Çok Tabakalı Kaplama (LBL) Yöntemi
Çok tabakalı (LBL) kaplama tekniği, ilk olarak G. Decher tarafından ortaya konulmuş olup, çeşitli nano ve mikroyapıların üretilmesinin yanı sıra süperhidrofob yüzeylerin üretilmesinde de kullanılan en yeni yöntemlerden birisidir. Çok tabakalı kaplama yöntemi, substratların yüzeyine molekülleri, nanopartikülleri ve polimerleri dahil etmek için ince bir kaplama oluşturan basit, ucuz, zaman kazandıran ve esnek bir yöntemdir. Bu yöntemde, genellikle bir substratın yüzeyine elektrostatik çekim yoluyla pozitif ve negatif yüklü bileşenlerden oluşan nano tabakalar adsorbe edilmektedir.
Şekil 3.1: Hidrofilik (su seven) ve süperhidrofobik (su sevmeyen) kumaş yüzeyleri.
Çok tabakalı kaplama yönteminde, organik çözeltiler yerine sulu çözeltiler kullanıldığı için çevre dostudur bir yöntemdir. Çok tabakalı kaplama yöntemi, altın iplikler gibi sütunlu alt tabakalar üzerinde süperhidrofob kaplama üretimi yapılan bir yöntemdir. Çünkü bu yöntem, alt tabakanın boyutuna ve şekline bağlı olmayan bir yöntemdir. LBL yönteminin temel prensibi, kumaş sırasıyla pozitif yüklü ve negatif yüklü çözeltilere daldırılmakta, bu sayede kumaşın yüzeyinde polielektrolitler veya nanopartiküllerin ardışık adsorpsiyonlarını içeren çok katmanlı tabakaların/filmlerin üretimleri yapılmaktadır. Ayrıca, her döngüden sonra yani oluşturulan her tabakadan sonra kumaş mutlaka kurutulmaktadır.
Çok tabakalı kaplama yönteminde, diğer yöntemlere göre birçok avantaj bulunmaktadır. Burada kaplamanın kalınlığı, substratın boyutu, şekli, yüzey özelliği çok önem taşımamakta yapılan aplikasyon genellikle olumlu sonuçlar vermektedir. Geleneksel yüzey modifikasyon yöntemleriyle karşılaştırıldığında, çok tabakalı kaplama yöntemi daha hızlı, tüm süreç oda sıcaklığında ve atmosferik basınç altında gerçekleşmektedir. İşlem sonrasında süspansiyon banyoları geri dönüşüm yapılarak tekrar kullanılabilinmektedir. Çevre dostu, düşük maliyetli ve istenilen şekilde substrat kalınlığının belirlenmesi de bu yöntemin diğer avantajlarıdır. Ancak, işleme başlamadan önce mutlaka substratın yüzeyinin iyonite durumu bilinmelidir. Buna göre uygun polielektrolit çözeltilerin belirlenmesi gerekmektedir.
Şekil 2.5 LBL yönteminin avantajları
Çok tabakalı kaplama yöntemi; pH, sıcaklık, iyonite, elektrolit tipi, solvent ve şarj yoğunluğu, moleküler ağırlık, konsantrasyon ve polielektrolitlerin özellikleri gibi çeşitli parametrelere bağlıdır. pH, çok katmanlı ince filmlerin bileşimini, yapısını ve çapraz bağ yoğunluğunu etkilemektedir. Sıcaklık, tabakaların kalınlığını, içyapısını ve stabilitesini etkilemektedir. Sıcaklık arttığında, tabakaların şişmesi ile iç içe geçme olabilmekte ve kaplama kalınlığı artmaktadır. İyonite, tabakaların kararlılığını, geçirgenliğini ve büyümesini etkileyen bir başka temel parametredir.
Çok tabakalı kendi kendine montaj ile moleküler katmanlar arka arkaya düz substrat üzerine birikmektedir. Burada, nano boyutlu birtakım madddelerle kalınlığı ayarlanabilen çok tabakalı yapılar kolayca oluşturulmaktadır.
Günümüzde bu yeni yöntem (LBL), farklı sektörlerde birçok fonksiyonel ürünün geliştirilmesinde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bu yöntem ile süperhidrofob, ilaç salımı yapan, antibakteriyel (Dubas ve ark., 2006), gaz bariyerine sahip, kendi kendine dekontaminat olan, yük depolayan, elektroiletken, antimikrobiyal, yansıma önleyen, fotokatalitik etkiye sahip, biyosensing özelliğine sahip, güç tutuşur ürünler üretilmektedir.
Genel olarak, LBL yöntemi ile farklı sektörlerde çok farklı malzemelere sınırsız sayıda uygulamalar yapılabilinmektedir. Süperhidrofob yüzeyin üretiminde; yük transfer etkileşimleri, elektrostatik etkileşimler, halojen bağları, hidrojen bağları, koordinasyon bağları, katyon-dipol etkileşimleri ve bunların kombinasyonel etkileşimleri gibi birçok kimyasal etkileşim bulunmaktadır.
LBL yönteminde; düzlemsel, silindirik, gözenekli ve kolloidal parçacıklardan oluşan çok farklı substratlar kullanılmaktadır. Bu teknik; polimerler, peptitler, karbon nanotüpler, killer, boyalar, metal oksitler gibi çok çeşitli maddelerin kullanılmasına olanak sağlamaktadır.
