering challenge that calls for innovative material design strategies. Sol-gel-based hybrid coating systems have emerged as promising candidates to meet these complex requirements. These systems benefit from low temperature processability, the use of environmentally friendly solvents, and the potential to form chemically bonded, durable films on a wide range of substrates. The sol-gel process relies on the controlled hydrolysis and condensation of metal alkoxides, such as tetraethyl orthosilicate (TEOS), to form inorganic network structures. The incorporation of organofunctional silanes, such as glycidyloxypropyl trimethoxysilane (GPTMS) and aminopropyl triethoxysilane (APTES), enables the design of organic-inorganic hybrid coatings with tailored mechanical and chemical properties. Furthermore, the addition of fluorinated silanes, such as 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl triethoxysilane (PFDTES) and 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl triethoxysilane (Dynasylan F 8261), introduces low-surface-energy characteristics, enhancing hydrophobicity and anti-fouling performance. This research presents the systematic development and comprehensive characterization of four different sol-gel-based hybrid coating formulations. These formulations include: (i) GEAN – a hybrid coating based on GPTMS and APTES, (ii) GEAND – a fluorinated variant of GEAN modified with Dynasylan F 8261, (iii) EC1 – a formulation combining TEOS, GPTMS, and PFDTES, and (iv) EC2 – a formulation combining TEOS, GPTMS, and Dynasylan F 8261. These formulations were applied to stainless steel and glass substrates to evaluate their applicability in various industrial scenarios, particularly in the context of home appliances and structural components requiring both aesthetic and functional surface properties. Experimental investigations included structural characterization using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) to confirm the formation of silica network structures and the presence of organic functional groups. Surface morphology and film uniformity were examined using Scanning Electron Microscopy (SEM), revealing homogenous coating distributions and controlled surface roughness. Optical transmittance measurements demonstrated that the coatings maintained high transparency on glass substrates, fulfilling one of the key requirements for aesthetic and optical applications. Water contact angle measurements confirmed that the incorporation of fluorinated silanes significantly enhanced the hydrophobic behavior of the coated surfaces. Both GEAND and EC2 formulations exhibited superior water repellency, achieving high contact angle values that indicate low surface energy and reduced wettability. This property is particularly advantageous for applications requiring easy-to-clean surfaces, anti-fouling behavior, and reduced maintenance requirements, such as in kitchen appliances, sanitary surfaces, and architectural glazing. Mechanical performance of the coatings was evaluated through a series of standardized tests, including flexibility (conical bending), impact resistance, scratch resistance, and adhesion (crosscut) tests. The results demonstrated that the hybrid coatings possessed sufficient mechanical integrity to withstand typical handling, assembly, and operational stresses encountered in industrial applications. Specifically, the GEAND and EC2 coatings exhibited balanced performance, combining mechanical durability with functional surface properties without compromising film integrity or adhesion to the substrate. In addition to mechanical performance, the coatings were subjected to environmental durability assessments, including humidity exposure and salt spray testing. These tests simulated long-term exposure to aggressive environmental conditions such as moisture, corrosive atmospheres, and temperature fluctuations. The results showed that the GEAND and EC2 coatings provided enhanced corrosion resistance on stainless steel substrates, effectively mitigating surface degradation, and maintaining aesthetic appearance over extended exposure periods. The coatings also retained their hydrophobic properties and surface uniformity after environmental testing, further supporting their suitability for long-term practical use. Additional evaluations of surface gloss, color stability, and optical clarity confirmed that the developed coatings could meet both functional and aesthetic requirements. This dual capability is especially relevant for applications involving consumer-facing products, where surface appearance plays a critical role in perceived quality and user satisfaction. The combination of high transparency, water repellency, mechanical robustness, and corrosion resistance highlights the potential of these sol-gel-based hybrid coatings as versatile surface treatment solutions for various industrial sectors. Overall, the findings of this research demonstrate that the systematic design and optimization of sol-gel-based hybrid coatings, incorporating tailored combinations of organofunctional and fluorinated silanes, can lead to multifunctional surfaces with enhanced performance characteristics. The successful application of these coatings on both stainless steel and glass substrates suggests their broad applicability across different materials and product categories. Moreover, the scalability of the sol-gel process and the use of environmentally friendly materials position these coatings as sustainable alternatives to conventional surface treatments. The industrial relevance of the developed hybrid coatings lies in their ability to address multiple performance requirements simultaneously. In sectors such as home appliances, automotive components, building materials, and electronic devices, surfaces are expected to resist environmental degradation while maintaining aesthetic appeal and functionality. Traditional coatings often require trade-offs between mechanical durability, chemical resistance, and surface appearance. However, the results of this study reveal that the hybrid sol-gel systems presented here overcome these limitations by integrating mechanical strength, hydrophobicity, optical clarity, and corrosion resistance into a single, scalable coating solution. Particularly in the home appliance industry, stainless steel and glass surfaces are commonly used for their durability and modern aesthetic. However, these surfaces are prone to fingerprint marks, water stains, and corrosion in humid environments. The developed coatings provide an effective barrier against such issues, enabling easy-to-clean surfaces that maintain their appearance over time. Similarly, the coatings' ability to maintain high optical transparency makes them suitable for glass surfaces used in display panels, architectural elements, and consumer products requiring both clarity and surface protection. The knowledge generated in this research contributes to the field of polymeric surface coatings by providing a comprehensive understanding of how molecular design, process parameters, and material selection influence final coating performance. The systematic approach used in this study—from formulation development and surface characterization to mechanical and environmental testing—offers a methodological framework that can be applied to other material systems and application areas. By bridging the gap between laboratory-scale experimentation and industrial applicability, this research provides valuable insights for future studies aiming to develop multifunctional, sustainable, and high-performance coating technologies. In conclusion, this doctoral research successfully demonstrates the potential of sol-gel-based hybrid coatings as multifunctional surface treatments for metallic and glass substrates. By leveraging the chemical versatility of organofunctional and fluorinated silanes, the developed coatings achieve a balanced combination of mechanical durability, hydrophobicity, optical clarity, and corrosion resistance. The scalability of the process, coupled with the environmental benefits of low-temperature synthesis and solvent selection, positions these coatings as attractive candidates for industrial adoption. The findings not only address existing gaps in the literature regarding the practical application of hybrid sol-gel coatings but also provide a foundation for further exploration of advanced surface functionalities. Future research may focus on enhancing additional properties such as antimicrobial performance, oleophobicity, or self-healing capabilities, extending the applicability of these coatings to even more demanding industrial and consumer product scenarios. Ultimately, the outcomes of this study contribute to advancing the field of material surface engineering by offering scientifically validated, application-oriented solutions that meet contemporary performance and sustainability demands.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    233352

