FBE- Deniz Ulaştırma Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Berker, Fatma Bedia" ile FBE- Deniz Ulaştırma Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeBoyalara ve kaplamalara nano metal oksit katkısının fiziksel, antikorozif ve antibakteriyel etkilerinin incelenmesi(Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020) Kızılkonca Duran, Ezgi ; Berker, Fatma Bedia ; 653876 ; Kimya Ana Bilim DalıBoyalar ve kaplamalar dekoratif ve/veya koruyucu amaçlarla çeşitli yüzeylere, farklı şekillerde uygulanan ve uygulandığı yüzeyde sert ve ince bir film tabakası bırakan kimyasal maddelerdir. Boya endüstrisi yeni malzeme kullanımına oldukça açık, formülasyonların hızla değişebildiği, devamlı olarak gelişen, sürekli yeni ürünün hayat geçirildiği bir sektördür. Boya üretiminde bağlayıcılar, pigment ve dolgu maddeleri, çözücüler ve katkı maddeleri kullanılan temel hammedeler olup doğaldan sentetiğe pek çok farklı tipte olabilirler. Korozyon, UV (Ultra Viyole) yaşlanma ve iklimsel etmenler, mikrobiyolojik üremeler boyanın ve korumakta olduğu yüzeylerin raf ömrünü tüketen etmenlerdir. Boya üreticileri antikorozif boya eldesi için metal oksitler, pigmentler ve çeşitli katkı maddeleri kullanmaktadırlar. Bununla birlikte korozyon inhibasyonu yüksek, optimum salınım oranına sahip, çevre dostu pigmentlerin kullanımı araştırmacıların ilgi odağındadır. Korozyonun metalik yüzeyde yarattığı olumsuz etkilere benzer şekilde mikroorganizmaların da yapı malzemeleri üzerinde ciddi derecede bozundurcu etkileri olduğu bilinmektedir. Gerek inşaat boyaları gerekse deniz boyalarında biyosidal kısıtlamalar boya üreticilerini çevreye ve insan sağlığına daha az zararlı alternatif çözüm önerileri bulmaya itmektedir. Aynı zamanda UV yaşlanmanın önüne geçebilecek boya ve kaplamaların eldesinin, insan sağlığı ve ekonominin üzerindeki etkisi yüksektir. Boya sektöründe gümüş, bakır ve çinko oksit, fotokatalitik etkisi de olduğu bilinen, boyalara yüksek kapatıcılık sağlayan nano titanyumdioksit ve mekanik dayanımı arttıran nano silisyumdioksit gibi nano metal oksitlerin mikrobiyal, fiziksel ve kimyasal bozunmalara karşı kullanımları oldukça yaygındır. Nano metal oksit parçacıklar antibakteriyel özellikleri ve memeli canlılara minimum negatif etkileri ile gıda ambalajından, biyosensörlere, medikal biyodokulardan, farklı tipte boya ve kaplama malzemelerine varana dek birçok alanda kullanıma sahiptirler. Seryum oksit, Ce+3 ve Ce+4 oksidasyon basamakları arasında hızlı ve kolay geçiş özelliğiyle birlikte, fizikten kimyaya, biyolojiden malzeme bilimine pek çok alanda araştırmalara katalist, parlatıcı ajan, atioksidan ve UV absorber olarak konu olan bir metal oksittir. Nano seryum oksidin antibakteriyel ve fotokatalitik özellikleri üzerindeki son çalışmaların sonuçları, boyaların özelliklerini iyileştirici potansiyel ilave maddesi olacağı fikrini vermektedir. Çalışmada nano ve mikro partiküllü seryum oksitin boya formüllerine ilavesiyle, boyalarda yarattıkları çeşitli fiziksel, kimyasal ve antibakteriyel etkiler incelenmiştir. Bunun yanı sıra hazırlanan boyaların ticarileştirilebilmesinde önemli olabilecek viskozite, parlaklık, kapatıcılık, kuruma, öğütme gibi kalite kontrol parametreleri de gerçekleştirilmiştir. İlk önce, 5 mikron ve 25 nm olarak farklı iki tipte seryum oksitin, alkid reçineli boyalara dispersiyonu ile seryum oksitin solvent bazlı metal boyalara etkisi incelenmiştir. Bunun için blank boya (antikorozif