TR201922041A2 - Süperhi̇drofobi̇k yüzeyleri̇n dayaniminin arttirilmasi i̇çi̇n kullanima uygun bi̇r altlik hazirlama yöntemi̇ - Google Patents

Abstract

Bu buluş; polimerik bir sıvı karışımın hazırlanması (i), üç boyutlu fiber matrisli yapıya sahip bir malzemenin şablon olarak kullanılacak şekilde yerleştirilmesi (ii), Fiber matrisli yapıya sahip malzemenin üzerine söz konusu karışımın kaplanması (iii), karışımın kürlenmesi ve soğutulması (iv), kürlenen elastomerik karışımın fiber matrisli malzeme yüzeyinden ayrılması (v) adımlarını içeren; endüstriyel uygulamalara kolaylıkla adapte edilmeye uygun, mekanik dayanımı ve kullanım ömrü arttırılmış ve yüksek iticiliğe sahip süperhidrofobik yüzeylerin elde edilmesi için kaplamanın altında kullanıma uygun bir altlık hazırlama yöntemi ile ilgilidir.

Description

TARIFNAME SUPERHIDROFOBIK YUZEYLERIN DAYANIMININ ARTTIRILMASI içiN KULLANIMA UYGUN BIR ALTLIK HAZIRLAMA YONTEMI Teknik Alan Bu bulus; endüstriyel uygulamalara kolaylikla adapte edilmeye uygun, mekanik dayanimi ve kullanim ömrü arttirilmis ve yüksek iticilige sahip süperhidrofobik yüzeylerin elde edilmesi için kaplamanin altinda kullanima uygun bir altlik hazirlama yöntemi ile ilgilidir. Teknigin Bilinen Durumu Günümüz teknolojileri arasinda, süperhidrofobik kaplamalar sivi iticilik özellikleri sebebi ile korozyon, buglanma, buzlanma, kirlenme vb. gibi birçok özelligi sagladigi için ilgi odagi haline gelmistir. Süperhidrofobik kaplamalar 150 dereceden daha yüksek temas açisina ve dereceden daha az yuvarlanma açisina sahip kaplamalardir. Yuvarlanma açisi ve temas açisi ayri ayri önem arz etmektedir. Temas açisi, sivinin yüzeye yayilmamasi açisindan Önemlidir. Yuvarlanma açisi ise yüzeye damlatilan sivinin yüzeyden hemen uzaklastirilmasi ve buzlanma, bugulanma, kirlenme gibi durumlarda daha verimli sonuçlar saglanmasi açisindan önemlidir. Bu kaplamalarin sagladigi özellikler ile birçok alanda kullanilabilecegini göstermektedir. Uçak ve havacilik sanayisi, kâgit sanayisi, seramik sanayisi, ambalaj sanayisi, tekstil sektörü gibi birçok alanda kullanim potansiyeli bulunmaktadir. Süperhidrofobik kaplamalarin uygulanmasi için çesitli yöntemler mevcuttur. Süperhidrofobik kaplamalarin sprey kaplama yöntemi kullanarak kaplanmasi ile birçok avantaj saglanmis olup; ucuz, pratik uygulama, istenilen boyutta kaplama, genis viskozite araliginda çalisabilme vb. faydalarindan dolayi yaygin olarak tercih edilmektedir. Tüm bu avantajlarinin yani sira süperhidrofobik kaplamalarin uygulamalarinda bazi dezavantajlari bulunmaktadir. Bunlardan en önemlileri; mekanik dayanimlarinin uygulama için istenilen seviyede olmamasi ve kaplamanin saydamliginin yeterince yüksek olmamasi seklinde sayilabilir. Literatürde bu dezavantajlarin giderilmesi için çesitli çalismalar yapilmaktadir. optik saydamliga sahip bir süperhidrofobik kaplamadan bahsedilmektedir. Kaplama kompozisyonunun florlanmis hidrofobik bir çözücü, baglayici olarak florlanmis hidrofobik bir polimer ve hidrofobik silika nanopartiküller içerdigi açiklanmistir. Teknikteki bir diger doküman olan TR2015/08263 sayili patent dokümaninda ise; nano boyutlardaki hidrofobik