Functional anti-icing and anti-corrosive composites

Nano ve mikro büyüklükte dolgu parçacıkları içeren işlevsel kompozit kaplamalar, uzay alanından biyomedikal implantlara kadar çok çeşitli uygulamalarda, özellik ve performans gerekliliklerini karşılayabilen uygun aday malzemelerdir. Bu tez çalışmasında, buzlanmayı ve korozyonu önleme işlevine sahip birkaç özgün kompozit malzeme tasarlandı ve gerçekleştirildi. Bütün bu kompozit malzemelerde, kimyasal kararlılığı, biyouyumluluğu, yüzeylerinin kolaylıkla işlevselleştirilebilmesi ve morfolojilerinin kolaylıkla değiştirilebilmesi nedenleriyle silika bazlı gözenekli nano- ve/veya mikro- dolgu parçacıkları kullanıldı. Buzlanmayı önleyici madde veya korozyon inhibitörü ile yüklenmiş gözenekli silika bazlı dolgu malzemeleri, SBS matrisi veya elektrokaplanmış Fe-P filmlerin içine katılarak buzlanmayı veya korozyonu önleme işlevine sahip özgün kompozit kaplamalar elde edildi. Bu işlevler, SBS matrisi içinde gözenekli silika bazlı dolgu malzemelerine doldurulmuş ajanların salımıyla, Fe-P matrisi içinde ise silika bazlı dolgu malzemelerinin Fe-P matrisini anodik olarak polarize etmesiyle sağlandı. Farklı gözenek yapılarına ve morfolojilerine sahip mezogözenekli silika yapılar, farklı tiplerde iyonik olmayan yüzey aktif maddeler (polietilen oksit bazlı blok kopolimerler) ve tetra etil ortosilikat (TEOS) kullanılarak, yüksek asidik bölgede ve oda sıcaklığında sol-jel yöntemi ile sentezlendi. 200-600 m2/g aralığında yüksek özgül yüzey alanı, herhangi bir ısıl işlem veya yüksek sıcaklıkta yaşlandırma olmaksızın elde edildi. Mezogözenekli silika yapıların morfolojileri küresel parçacık ve monolit morfolojileri arasında yüzey aktif madde/TEOS oranı ve asit katalizör konsantrasyonu ayarlanarak başarılı bir şekilde kontrol edildi. Küresel silika parçacıkları (çapları ~ 800-4300 nm), silindirik mezogözeneklerin bir yönde hizalandığı birincil parçacıklardan (çapları ~ 20-30 nm) oluştu, ancak küresel parçacık içindeki her bir birincil parçacığın hizalanma yönü rastgeleydi. Diatomlu toprak (DE) veya mezogözenekli silika doldurulmuş SBS bazlı kompozitler buzlanma önleyici madde salınımı yapan özgün kaplamalar olarak geliştirildi. Ağırlıkça %30 oranında silika (DE veya mezogözenekli silika) dolgu malzemesi içeren SBS kompozitlerin içine buzlanma önleyici ajanlar, kompozitin hazırlanması sonrasında dietil eter/aseton ikili karışımı içindeki buzlanma önleyici ajan (EG veya PEG) çözeltisine daldırılması suretiyle dolduruldu. Çözünmüş buzlanma önleyici ajan malzemeler, bu ikili karışım içinde şişmiş halde bulunan SBS matrisi içine nüfuz etti. Gözenekli silika parçacıkları, hidrofobik SBS matrisinde buzlanma önleyici madde taşıyıcısı olarak görev yaptı. Kompozit içinde bulunan buzlanma önleyici madde miktarı, ikili karışımdaki buzlanma önleyici madde konsantrasyonu ile arttırıldı ve bu kompozit üzerindeki su damlacıklarının daha uzun sürede donmasını sağladı. Etki eden buzlanma önleyici mekanizmanın buzlanma önleyici ajanın su ile temasıyla beraber kompozitten salımı ve bunun sonucunda suyun donma sıcaklığının düşmesi olduğu gösterildi. Matris içindeki DE gözeneklerinde yer alan PEG'in salımı, kompozit filmlerin daha küçük parçalara kesilmesi ve su/kompozit arayüzey alanının arttırılmasıyla gerçekleştirildi. Bu aynı zamanda, geliştirilmiş olan kompozitlerin, buzlanma önleyici işlevlerini çizilme ve aşınma durumlarında bile uzun süreler koruyabileceğini göstermektedir. Çizikler ve aşınmalar, gözenekleri buzlanma önleyici madde ile dolu ve SBS matrisi içinde gömülü olan silika parçacıklarının üst yüzeye çıkmasına ve suyla temas etmesine, böylelikle buzlanma önleyici ajanların salımına olanak verir. Benzer salınım mekanizmasının, metaller üzerindeki korozyon önleyici kaplamalar için de çalıştığı gösterildi. SBS matrisine gömülmüş, çevre dostu korozyon önleyici (Kitosan veya PEG) yüklü silika bazlı dolgu maddeleri (DE, mezogözenekli silika veya haloysit nanotüpler) bakır alt tabakalarına daldırma yöntemiyle uygulandı. Kaplamaların korozyon önleyici özellikleri, 0.5M NaCl çözeltisi içinde elektrokimyasal yöntemlerle ölçüldü. Dolgu malzemesi yüklenmemiş SBS kaplamalar, metali çözünmekten koruyarak pasif bir bariyer görevi görmektedir. Tafel eğrileri ve döngüsel voltamogramlar, kompozitle kaplanan bakırın, korozyon akım yoğunluğunun ve pasif akım yoğunluğunun, dolgu malzemesiyle yüklenmemiş SBS'e kıyasla ~63% daha düşük olduğu netlikle gösterdi. Pasif akım yoğunluğu, korozyon akım yoğunluğu ve çukur oluşturma (pitting) korozyonunun derecesi kompozit kaplamalardaki inhibitör yüklü silika bazlı gözenekli parçacıkların miktarının artmasıyla azaldı. Elektrokaplanmış Fe-P tabakalarına korozyon inhibitörü yüklenmiş veya yüklenmemiş silika bazlı dolgu maddelerinin (mezogözenekli silika parçacıklar veya haloysit nanotüpler) katılmasının, filmlerin korozyona karşı olan dirençlerini arttırdığı gözlendi. Fe-P tabakalarında silika bazlı dolgu maddeleri kullanılarak, bu tabakalardaki korozyon hızı, ~14 kat azalarak, 0.56 mm/yıl'dan 0.04 mm/yıl'a kadar düştü.