İyon değişim işlemiyle silika esaslı camlara antimikrobiyal özellik kazandırılması ve cam yüzeylerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi

Cam, gelişen teknoloji ile birlikte sadece bir ev eşyası olmaktan çıkarak hayatımızın her alanında yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Farklı kullanım amaçları doğrultusunda nitelikli camların geliştirilmesi ihtiyacı, günümüzde cam malzemelere olan ilginin hızla artmasına sebep olmuştur. Estetik ve dayanıklılığın önemli olduğu alanlarda vazgeçilmez bir malzeme grubu haline gelen camlar, yapılarına kazandırılan antimikrobiyal özellik ile dokunmatik ekranlar, cam eşyalar, mimari uygulamalar, kozmetik sanayi, tekstil ürünleri ve biyomalzemeler gibi pek çok farklı uygulama alanında önemli bir yer edinmiştir. Antimikrobiyal camlar yüksek kimyasal kararlılıkları, sertlikleri ve şekillendirilebilir olmaları sayesinde diğer malzemelere göre öne çıkmaktadır. Camlara antimikrobiyal özellik kazandırılması konusunda farklı yöntemler mevcut olsa da, uzun yıllardır camların kimyasal temperlenmesi konusunda bilinen bir yöntem olan iyon değişim işlemi bu amaç doğrultusunda uygulanabilir ideal bir yöntemdir. Cam yapıdaki iyonlar ile cam yapıya kazandırılmak istenen iyonların difüzyonla yer değiştirmesi sonucu gerçekleşen iyon değişim işlemi, hem bulk formda hem de toz formdaki camlara uygulanabilir oluşu ile antimikrobiyal özellikteki bulk ve toz camların geliştirilmesinde avantaj sağlamaktadır. Antimikrobiyal bulk camlar çeşitli yüzey ve tezgahlar, dokunmatik ekranlı cihazlar, beyaz eşyalar, ilaç ve kozmetik şişeleri gibi uygulamalarda öne çıkarken, toz formdaki camlar ise antimikrobiyal katkı malzemesi olarak geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Tez çalışması kapsamında, bulk ve toz formdaki silika esaslı farklı cam matrislere iyon değişim işlemiyle gümüş, çinko ve bakır iyonlarının geçişi sağlanarak antimikrobiyal özellik kazandırılması; bulk formdaki camlara bu iyonların yanı sıra potasyum geçişinin sağlanması ile aynı zamanda cam yüzeylerin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalarda öncelikle Corning® 2947 soda kireç camlar kullanılmış; iyon değişim işleminin incelenmesi ve ulaşılmak istenen hedefe yönelik optimum işlem parametrelerinin belirlenmesi amacıyla farklı sıcaklık, süre ve banyo bileşimleri kullanılarak çok sayıda deney gerçekleştirilmiştir. İyon değişim işlemi bulk camlar için, gümüş-potasyum, çinko-potasyum, bakır-potasyum banyolarında, toz camlar için gümüş-sodyum, çinko-sodyum, bakır-sodyum banyolarında gerçekleştirilmiştir. Daha sonra farklı bileşime sahip soda kireç, alüminosilikat, borosilikat ve alümina borosilikat cam gruplarına ait iki farklı bileşimde olmak üzere toplamda sekiz farklı camın üretimi gerçekleştirilmiş ve camların belirlenen koşullarda iyon değişimine tabi tutulmasıyla, değişen cam bileşiminin iyon değişim verimine etkisi incelenmiştir. Elde edilen bulk ve toz cam numuneler, yapılarına kazandırılan iyon miktarları, sulu ortamdaki iyon salınım davranışları ve antimikrobiyal özellikleri açısından değerlendirilmiştir. Bu incelemelerin yanı sıra, toz formdaki camlar için işlem sonrası gerçekleşebilecek kristalizasyonların tespiti amacıyla faz analizi, bulk formdaki camlar için ise, camların yoğunluğu, işlem sonrası ışık geçirgenliği, ıslatılabilirliği, sertliği, çatlak oluşturma davranışı, çizilme direnci ve eğme mukavemeti gibi yüzey ve mekanik özellik incelemeleri de gerçekleştirilmiştir. Antimikrobiyal özellik için kullanılan gümüş, çinko ve bakır katkısının yanı sıra, bulk ve toz formdaki Corning® 2947 soda kireç camlara iyon değişim işlemiyle Ag-Zn ve Ag-Cu şeklinde ikili katkılandırma yapılmıştır. Elde edilen camlar, sulu ortamdaki iyon salınım özellikleri ve antimikrobiyal aktiviteleri açısından incelenmiştir. Bulk formdaki camlarda