parçaciklarin modifiye edilerek yüzey enerjilerinin düsürülmesi, modifiye edilen parçaciklarin polimer matris içerisinde dagitilarak reçinenin hazirlanmasi, reçinenin uygun polaritedeki bir çözücü ortaminda dagitilmasi, reçine-çözücü karisiminin yüzeye uygulanmasi, reçinenin kür olma sicakligi ve çözücünün buharlasma sicakligi göz önünde bulundurularak yüzeyin isitilmasi adimlarini içeren ve kaplamanin kaplandigi yüzeye tutunusunu arttiran bir süperhidrofobik kaplama yönteminden bahsedilmektedir. Mevcut teknikte yer alan uygulamalar incelendiginde; süperhidrofobik kaplamalarin üretilmesinde en yaygin olarak kullanilan yöntem düsük yüzey enerjiye sahip moleküller ile modifiye edilmis nanopartiküllerin yüzeyler üzerinde biriktirilmesidir. Nanopartiküllerin olusturdugu topografi ile düsük yüzey enerjisi birlestiginde süperhidrofobik kaplamalar elde edilmektedir. Ancak; sivi itici özellige sahip bu kaplamalar, üzerinde bulunduklari yüzeye de çok zayif bir adezyon göstermektedir. Mevcut teknikte buna çözüm olarak nanopartiküllerin farkli polimer matrisler içerisine karistirilarak uygulanmasi düsünülmüstür. Ne yazik ki bu yaklasim ile yalnizca kismi bir iyilesme gerçeklesmektedir. Ayrica kullanilan polimerik malzemeler kaplamalarin su iticilik özelliginde azalmaya neden olmaktadir. Süperhidrofobik yüzeylerin elde edilmesi için gelistirilen mevcut çalismalar göz önüne alindiginda; mekanik dayanimi yükseltirken ayni zamanda su itici özelligi de arttiran yenilikçi yöntemlere günümüzde halen ihtiyaç duyuldugu görülmektedir. Bulusun Kisa Açiklamasi Mevcut bulus; yukarida bahsedilen gereksinimleri karsilayan, tüm dezavantajlari ortadan kaldiran ve ilave bazi avantajlar getiren, süperhidrofobik yüzeylerin elde edilmesi için bir altlik hazirlama yöntemi ile ilgilidir. Bulusun öncelikli amaci; cam, tekstil, deri, plastik, seramik, metal, beton, tas, ahsap yüzeyleri de içine alan genis bir malzeme grubu üzerine uygulanmaya uygun bir altlik hazirlama yöntemi gelistirmektir. Bulusun bir diger amaci; fiber matrisli malzemelerin üç boyutlu yapisindan yararlanilan ve bu sayede mekanik darbe dayanimi ve su itici özelligi iyilestirilmis süperhidrofobik yüzeylerin elde edilmesidir. Yukarida anlatilan amaçlarin yerine getirilmesi için mevcut bulus, süperhidrofobik yüzeylerin dayaniminin arttirilmasi için kullanima uygun bir altlik hazirlama yöntemi olup; i. Polimerik bir sivi karisimin hazirlanmasi ii. Uç boyutlu fiber matrisli yapiya sahip bir malzemenin sablon olarak kullanilacak sekilde yerlestirilmesi iii. Fiber matrisli malzemenin üzerine söz konusu karisimin kaplanmasi iv. Karisimin kürlenmesi ve sogutulmasi v. Kürlenen polimerik karisimin fiber matrisli malzeme yüzeyinden ayrilmasi, adimlarini içermektedir. Bulusun yapisal ve karakteristik 'özellikleri ve tüm avantajlari asagida verilen detayli açiklama sayesinde daha net olarak anlasilacaktir. Bu nedenle degerlendirmenin de detayli açiklama göz önüne alinarak yapilmasi gerekmektedir. Bulusun Detayli Açiklamasi Bu detayli açiklamada, süperhidrofobik yüzeylerin dayaniminin arttirilmasi için kullanima uygun bir altlik hazirlama yönteminin tercih edilen uygulamalari, konunun