Su seven ve çeken yüzeyler hidrofiliktir, su sevmeyen ve iten yüzeyler ise hidrofobiktir. Süperhidrofob tekstiller sadece süper su iticilik sağlamamaktadırlar. Aynı zamanda kir itici, biyolojik olarak uyumlu, toksik olmayan ve konforlu tekstillerdir. Süperhidrofobluk (SH), hem substratların yüzey geometrisini hem de kimyasal maddelerin etkileşimleri ile ilgili kompleks bir olaydır. Su temas açıları (WCA) 150°’den büyük ve 10°’nin altında kayma açısı (SA) olan süperhidrofob yüzeyler akademik, bilimsel ve endüstriyel alanlarda büyük ilgi çeken bir konudur.
Süperhidrofobik suyu hiç sevmeyen, nefret eden ve süperhidrofilik ise suyu çok seven demektir. Şekil 3.1’de süperhidrofilik ve süperhidrofobik özellikteki iki farklı kumaş yüzeyi gösterilmektedir.
Şekil 3.1: Hidrofilik (su seven) ve süperhidrofobik (su sevmeyen) kumaş yüzeyleri.
Süperhidrofobik ve Süperhidrofilik Yüzeyler
Temas açısı, bir yüzey veya malzemenin ıslanabilirliğini ölçmenin yollarından biridir. Islatma, katı (veya sıvı) bir substrat üzerine biriken bir sıvının nasıl yayıldığının veya sıvıların katı hallerle sınır yüzeyleri oluşturma kabiliyetinin araştırılması anlamına gelir. Islatma, sıvının katılar veya sıvılarla temas halinde oluşturduğu temas açısının ölçülmesiyle belirlenir. Temas açısı 90°’den küçükse sıvı yüzeyi ıslatıyor; 90°’den büyükse ıslatmıyor demektir. Şekil 3.2’de süperhidrofobik, hidrofobik ve hidrofilik yüzeylerdeki temas açısı gösterilmektedir.
Şekil 3.2: Hidrofobik ve hidrofilik yüzeylerde temas açısı.
Su damlası, hidrofilik yüzeyleri sevmesi sebebiyle yayılma eylemi göstermektedir ve süperhidrofobik yüzeyleri sevmemesi sebebiyle ise küresel bir şekilde durma eylemi göstermektedir. Su damlasının yüzeyle yaptığı su açı <5° ise süperhidrofilik, damla küresel bir şekil gösteriyorsa ve yüzeyle yaptığı su temas açısı ˃150 ise süperhidrofobik yüzey olarak isimlendirilir. Süperhidrofilik yüzeyler yapılarındaki polar grup sayesinde su damlalarını çekmektedir.
Temas açısı iki önemli faktörden etkilenmektedir. Bunlardan birincisi yüzey enerjisidir ve yüzey geriliminden dolayı oluşmaktadır. Yüzey geriliminin düşmesiyle birlikte yüzey enerjisi de düşmektedir ve böylece temas açısı düşüş göstermektedir. Yüzeyde bir pürüzlülük oluşturulmadan elde dilebilecek maksimum su temas açısı 120 dereceyi geçmemektedir. Pürüzlülük sayesinde yüzey ile su damlası atasında hava sıkışması sağlanıp yüzey-damlacık etkileşimi oranı düşürülür. Bu sayede temas açısının yükseltilmesi sağlanıp hidrofobiklik anlamında olumlu etki yaratılmaktadır.
Doğal ve Yapay Süperhidrofobik Yüzeyler
Süperhidrofobik kaplamalar, dünya çapındaki araştırmacılar için büyük ilgi çeken önemli bir akıllı kaplama sınıfıdır. Süperhidrofobik materyallerle ilgili on binden fazla makale yıllık olarak Bilgi Bilimleri Enstitüsü’nün (ISI) indeksli dergilerinde yayınlanmaktadır. Bu alandaki yayın sayısının önümüzdeki yıllarda çarpıcı biçimde artması bekleniyor. Ek olarak, süperhidrofobik malzemelerin özellikleri, ilgili gerçek dünyadaki uygulamalar için de tartışılmaktadır. (Kendi kendini temizleyen, biyolojik, anti bakteriyel, buzlanma önleyici, buğu önleyici, korozyon önleyici ve su / yağ itici)
Süperhidrofobik yüzeyler doğal ve yapay süperhidrofobik yüzeyler olarak ikiye ayrılır.