ajan içermeyen), ticari antikorozif pigment içeren referans boya (RP), %3 mikro seryum oksit içeren boya (CER1), %3 nano seryum oksit içeren boya (CER2) ve %1 nano seryum oksit içeren boya (CER3) önce yüksek devirli dispersiyon sonrasında basketmil tekniğiyle hazırlanmıştır. Seryum oksit içeren boyaların öğütme, viskozite, yoğunluk, kuruma gibi kalite parametrelerinin referans boyaya yakın olduğu, kapatıcılık ve parlaklık değerlerinin ise CER1, CER2 ve CER3 için daha yüksek bulunmuştur. Nano ve mikro seryum oksit içeren boyaların referans boyaya göre sarılık değerleri daha yüksek, beyazlık değerleri ise daha düşük çıkmıştır. Hazırlanan boyaların metal yüzeye tutunma kuvvetleri incelenmiş, nano seryumoksitin boyaların adezyon kuvvetini arttırdığı buna karşın mikro seryum oksitin adezyon kuvvetini düşürdüğü görülüştür. Nano ve mikro seryum içeren boyaların sertlikleri ve darbe dirençleri referans boyaya göre yüksek bulunmuştur. Alkid reçineli boyaların termogravimetrik analiz yöntemiyle sıcaklık dayanımları incelenmiş tüm boya tipleri için termal dayanımların 245oC üzerinde olduğu görülmüştür. Boyaların fotokatalitik ve antikorozif özelliklerini incelemeden önce temas açısı ölçümleri gerçekleştirilmiştir ve 78,7 ile 83,1 arasında değişen temas açısı değerleriyle tüm hazırlanan boyaların hidrofilik özellikte olduğu görülmüştür. Seryum oksitin fotokatalitik etkisi ile kendi kendini temizleyebilme özelliği testlerinde metilen mavisi kirlilik etmeni olarak kullanılmış, uygulama sonrası metilen mavisi ile rengi maviye dönen boyaların, UV ışık altında maviliklerinin kaybolması izlenmiştir. UV ışık altında geçen süre sonundaki renk değerleri, metilen mavisi ile kirletilmeden önceki başlandıç renk değerleri ile L,a,b cinsinden karşılaştırılmış, renk farklılıkları (∆E) RP, CER1, CER2 VE CER3 için sırasıyla 5,47, 3,88, 0,80 ve 2,51 olarak tespit edilmiştir. Bu sonuca göre nano ve mikro seryum oksit içeren boyaların kirlilikleri UV ışık ile degredasyona uğrattığı ispatlanmıştır. UV yaşlanmaya karşı dirençse, boyaların UV kabin içerisinde 280-315 nm dalgaboyundaki UV-B ışına maruziyetleri sonrasında, sararmaya gösterdikleri direnç olarak, başlangıç renklerine oranla renk farkları cinsinden DE olarak bulunmuştur. Sonuçlara göre referans boya 9,25 gibi çok yüksek bir renk farkı verirken, CER1 3,40, CER2 2,66, CER3 ise 2,93 şeklinde daha düşük renk farkı göstermişlerdir. Bu sonuçlara göre mikro ve nano seryum oksitin alkid reçineli boyaların düşük sararma dirençlerini önemli ölçüde iyileştirdiğini söylemek mümkündür. Antikorozyon testleri hem tuz kabini yöntemi ile hem de boya ve kaplamaların elektrokimyasal özelliklerinin tespitinde sıklıkla başvurulan bir yöntem olan elektrokimyasal empedans spektroskopi (EIS) metodu ile gerçekleştirilmiştir. Tuz kabini testinde, tuzlu su buharına maruz kalan boyalı metal plakaların, 672 saat sonunda kabinden çıkartılarak korozyon dereceleri gözlenmiştir. Blank boya ve referans boyada şiddetli korozyon gözlenirken, mikro seryum oksit içeren CER1'de orta seviye korozyon gözlenmiştir. Nano seryum oksit içeren CER2 ve CER3'te ise korozyon belirtisi olarak herhangi bir adezyon kaybı, kabarcıklanma, soyulma veya çatlamak görülmemiştir. Bu sonuçlara göre %1 oranında nano seryum oksitin bile etkili antikorozif davranış sergilediği görülmüştür. Bu nedenle EIS testleri yalnızca referans boya (RP), %3 mikro seryum içeren boya (CER1) ve %1 nano seryum içeren boya (CER3) ile