daha iyi anlasilmasina yönelik olarak ve hiçbir sinirlayici etki olusturmayacak sekilde açiklanmaktadir. Bulus, süperhidrofobik yüzeylerin dayaniminin arttirilmasi için kullanima uygun bir altlik hazirlama yöntemi olup; i. Polimerik bir sivi karisimin hazirlanmasi ii. Uç boyutlu fiber matrisli yapiya sahip bir malzemenin sablon olarak kullanilacak sekilde yerlestirilmesi iii. Fiber matrisli malzemenin üzerine söz konusu karisimin kaplanmasi iv. Karisimin kürlenmesi ve sogutulmasi v. Kürlenen polimerik karisimin fiber matrisli malzeme yüzeyinden ayrilmasi, adimlarini içermektedir. Bulusun tercih edilen uygulamasinda, (i) numarali islem adiminda bahsi geçen sivi karisim termoset yapida olup, tercihen polidimetilsiloksan (PDMS) içermektedir. Bulusun bir uygulamasina göre sivi karisim ayrica çapraz baglayici yani kürleyici özellige sahip bir madde, tercihen dimetilhidrojen siloksan, içermektedir. Bu uygulamaya göre; PDIVlS ve kürleme ajaninin agirlikça oranlari 10:05 ila 10:6 arasindadir. Yine bu uygulamaya göre sivi karisim, PDMS ve kürleme ajaninin karistirilarak 10 dakika boyunca desikatör içerisinde vakumda hava kabarciklarinin uzaklastirilmasiyla hazirlanmaktadir. Bunu takip eden (ii) numarali islem adiminda, bahsi geçen üç boyutlu fiber matrisli yapiya sahip malzeme, nanometrik ve mikrometrik boyutta bosluklar içeren sablon olarak düsünülebilir. Bulusun tercih edilen uygulamasinda yapisi kopyalanarak süperhidrofobik kaplama için mekanik dayanim saglayacak hiyerarsik yapiya sahip malzemeler kullanilmaktadir. Bunlar; nanometrik/mikrometrik yapiya sahip kagit yapisinda malzemeler olabilir. Bulusun tercih edilen uygulamasinda; fiber matrisli malzeme; fotokopi kagidi, tas kagidi, filtre kagidi, saman kagidi, karton, kumas ve nanoüretim teknikleri ile üretilmis sablonlari içeren gruptan seçilmektedir. Bulusun diger uygulamalarinda; fiber matrisli yapi, sentetik olarak da üretilebilmektedir. (iii) numarali islem adiminda, sivi karisim, fiber matrisli malzeme üzerine kaplanmakta ve bu malzemeyi islatmasi beklenmektedir. Böylelikle sivi karisimin, fiber matrisli malzemenin yapisinda bulunan mikrometrik/nanometrik boyuttaki kanal ve bosluklara dolmasi mümkün olmaktadir. Bulusun bir uygulamasina göre; sivi haldeki termoset polimer fiber matrisli malzeme üzerine dökülerek elastomerik film olusturulmaktadir. Bulusun tercih edilen uygulamasinda, (iv) numarali islem adiminda bahsi geçen kürleme islemi 20°C ila 30000 araliginda gerçeklestirilmektedir. Kürleme sicakligi kürleme süresine bagli olarak degisiklik göstermektedir. Yani oda sicakliginda 24 saat de kürlenebilirken 30000' de 15 dakika gibi bir sicaklikta kürlenebilmektedir. Kürleme süresi ve sicakligi genis bir aralikta seçilebilmektedir. Kürleme sonunda sivi karisim katilasarak elastomerik özellik göstermekte ve sablonun seklini almaktadir. Böylelikle fiber matrisli malzemenin üç boyutlu yapisi (kanallar, bosluklar, girinti ve çikintilar) elastomerik malzemeye aktarilmis olur. Katilasarak yüzeyi mikrometrik boyutta modifiye edilen elastomerik malzeme tercihen atmosfer kosullarinda sogutulmaktadir. Sogutulan elastomerik malzeme (v) nolu islem adiminda fiber