Tek aşamalı sprey kaplama yöntemi ile saydam ve yüksek dayanımlı süperhidrofobik cam yüzeylerin oluşturulması

Abstract

Süperhidrofobik yüzeyler 150º'nin üzerinde su değme açılarına ve düşük kayma açılarına sahip yüzeyler olarak bilinir. Süperhidrofobik yüzeyler ıslanmama ve kendi kendini temizleme özelliklerinden dolayı endüstriyel uygulamalarda büyük ilgi görseler de düşük ışık geçirgenliği ve düşük dayanımlarından dolayı endüstride hala aktif olarak kullanılamamaktadır. Özellikle sprey kaplama gibi kolay uygulanabilir yöntemlerle yüksek ışık geçirgenliğine ve yüksek dayanıma sahip süperhidrofobik cam yüzeyler elde etmek hem endüstriyel uygulamalar için hem de literatürde en yaygın problemlerdendir. Bu çalışmada gelişmiş imalat yöntemleri kullanılmadan, tek aşamalı sprey kaplama yöntemi ile geniş alanlara ekonomik olarak uygulanabilir, ucuz, saydam, yüksek dayanımlı cam yüzeylerin oluşturulması amaçlanmıştır. Süperhidrofobik yüzeyler elde etmek için iki ana nokta vardır. Birincisi, yüzey mikro-nano pürüzlülüğünü arttırmak, ikincisi ise yüzey enerjisini azaltmaktır. Bu nedenle, bu tezde, yüzey pürüzlülüğünü arttırmak için küresel silika nanoparçacıklar (Si NPs) ve yüzey enerjisini azaltmak için ODTS ve PDMS kullanılmıştır. Tezin ilk bölümünde Stöber yöntemi ile farklı boyutlarda silika nanoparçacıklar sentezlenmiştir. Sentezlenen silika nanoparçacıkların boyutları NH4OH, DIW, TEOS gibi öncü kimyasalların miktarları değiştirilerek ayarlanmıştır. Ayrıca santrifüj ve kurutma işlemlerinin silika nanoparçacıklar üzerindeki aglomerasyon mekanizmaları detaylıca incelenmiştir. Tezin ikinci bölümünde, farklı boyutlarda sentezlenen silika nanoparçacık içeren solüsyonların spreylenmesiyle oluşturulmuş cam yüzeylerin ışık geçirgenliği, su temas açısı ve kayma açısı incelenmiştir. Ayrıca silan mofiyeli silika nanoparçacıkların farklı miktarlarda spreylenmesiyle oluşturulmuş cam yüzeylerin ışık geçirgenlikleri, su değme açısı ve kayma açısı incelenmiştir. Tezin son bölümünde, PDMS/Si NPs tabanlı cam numuneler üretilmiştir. Spreylenen solüsyondaki silika nanoparçacık ağırlık yüzdesi ve solüsyondaki PDMS/Si NPs ağırlık oranları değiştirilerek üretilen cam yüzeylerin dayanımı, ışık geçirgenliği, su değme ve kayma açıları incelenmiştir. Çalışmalarımız, literatürde ilk defa herhangi bir silan modifikasyonu içermeyen ortalama 40 nm hidrodinamik çapa sahip Si NP'ların, seyreltik PDMS çözeltileriyle tek aşamalı olarak cam yüzeylere spreylendiğinde, %70 üzerinde ışık geçirgenliğine, 160° üstünde su değme açılarına ve farklı aşındırma testlerine karşı yüksek dayanım sağladığını göstermiştir.

Superhydrophobic surfaces are known as surfaces with water contact angles above 150º and low sliding angles. Although superhydrophobic surfaces are of great interest in the industrial applications due to their non-wetting and self-cleaning properties, they still cannot be used extensively in industry due to low transmittance and low durability. Especially, to achieve durable superhydrophobic glass surfaces with high transmittance by easy-to-apply methods such as spray coating is still the one of most common problems both for industrial applications and in the literature. The aim of this thesis is to fabricate facile, transparent and durable superhydrophobic glass surfaces by one-step spray coating method, which can be applied to large areas affordable without advanced fabrication methods. There are two main points to achieve superhydrophobic surfaces. The first one is to increase the surface micro-nano roughness and the second one is to decrease the surface energy. Therefore, in this thesis, spherical silica nanoparticles (Si NPs) were used to increase surface roughness, and in order to reduce surface energy, ODTS and PDMS were employed. In the first part of the study, silica nanoparticles of different sizes were synthesized by using the Stöber method. The size of the synthesized silica nanoparticles was varied by changing the amount of the precursor chemicals such as NH4OH, DIW, and TEOS. Also, the effect of centrifugation and drying processes on the agglomeration mechanism of on silica nanoparticles have been studied in detail. In the second part of the thesis, the light transmittance, water contact angle and sliding angle of glass surfaces sprayed with solutions of different sized silica nanoparticles were examined. Furthermore, the light transmittance, water sliding and contact angles of glass surfaces that were fabricated by spraying different amounts of silane-modified silica nanoparticle solutions were investigated. In the last part of the thesis, PDMS/Si NPs based glass samples were fabricated. By varying the weight percent of silica nanoparticles in the spray solution and PDMS/Si NPs weight ratios in this solution, the change of the durability, light transmittance, water contact angle and sliding angle of the fabricated glass surfaces were examined. Our studies have shown for the first time in the literature that Si NPs with an average hydrodynamic diameter of 40 nm without any silane modification, when sprayed on glass surfaces in one step with dilute PDMS solutions, achieve light transmittance above %70, water contact angles over 160° and high durability to different abrasion tests.