gerçekleştirilmiştir. EIS yönteminde Bode diyagramları ve Nyquist eğrileri, RP ve CER1 için çift zaman sabitli diyagramlar vererek metal yüzeyi ve boya katmanı arasında korozyonun başladığını gösterirken, CER3 için tek zaman sabitli diyagramlar korozif yüklerin boyayı aşarak metal yüzeyine ulaşamadığını ispatlamaktadır. Bode diyagramları ve Nyquist eğrilerinden elde edilen eş değer devreler ve sayısal veriler de sonuçları destekler nitelikte olmuştur. Çalışmanın ikinci basamağında seryum oksitin su bazlı dekoratif inşaat boyası olarak kullanımında antibakteriyel etkisini incelemek için seryum oksit içermeyen (SB0), %5 mikro seryum oksit içeren (SB1) ve %1 nano seryum oksit içeren (SB2) 3 tip boya hazırlanmıştır. İç ve dış cephe duvar boyalarına uygulanan sınıflandırma testlerinden olan yaş ovma direnci, su buharı aktarım hızı, su aktarım hızı testleri gerçekleştirilmiştir. Silinebilirlik özelliğini gösteren yaş ovma direnci testi sonuçlarına göre her üç boya da silinebilir özellikte çıkmıştır ancak silinme sonucu kuru film kalınlığındaki kayıp SB0, SB1 VE SB2 için sırasıyla 4,29, 3,19, 2,91 şeklinde çıkmıştır. Bu sonuçlar nano ve mikro seryum oksit disperse edilmiş boyaların silinebilirliğinin arttığının göstergesidir. Su bazlı dekoratif boyalarda su aktarımının düşük, su buharı aktarımının ise yüksek olması olumlu performans göstergeliridir. Gerçekleştirilen testlerde su buharı aktarım hızı SB2>SB1>SB0 iken su aktarım hızı SB0>SB2>SB1 şeklinde sonuç vererek nano seryum oksit ilavesinin performans testlerini olumlu etkilediği görülmüştür. Boyaların camsı geçiş sıcaklıklarının uygulama sıcaklığına yakın olması istenen bir durumdur. Hazırlanmış olan boyaların camsı geçiş sıcaklıkları dinamik mekanik analiz (DMA) cihazıyla SB0, SB1 ve SB2 için sırasıyla 13,10, 11,96 ve 14,8 oC olarak bulunmuştur. Dekoratif amaçlı boyaların genellikle oda koşullarında uygulandıkları düşünüldüğünde bu sonuçlar uygun gözükmektedir. Boyaların antibakteriyel davranışları Escherichia coli (E.coli) ve Staphylococcus aureus (S. aureus) bakterilerine karşı incelenmiş, 12 saat süresince boya yüzeyinde inkübe edilen bakteri kolonilerinin sayılarındaki zamanla azalış antibakteriyel aktivite olarak log CFU/g numune cinsinden hesaplanmıştır. E. coli bakterisine karşılık antibakteriyel aktivite %5 mikro seryum ilavesiyle yaklaşık 4,5 kat artarken, %1 nano seryum ilavesiyle yaklaşık 7 kat artmıştır. Benzer şekilde S. aureus bakterisine karşılık antibakteriyel aktivite %5 mikro seryum ilavesiyle yaklaşık 5 kat artarken, %1 nano seryum ilavesiyle yaklaşık 7 kat artmıştır. Nişasta, selüloz ve kitosan gibi bitkisel ve hayvansal kökenli polisakkarit, protein ve yağ türevleri, polimer kaplamaların eldesinde, petrol bazlı polimerlere karşılık çevre dostu, biyobozunur alternatifler olmuşlardır. Kitosan güçlü film oluşturma özelliği, metalik yüzeylere yüksek adezyon kuvveti, kendini onarabilme kabiliyeti ve antibakteriyelliği ile özellikle ambalaj malzemeleri, filtrasyon, doku kaplamaları gibi farklı pek çok uygulamaya sahiptir. Boyalarda ise özellike antikorozyon, antifouling ve kendi kendini onarma etkisi için kullanılma fırsatı sunmaktadır. Bununla birlikte nanometal oksitlerin, kitosan gibi polimer filmlerin fiziksel özelliklerini iyileştirdikleri birçok çalışma mevcuttur. Bu doktora çalışmasının üçüncü basamağında kitosan ile nano seryum oksit içeren ve içermeyen iki farklı kaplama malzemesi hazırlanmıştır. Kaplamaların daha elastik olması için