matrisli malzeme üzerinden siyrilarak ayrilmasiyla altlik elde edilmis olmaktadir. Bulus konusu yöntemle hazirlanan altlik daha sonra, süperhidrofobik yüzey eldesi için bir kaplama solüsyonu ile kaplanmaktadir. Kaplama solüsyonu düsük yüzey enerjili (<30 Nm'1 ) moleküller ile modifiye edilmis nanopartiküller içermektedir. Bu uygulamaya göre bahsi geçen modifiye nanopartiküllerin hazirlanmasi için 2 gram nanopartikül alinarak 40 mL toluen içerisine eklenerek manyetik balik yardimi ile karistirilmaktadir. Hazirlanan bu homojen karisima 1 mL düsük yüzey enerjisine sahip alkil silan, tercihen dodesiltriklorosilan, yavas yavas eklenmekte ve karisim 3 saat boyunca karistirilmaktadir. Karistirma isleminden sonra 15 dakika boyunca santrifüj uygulanmaktadir. Santrifüj isleminden sonra modifiye edilmis olarak elde edilen nanopartiküller firinda 80°C de kurutulmaktadir. Kurutma islemi tercihen yaklasik 12 saat sürdürülmektedir. Burada bahsi geçen nanopartiküller; hidrofilik silika, titanyum dioksit, demir dioksit, çinko oksit nanopartikülleri içeren gruptan seçilmektedir. En tercih edilen uygulamaya göre, bahsi geçen nanopartiküller hidrofilik silika nanopartikülleridir. (vi) nolu islem adimi kapsaminda, hazirlanan bu modifiye nanopartiküllerin tercihen etanol içerisinde dagitilmasiyla kaplama solüsyonu hazirlanmaktadir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasina göre, kaplama solüsyonu alkil silan ile modifiye edilmis silika nanopartikülleri içermektedir. Buna göre kaplama solüsyonu tercihen agirlikça %2 oraninda modifiye nanopartikül içermektedir. Söz konusu dagitma islemi vorteks cihazi ile saglanmaktadir. Bulusun diger bir uygulamasinda; kaplama solüsyonu bitkisel mumlar, hayvansal mumlar ve madensel mumlar içeren gruptan seçilen en az bir mum içermektedir. Kaplama solüsyonu tercih edilen bir uygulamada karnauba mumu içermektedir. Bu uygulamaya göre; karnauba mumu etanol içerisine eklenerek 120°C'de isitici plaka üzerinde isitma yapilarak karistirilmaktadir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasina göre, kaplama solüsyonu agirlikça Kaplama islemi döndürerek kaplama, daldirarak kaplama veya sprey kaplama ile yapilabilmektedir. Bulusun tercih edilen uygulamasina göre ise, etanol solüsyonu sprey kaplama ile elastomerik malzeme üzerine uygulanmaktadir. Sprey kaplama için tercihen 0.35 mm nozul çapina sahip sprey tabancasi kullanilmaktadir. Kaplama islemiyse tercihen 4 bar basinçta 10-30 cm mesafeden gerçeklestirilmektedir. Bulusun bir uygulamasina göre; karnauba mumu içeren kaplama kurutulduktan sonra alüminyum folyo yardimiyla asindirilarak yüzeydeki ince film seklindeki tabakanin kaldirilmasini içeren bir islem adimi daha yer almaktadir. Asinma isleminden önce temas açisi yaklasik 140 dereceyken asinma sonrasi temas açisi 168 dereceye kadar çikmaktadir. Burada ayni zamanda karnauba mum partiküllerinin elastomerik malzeme yüzeyine kopyalanmis kanallar içerisine girmesi saglanmaktadir. Bulus konusu kaplama yöntemi; uygulama yapilacak yüzey ile ilgili fiziksel ve kimyasal bir sinirlama bulunmamasi nedeniyle her türlü yüzeye uygulanabilmektedir. Cam, tekstil ve deri, plastik, seramik, metal, duvarlar, tas