1- Doğal Süperhidrofobik Yüzeyler
Doğada canlılar yüzey özelliklerini hızlı ve kolay bir şekilde kontrol edebilirler. Süperhidrofobik yüzeyli canlılara doğada birçok örnek bulmak mümkündür ve en bilinen örneği nilüfer çiçeğidir(lotus). Nilüfer çiçeğinin yaprakları nano yapı ve hidrofob özellik göstermekle birlikte suyun hareketi ile yapraklarının yüzeyini temizleyebilmektedir. Abzamson 1982’de lotus yaprağı yüzeyini ve hidrofobikliğini tarif etmiş fakat kendi kendini temizleyebilme yeteneğinin açıklayamamıştır. 1997’de botanikçi Wihhelm Barthlott Lotus çiçeği yaprağının kendi kendine temizleyebilme özelliğini ilk defa tanımlayan bilim insanı olmuştur.
Aşağıdaki Şekil 3.3 görselinde de görüleceği üzere nilüfer yapraklarında, 5-10 mikrometre çapında ve 10-15 mikro metre civarı uzaklığında bulunan yumrucuklar vardır. Bu avantajlarla birlikte yaprak yüzeyi 1 nm çaplı hidrofob tabaka ile kaplıdır. Tabaka yapısı kütin isimli bir polimer ve mumdan oluşmaktadır. Yüzeydeki bu mumsu tabaka yaprak ile çevre arasında çok fonksiyonlu bir ara yüz oluşturur ve çok yüksek bir su iticiliği oluşturur. Ayrıca bu mumsu tabaka hava akışı ve ışık yansımasını da etkilemektedir.
Şekil 3.3: Nilüfer çiçeği (lotus) yapraklarındaki nano ve mikro yapı.
Yaprak yüzeyine su damlatıldığında hidrofobik kaplama ve yüzey pürüzlülüğü sebebiyle 170° civarı bir temas açısı elde edilebilmektedir. Bununla birlikte 5°’den daha düşük bir kayma açısı elde edilebilmektedir ve böylece kendini temizleyebilmektedir. Bu sebeple yüzeyde biriken kirler su damlacığı üzerine yapışıp suyla birlikte yuvarlanıp yüzeyi terk etmektedir. Hidrofob yapı neredeyse bütün bitkilerde bulunmaktadır. Fakat bitkilerin çoğunda kayma açısının 5°’den büyük olmasından dolayı kendi kendini temizleyemez ve yüzeyinde kir biriktirirler.
2- Yapay Süperhidrofobik Yüzeyler
Yapay süperhidrofobik yüzeyler 1990’lı yıllarda ilk kez Kao ve ekip arkadaşları tarafından yüzeylere pürüzlülük kazandırılarak elde edilmiştir. Bu çalışmalarla birlikte lotus etkisini bir başlangıç noktası kabul eden çok sayıda benzer akademik çalışma yapılmıştır (Şekil 3.5). Boyut olarak değerlendirildiğinde 250 nanometre ve altında bulunan yapılar hidrofobik özellik göstermektedir fakat kalıcı bir özellik olarak sağlanamamaktadır. Günümüze kadar yapılmış olan çalışmalarda süperhidrofobik yüzeylerin eldesinde yüzey serbest enerjisi ve pürüzlülük (mikro-nano yapılar) birlikte kullanılmaktadır.
Şekil 3.5: Kao ve ekip arkadaşlarının cam yüzeyinde oluşturduğu kaplama.