    Maleid imid modifiye reçinelerin sentezi ve kaplama uygulamaları

    The synthesis of maleimide modified resins and their coating applications

    ZERRİN ALTINTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    KimyaMarmara Üniversitesi

    Kimya Bölümü

    PROF. DR. ATİLLA GÜNGÖR

    PROF. DR. NİLHAN KAYAMAN APOHAN

  2. Tez No

    381861

    Synthesis of acrylic emulsion polymer and using in paint formulation

    Akrilik emulsiyon polimerlerinin sentezi ve boya formülasyonunda kullanımı

    ELİS KIRIMLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN

  3. Tez No

    885416

    Synthesis, characterization and applications of fluorine containing maleimide polymers

    Flor içeren maleimid polimerlerinin sentezi, karakterizasyonu ve uygulamaları

    İPEK KAYALI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUBA ÇAKIR ÇANAK

  4. Tez No

    539845

    Güç tutuşur su bazlı poliüretan sentezi ve polyester kumaş kaplaması olarak incelenmesi

    Synthesis of flame retardant waterborne polyurethane and investigation its use in polyester fabric coating

    CANAN YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Polimer Bilim ve TeknolojisiBursa Teknik Üniversitesi

    Lif ve Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN BASRİ KOÇER

  5. Tez No

    485319

    Thin film composite (TFC) nanofiltration membranes for water softening

    Su yumuşatma amaçlı kullanılan ince film kompozit nanofiltrasyon membranları

    TUTKU NUR MEMİÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞERİFE BİRGÜL ERSOLMAZ

    DR. SİMGE TARKUÇ

Geri Dön