Plazma Yöntemi
Plazma tekniği, süperhidrofob yüzeylerin üretilmesi için çok yönlü, kolay ve başarılı bir tekniktir. Bu yöntemde hem yüzey enerjisini azaltmak hem de yüzeyin pürüzlülüğünü aynı anda arttırmak için bir şans vardır. Oksijen plazması kullanarak, süperhidrofob bir yüzey üretmek kolaydır, ancak dayanıklılık bu yöntemin ana problemidir. Plazma tekniği kullanarak substrat yüzeyi pürüzlü olacak şekilde uygulamalar yapılmaktadır. Bu nedenle, yüzey pürüzlülüğü bir plazma kaplamasında önemli faktördür.
Daldırma-Kaplama
Daldırma-kaplama yöntemi, en eski ve ucuz bir yöntemdir. Bu kaplama yönteminde, bir taşıyıcı belirli bir hızda işlem çözeltisine daldırılmakta, aynı hızda çıkarılmakta işlem sonunda bir film kaplaması elde edilmektedir (Şekil 2.6)
Şekil 2.6 Daldırma-kaplama yöntemi
Kimyasal Buhar Birikimi
Kimyasal buhar biriktirme yönteminde buhar fazında yüzey üzerine aplikasyon yapılmaktadır. Bu yöntemde süperhidrofob yüzey, polimerizasyon işlemi ile üretilmektedir. Bu yöntemde pürüzlü yüzeyler veya pürüzlü bir yüzey üzerinde ince bir hidrofob tabaka üretilmektedir. Kimyasal buhar birikimi yönteminde, doğrudan buhar fazındaki maddeler ile katı ince filmler oluşturulmaktadır. Isı, ışık, plazma ve kimyasal maddelerin kullanımı burada önemli faktörlerdir. Kimyasal buhar birikiminin dezavantajı; çatılar, duvarlar ve arabalar gibi büyük nesneler üzerinde süperhidrofob yüzeylerin üretiminin uzun zaman alması ve dış mekân malzemeleri için de bu yöntemin uygun olmamasıdır.
Sol-jel Yöntemi
Sol-jel yöntemi, potansiyel olarak daha yüksek saflıkta, homojenitesi fazla, düşük sıcaklık ve ekonomiklik gibi avantajları nedeniyle elyaf yüzey modifikasyonunda ve mineral kaplamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. İşlem kolay, kontrol edilebilir ve büyük ölçekli üretime uygundur. Ayrıca, çoğu kaplama ve film sol-gel yöntemi kullanılarak geliştirilmiştir. Burada, farklı morfolojiler ve yüzey enerjileri elde etmek için öncül çözeltilerin bileşimi, hidroliz ve poli-yoğuşma süreçleri gibi değişkenler kontrol edilebilir olmalıdır. Sol-jel yöntemi, cam üzerinde şeffaf süperhidrofob kaplamaların üretimi için kullanılır.
Bir çözücü varlığında hidroliz reaksiyonundan bir sol hazırlanır ve solun çözücü üzerine aktarılmasından sonra bir jel oluşmaktadır. Sol tarafından oluşturulan substrat yüzeyinin özellikleri, sol ve fonksiyonel sol gruplarının işlenmesine bağlıdır.
Sol-jel yöntemi, halihazırda sol-jel işleminde karıştırılmış düşük yüzey enerjili malzemelere sahip olduğundan, süperhidrofobluk elde etmek için son işlem (hidrofobizasyon) genellikle gerekli değildir. Bununla birlikte, sol-jel yönteminin çok yavaş olması ve işlenmesi için uzun bir süreye ihtiyaç duyması gibi dezavantajları vardır, yapı doğru kontrol edilememekte, düşük mekanik mukavemete ve solvent kirliliğine sahiptir. Bu dezavantajlar, süperhidrofob ve başka bir yüzey modifikasyonunun hazırlanmasında olası uygulamaları büyük ölçüde sınırlamaktadır.
Elektrokimyasal Yöntemler
Elektrokimyasal yöntemler, yüzeylerde hem yüzey pürüzlülüğünü hem de yüzey morfolojisini kontrol etme yeteneğine sahiptir. Bu yöntemin hızlı, tekrarlanabilir ve iğneler, çubuklar, tabakalar, tüpler, lifler, şeritler, koniler, çiçeğe benzer yapılar gibi çok çeşitli yüzey morfolojilerini üretme gibi büyük bir avantajı vardır.
Elektrokimyasal yöntem; kolay, hızlı ve yüksek oranda tekrarlanabilir özelliktedir. Elektrokimyasal yöntemler kullanarak iğneler, lifler, tüpler, dendritler ve tabakalar gibi farklı morfolojiler üretmek mümkündür. LBL gibi, elektrokimyasal biriktirme işlemi de substratın boyutundan ve şeklinden bağımsızdır. Elektrokimyasal biriktirme, anodik oksidasyon, polimerizasyon reaksiyonları ve galvanik hücrelerin reaksiyonu gibi dört yaygın teknik ile süperhidrofob yüzeyler üretilebilmektedir.
Yüzey pürüzlülüğü ve yüzey morfolojisi, birçok yöntemde süreçte kontrol edilmesi gereken ana konulardır. Bununla birlikte araştırmacılar elektrokimyasal biriktirmede ek olarak, birikintilerin büyüme kinetiğini kontrol etmenin başka bir yolu olduğunu ve bunların farklı morfolojilere sahip geniş yüzeyler elde etmelerine izin verdiğini belirtmektedirler.
Sprey Kaplama
Püskürtme-kaplama basit bir yöntemdir. Burada, bir substrat yüzeyine üretilen ince damlacıkların nodülden püskürtülmesi ile kaplama yapılmaktadır.
T.C.
EGE ÜNİVERSİTESİ
Fen Bilimleri Enstitüsü
Yüksek Lisans Tezi
Solomon Tilahun DESİSA
Tekstil Mühendisliği Anabilim Dalı
Izmir- 2021