ve ahsap, elektronik ürünler bunlar arasinda sayilabilir. Bulus konusu yöntem; tekstil, otomotiv, havacilik, ambalaj, elektronik, sanayilerinde kullanim için uygundur. Bulus konusu yöntemle olusturulan süperhidrofobik yüzeylerin mekanik dayanimi birçok test ile ölçülmüs ve mevcut teknikte yer alan diger birçok süperhidrofobik yüzeye kiyasla çok daha yüksek oldugu görülmüstür. Su sprey darbe testi, su jeti darbe testi, damla darbe testi bunlardan birkaçidir. Su sprey darbe testinde, numune yüzeyine 90°'Iik açi ile 2.5 cm mesafeden su püskürtülmüstür. 3.85 m/s'lik bir hizla yüzeye çarpan su damlaciklari yüzeyde ~7.41 kPa basinç ile darbe olusturdu. Kontrol grubu olarak test edilen silisyum altlik, cam ve islem görmemis elastomerik malzemeler kayda deger bir dayanim sergilememektedir. Cam ve silisyum altlik kullanilarak hazirlanan süperhidrofobik kaplamalar, 20-30. turlarda süperhidrofobik özelligini kaybederek hidrofilik (<90°) Özellik sergiledikleri görülmüstür. Islem görmemis, herhangi bir yapi içermeyen, elastomerik altlikla hazirlanan kaplamada ise 200. turun sonunda süperhidrofobiklik özelligini kaybederek temas açisi 130"ye d'L'i smüstür. Bulus konusu yöntemi ile gelistirilen yani islem görmüs, mikro yapili elastromerik malzeme kullanilarak elde edilen süperhidrofobik kaplamaya ayni kosullarda sprey darbe testi uygulandiginda 200 turun sonunda bile hala 170°gibi çok yüksek temas açisini muhafaza ettigi gözlemlenmistir. Su jeti darbe testinde 5.78 mm nozul çapina sahip musluk kullanilarak tazyikli suyun altina 45°!Iik açi ile yerlestirilmis numune yüzeyinde darbe olusturulmasi saglanmistir. 7.4 m/s'lik bir hiz ile yüzeye çarpan su, ~27.4 kPa basinç ile yüzeyde darbe olusturmaktadir. Yapilan testler sonucunda altlik malzeme olarak silisyum, cam veya islem görmemis, herhangi bir yapi içermeyen, elastomerik malzeme kullanilarak yapilan süperhidrofobik kaplamalar bu darbe testinde de kayda deger bir dayanim sergilememistir. Cam ve silisyum altlik kullanilarak hazirlanan süperhidrofobik kaplamalara su jeti darbe testi uygulandiginda 1. dakikanin sonunda süperhidrofobik özelligini kaybederek hidrofilik (< 90 ) özellik sergilemislerdir. Islem görmemis elastomerik altlikla hazirlanan kaplamada ise 5. dakikanin sonunda temas açisi 150°iye kadar düserek yüksek iticilik özelligini kaybetmistir. Bulus yöntemi ile gelistirilen süperhidrofobik kaplama ise ayni kosullarda 10 dakikanin sonunda hala 175°gibi çok yüksek temas açisini muhafaza ed ebilmektedir. Uzun süreli damla darbe testinde, su damlalarinin 30 cm yükseklikten serbest düsme yapmasiyla 45°'Iik açi ile yerlestirilmis numune yüzeyinde darbe olusturulmasi saglanmistir. Damlalarin serbest düsmesiyle 2.801 m/s'lik bir hizda yüzeye çarpan su damlaciklari yüzeyde ~3.922 kPa basinç etkisi ile darbe olusturmustur. Bu test sonucunda da bulus konusu yöntemle elde edilen süperhidrofobik yüzeyler kontrol gruplari karsisinda üstün dayanim göstermistir. Bu testler disinda ayrica uzun süreli ultrasonik temizleme, yikama, deterjana maruz birakma gibi testler de uygulanmis ve süperhidrofobik özelligin korundugu tespit edilmistir. Bulus konusu