iyon değişim işlemiyle yapıya gümüş, çinko, bakır ve potasyum geçişinin sağlandığı, yapıya geçen iyon miktarının yüksek olduğu işlem koşullarında yoğunluk değerlerinin de artış gösterdiği tespit edilmiştir. Görünür bölgede gerçekleştirilen geçirgenlik analizi sonuçlarına göre, gümüş içeren camlarda geçirgenliğin düştüğü, çinko ve bakır içeren camlarda ise değişim gözlenmediği belirlenmiştir. Temas açısı ölçümlerinde, yapısına gümüş-potasyum, çinko-potasyum ve bakır-potasyum kazandırılmış camlarda işlem görmemiş numuneye kıyasla değerlerin artış gösterdiği, işlem sonrası cam yüzeylerin daha hidrofobik olduğu sonucuna varılmıştır. Tüm koşullarda işlem gören cam numunelerin sertliklerinde işlem görmemiş numuneye göre belirgin bir iyileşme kaydedilmiştir. İşlem sonrası numunelerin çatlama gösterdiği limit yük değerinin artış gösterdiği, sabit yük altındaki çatlak boyutunun ise belirgin şekilde azaldığı belirlenmiş ve numunelerin çatlamaya karşı dirençli hale geldiği sonucuna varılmıştır. Cam yüzeylerin çizilme dayanımlarının ve eğme mukavemeti değerlerinin önemli ölçüde artış gösterdiği belirlenmiştir. Camların sulu ortamda gümüş, çinko ve bakır salınımı gerçekleştirdiği, gümüş içeren numunelerdeki iyon salınımının çinko ve bakır içeren numunelere oranla yüksek olduğu belirlenmiştir. Standart test metoduna uygun olarak gerçekleştirilen antimikrobiyal duyarlılık testleri sonucunda, gümüş-potasyum içeren cam numunelerin Escherichia Coli (E.coli) ve Staphylococcus Aureus (S.aureus) hücrelerine karşı antimikrobiyal aktivite gösterdiği tespit edilmiştir. Toz formdaki camlarla gerçekleştirilen deneyler sonucunda, gümüş, çinko ve bakırın iyon değişim işlemiyle camlara katkılandırıldığı belirlenmiştir. Tüm toz formdaki cam numunelerin sulu ortamda salınım yaptığı, ancak çinko ve bakır içeren numunelerin salınımlarının düşük olduğu tespit edilmiştir. Sıvı besi yeri uygulamasıyla gerçekleştirilen antimikrobiyal testler sonucunda, gümüş içeren toz camların E.coli ve S.aureus hücrelerine karşı antimikrobiyal aktivite gösterdiği belirlenmiştir. Ag-Zn ve Ag-Cu şeklinde ikili katkılandırma yapılmış tüm bulk ve toz camlarda, gümüş katkılı camlara kıyasla yapıya geçen gümüş miktarlarında önemli bir azalma gözlenmezken, gümüş iyonu salınımlarında belirgin düşüş kaydedilmiştir. Antimikrobiyal testler sonucunda, Ag-Zn katkılandırılan bulk ve toz cam numunelerin E.coli ve S.aureus hücrelerine karşı, Ag-Cu katkılandırılan numunelerin ise, E.coli ve Candida Albicans (C.albicans) hücrelerine karşı antimikrobiyal aktivite gösterdiği belirlenmiştir. Farklı cam bileşimlerinin iyon değişim verimine etkisinin incelenmesi amacıyla gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda, cam yapıda belirli oranda bulunan Al2O3'in, iyon değişim işlemiyle yapıya kazandırılmak istenen iyonların hem yapıya geçişi hem de salınımları sırasında iyonların difüzyonunu destekleyici şekilde etki gösterdiği belirlenmiştir. Bileşimde artan B2O3'in ise, cama kazandırılan ve sulu ortama salınan iyon miktarını düşürdüğü sonucuna ulaşılmıştır. Tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda, silika esaslı cam matrislerin iyon değişim işlemiyle farklı metal iyonlarıyla katkılandırılması, işlem parametrelerinin camların fiziksel ve mekanik özelliklerine ve antimikrobiyal aktivitelerine etkilerinin belirlenmesi ve iyon değişim işleminin tez çalışması amacı doğrultusunda incelenmesi gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar sonunda, antimikrobiyal özellik gösteren ve aynı zamanda mekanik özellikleri iyileştirilmiş bulk camlar ile antimikrobiyal özellikte toz camlar elde edilmiştir. Ayrıca, Ag-Zn ve Ag-Cu şeklindeki ikili katkıların sağladığı oldukça düşük iyon salınımı değerleri sayesinde uzun süreli antimikrobiyal aktivite gösteren camların elde edilmesine yönelik önemli sonuçlar edinilmiştir.