asetik asit içerisinde hazırlanmış kitosan çözeltilere hidroksil etil selüloz (HEC) ve polietilen glikol (PEG) ilave edilmiştir. Çözeltilerden biri dökme yöntemiyle doğrudan film haline getirilmiş (Chi/PEG/HEC) diğerine ise %0,4 oranında nano seryum oksit ilave edildikten sonra filme dönüştürülmüştür (Chi/PEG/HEC/CeO2). Nano seryum oksit ilave edilmiş filmlerin daha kalın ve yeşil-sarı renkte olduğu, nano seryum oksit ilave edilmemiş filmlerin ise kalınlıklarının daha düşük, renklerinin ise mavi-kırmızı yönde olduğu görülmüştür. Filmlerin hidral dayanımlarını test etmek için gerçekleştirilen testlerde nano seryum oksit katkısının şişme ve büzüşme oranlarını düşürdüğü gözlenmiştir. Kaplama malzemelerinin su buharı aktarım seviyelerinin uygulamalara bağlı olarak optimum seviyede olması beklenmektedir. Chi/PEG/HEC ve Chi/PEG/HEC/CeO2 için su buharı aktarım test sonuçları sırasıyla 2823,4±388,0 g/d.m2 ve 1685,4±259,5 g/d.m2 olarak bulunmuştur. Su buharı aktarım hızına benzer şekilde nano seryum oksit ilavesinin filmin UV ışınların geçişini de düşürdüğü görülmüştür. Filmlerin transparanlıkları 600 nm dalga boyundaki % transmitanslarından sonuçlar, Chi/PEG/HEC için 53,069, Chi/PEG/HEC/CeO2 içinse 1,877 olarak bulunmuştur. TGA (termal gravimetrik analiz) yöntemiyle elde edilen termal dayanım test sonuçlarına göre nano seryum oksitin kaplamanın degredasyon sıcaklığını 180,24oC'den 199,84oC'ye arttırdığı görülmüştür. Hazırlanan film numunelerinin depolama modülü (E'), kayıp modül (E") ve tanδ(E"/ E') eğrileri çıkartılarak mekanik davranışları incelenmiş, düşük ve yüksek sıcaklıklarda düşük depolama ve kayıp modülü ile nano seryum oksit içeren kaplamanın elastikiyet kazandığı, nano seryum oksitin sıcaklık değişimlerine karşılık mekanik direnci arttırdığı görülmüştür. Strain-stres testinde Chi/PEG/HEC/CeO2 daha esnek davranış ile % 5.34 gerilmede koparken, Chi/PEG/HEC daha kırılgan davranış ile % 2.63 gerilmede kopmuştur. Antibakteriyel aktivite test sonuçlarına göre 12 saat süresince kaplama yüzeyinde inkübe edilen E.coli bakteri kolonilerinin sayılarında Chi/PEG/HEC için %13,55 azalma görülürken, Chi/PEG/HEC/CeO2 için %25,67 azalma görülmüştür. S. aureus bakteri kolonilerinin sayılarında ise Chi/PEG/HEC için %16,44 azalma görülürken, Chi/PEG/HEC/CeO2 için %25,67 azalma görülmüştür. Tüm sonuçlar değerlendirildiğinde marko ve nano seryum oksit kullanımının boyalara korozyon, UV yaşlanma ve bakteriyel üremeye karşılık direnç kazandırdığı, organik kirleticilere karşılık fotokatilik degredasyonla kendi kendini temizleyebilme özelliği gösterdikleri ispatlanmıştır. Özellikle nano seryum oksitin düşük oranlarda bile etkili olmasıyla, boya ve kaplamalar için maliyet düşürücü, elde edilebilirliği kolay, çevreci ve sürdürülebilir bir hammadde alternatifi olduğu ortaya konulmuştur. Gerçekleştirilen fiziksel, mekanik ve yüzey testleri bu savı destekler niteliktedir. Ayrıca su bazlı boyalara seryum oksit ilavesiyle antibakteriyel direnç kazandırılması literatüre ilk kez girmiştir. Antibakteriyel özellik gösterdikleri bilinen kitosan filmlerin nano seryum oksit ilavesiyle antibakteriyel etkilerini arttığı ispatlanmıştır. Yapılan testler sonucunda nano seryum oksit içeren kitosan bazlı filmlerin boyadan, gıda ambalajına, doku kaplamasından membran filtrelere pek çok alanda kullanımına imkan olduğu görülmüştür. Bu kaplama malzemesi özellikle deniz ve metal kaplamaları için alternatif bir malzeme olarak önerilmektedir.