yöntemin bir diger avantaji da uygulandigi yüzeyin su iticiligi (temas açisi) düstügü zaman bulusun getirmis oldugu avantaj sayesinde (viii) nolu islem adiminin tekrarlanmasiyla su iticilik özelliginin artirilabilmesidir. Bu özellik su sekilde açiklanabilir: Elastomerik yüzey üzerinde olusturulan morfolojik yapi sayesinde düsük yüzey enerjisine sahip moleküller ile modifiye edilmis nanopartiküller yüzeydeki morfolojik yapida bulunan kanallar arasina sikismaktadir ve yüzeye uygulanan darbe ile çikmasi güçlesmektedir. Bu sayede bulus konusu yöntemle elde edilen süperhidrofobik yüzeyler yüksek sivi iticiligini ve yüksek darbe dayanim özelligini devam ettirebilmektedir. TR TR

Claims (1)

1.ISTEMLER Süperhidrofobik yüzeylerin dayaniminin arttirilmasi için kullanima uygun bir altlik hazirlama yöntemi olupi özelligi; i. Polimerik bir sivi karisimin hazirlanmasi ii. Uç boyutlu fiber matrisli yapiya sahip bir malzemenin sablon olarak kullanilacak sekilde yerlestirilmesi iii. Fiber matrisli malzemenin 'üzerine söz konusu sivi karisimin kaplanmasi iv. Karisimin kürlenmesi ve sogutulmasi v. Kürlenen elastomerik karisimin fiber matrisli malzeme yüzeyinden ayrilmasi, adimlarini içermesidir. Istem 1ie uygun bir yöntem olup, özelligi; (i) numarali islem adiminda bahsi geçen sivinin termoset yapida olmasidir. Istem 1'e uygun bir yöntem olup, özelligi; (i) numarali islem adiminda bahsi geçen sivinin polidimetilsiloksan içermesidir. Istem 3*e uygun bir yöntem olup, özelligi; sivinin ayrica kürleme ajani içermesidir. Istem 4ie uygun bir yöntem olup, özelligi; k'L'irIeme ajaninin dimetilhidrojen siloksan olmasidir. Istem 4 veya Siten herhangi birine uygun bir yöntem olup, özelligi; polidimetilsiloksan ve k'ürleme ajaninin agirlikça oraninin 10:05 ila 10:6 araliginda olmasidir. Istem 1'e uygun bir yöntem olup, özelligi; (ii) numarali islem adiminda bahsi geçen 'üç boyutlu fiber matrisli yapiya sahip malzemenin fotokopi kâgidi, tas kagidi, filtre kagidi, saman kagidi, karton, kumas ve nanoüretim teknikleri ile 'üretilmis sablonlari içeren gruptan seçilmesidir. Istem 7'ye uygun bir yöntem olup, özelligi; 'üç boyutlu fiber matrisli yapiya sahip malzemenin nanometrik/mikrometrik boyutta bosluklar içeren kâgit malzeme olmasidir. Istem 85e uygun bir yöntem olup, özelligi; 'üç boyutlu fiber matrisli yapiya sahip malzemenin fotokopi kagidi olmasidir. Yukaridaki istemlerden herhangi birine uygun bir yöntem olup, özelligi; (iii) numarali islem adiminda bahsi geçen kaplamanin sivi karisimin, fiber matrisli malzemenin yapisinda bulunan mikrometrik/nanometrik boyuttaki bosluklara dolacak sekilde dökülerek film olusturmak suretiyle uygulanmasidir. istem 10'a uygun bir yöntem olup, özelligi; (iv) numarali islem adiminda bahsi geçen k'ürleme isleminin 20 °C - 300 °C sicaklik araliginda isitici plaka üzerinde 15 dakika ila 24 saat araliginda gerçeklestirilmesidir. Yukaridaki istemlerden herhangi birine uygun bir yöntem olup, özelligi; (v) numarali islem adiminda fiber matrisli malzemenin 'üç boyutlu yapisinin nanometrik/mikrometrik boyutta aktarildigi elastomerik malzemenin kati halde fiber matrisli malzemeden siyrilarak ayrilmasidir. TR TR