Süperhidrofobik Yüzeylerin Elde Edilmesi İçin Kullanılan Yöntemler
Süperhidrofobik bir yüzey enerjisi düşük olan bir malzemeye pürüzlülük kazandırılması veya pürüzlü olan bir yüzeyin yüzey enerjisi düşük olan başka bir malzemeyle kaplanması metotlarıyla üretilebilmektedir.
Yüzey enerjisi düşük olan bir malzemenin pürüzlülüğünün artırılması için izlenmesi gerekli olan yollar genellikle tek basamaklı, uygulanması basit, ekonomik yönden ucuz ve kolay proseslerdir. Ancak kaplamada kullanılan malzemelerin sınırlı miktarda olmasından ötürü dezavantaja sahiptirler. Düşük yüzey enerjisine sahip olması sebebiyle florokarbonlar süperhidrofobik yüzeylerin yapım aşamasında sıklıkla kullanılırlar.
Yüzey pürüzlülüğü artırılan bu polimerlerde süperhidrofobik özellik direkt olarak gözlemlenmektedir. Kullanılan diğer düşük enerjili malzeme ise silikondur. Polidimetilsiloksan gibi birçok silikon çok farklı yöntemler kullanılarak süperhidrofobik hale getirilebilir. Florokarbon ve slikonlar haricinde; polikarbonat, poliamid, parafinik hidrokarbonlar gibi organik olan malzemelere de pürüzlülük kazandırılarak süperhidrofobik yüzey elde edilebilir. Bunlar haricinde ZnO, TiO2 gibi inorganik olan malzemelerde kullanılabilir
Süperhidrofobik Malzemelerin Kullanım Alanları
Geçmişte yapılan araştırmalar sayesinde insanlar doğadan değişik kullanışlı bilgi edindiler böylece nilüfer yaprağını ve diğer canlıları taklit eden çok işlevli tekstil malzemeleri üretmeyi başarmışlardır. Çok işlevli süperhidrofobik yüzeyler; antiıslatma (sıvılar, kir ve emülsiyonlar), kendi kendini temizleme, UV koruyucu, korozyon direnci sağlama, anti-bakteriler özellik sağlama, alev geciktiricilik ve benzeri gibi birçok önemli özelliğe sahiptir. Diğer önemli uygulamalar arasında yağ/su ayrımı, fotokataliz, kendi kendini iyileştirme ve mikro akışkan yönetimi bulunur.
Süperhidrofobik Kumaşların Genel Kullanım Alanları
Bilimin katı kurallarının esnetilmesi, yapay liflerin kullanılması ve kaplama metotlarının geliştirilmesi ile birlikte son zamanlarda tekstil ve hazır giyim sektörlerinde büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Bu sektörlerdeki pek çok uygulama doğanın izlenmesi ve taklit edilmesi ile geliştirilmiştir. Ayrıca polyester liflerin kullanımı da doğrudan doğanın izlenmesi ile gerçekleşmiştir.
Dokulu bir yapıya sahip tekstiller, çeşitli kimyasal çözücüler (asit, baz, tuz, organik ve inorganik çözelti) tarafından kolayca etkileşime girmektedirler ve deforme olup özelliklerini kaybetmektedirler. Uygun yüzey pürüzlülüğü ve uygun kimyasal yapılar kullanılarak imal edilen süperhidrofobik tekstil ürünlerinin; UV dayanımı yükselebilir, su-yağ ayırmada kullanılabilir, kendi kendini temizleme (kirlenmezlik özelliği) arttırılabilir, alev geciktirici özelliği arttırılabilir, aşınma/tüylenme(abrazyon) dayanımı arttırılabilir ve foto-katalitik içeren çok işlevli malzemeler gibi çeşitli uygulamalarda kullanılabileceği yapılan çalışmalarda kanıtlanmıştır. Ayrıca kendi kendini iyileştiren, uyaranlara cevap veren, desenleme ve asimetrik tepkiye sahip bazı akıllı kumaşlar bu tip uygulamalara örnek verilebilir.
T.C.
GEBZE TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
BAHAR ŞENGÜL
YÜKSEK LİSANS TEZİ
KİMYA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
GEBZE
2020