Bina duvarları, çevreden gelen toz ve karbonlu partiküllerin üzerlerinde birikmesi nedeniyle sık sık parlak görünümünü kaybederler. Bu etkiyi gözlememek için genel olarak kendi kendini temizleyen dış cephe boyaları kullanılabilir.
Sağlam kendi kendini temizleyen süperhidrofobik bir kaplamanın uygulanması, bina duvarlarını temiz ve parlak tutabilir. Bunun için, doğal bir yağmur suyu veya normal mekanik su püskürtme ile süperhidrofobik boya ile kaplanmış bina duvarları verimli bir şekilde kendi kendine temizleyebilir [1].
Nanoteknolojinin bir ürünü olan süperhidrofobik yüzeyler endüstride birçok alanda kullanılmaktadır ve ayrıca bu alanlara her geçen gün yenileri eklenmektedir.
Süperhidrofobik yüzeye sahip malzemeler, ilk defa nilüfer çiçeği yaprağının sürekli temiz kalmasının araştırılmasıyla ortaya çıkmıştır.
Lotus yapraklarının ve gül yapraklarının yüzeyleri doğada bulunan tipik süperhidrofobik yüzeylerdir. Lotus yaprağının yüzeyi, hidrofobik mumlarla kaplı mikropapilla ve nanoçubuklardan oluşan mikro ve nano ölçekli hiyerarşik yapısı nedeniyle süper hidrofobik özellik sergiler.
Ayrıca, lotus yapraklarının yüzeyleri suya karşı düşük yapışma gösterir ve yüzeye yapışan tozlar/kirler su damlacıkları ile yüzeyden kolaylıkla yuvarlanarak uzaklaşabilir. Lotus yapraklarının kendi kendini temizleme performansı “nilüfer etkisi” olarak adlandırılır [2].
Yaprak yüzeyi, serbest yüzey enerjisi düşük bir madde ile kaplı olmasının yanında nano mertebede pürüzlü bir yapıya sahiptir. Bu her iki özelliğin birleşimi sayesinde nilüfer çiçeği yaprak yüzeyinin süperhidrofobik özelliğe sahip olduğu tespit edilmiştir.
Böylece yüzeyinde bulunan sıvı damlası nano mertebedeki oyuklarda hapsolmuş hava sayesinde yüzeyle çok az bir alanla temas etmektedir. Bu şekilde sıvı damlası, yüzey gerilimi sayesinde yüksek bir temas açısıyla küresel şekle yakın bir şekilde yüzeyde durabilmektedir.
Sıvı damlası yuvarlanırken yüzeyde bulunan kir ve tozları içerisine alarak yüzeyi temizlemektedir. Bu özelliklerinden dolayı süperhidrofobik/hidrofobik yüzeyler kendi kendini temizleme, buzlanma, korozyon, buğulanmasının önlenmesi ve sürüklenme direncinin düşürülmesi gibi birçok alanda kullanılma potansiyeline sahiptir.
Islanabilirlik özelliklerinin belirlenmesi için sıvı damlasının yüzeydeki temas açısına bağlı olarak genel olarak üç farklı durum tanımlanmıştır. Eğer temas açısı 90°’den küçük ise hidrofilik (ıslanır), 90° ile 150° arasında ise hidrofobik (ıslanmaz), 150°’den büyük ise süperhidrofobik (süper ıslanmaz) yüzey olarak isimlendirilmektedir. Şekil 1’de bu üç farklı durum gösterilmiştir.
[caption id="attachment_135808" align="aligncenter" width="556"]
Şekil 1. a) Hidrofilik b) Hidrofobik c) Süperhidrofobik[/caption]
Boya ve kaplamalarda, su damlacıklarının etkisiyle toz parçacıklarını temizleme yeteneği kendi kendini temizleme olarak tanımlanır. Kendi kendini temizleme (Self Cleaning) teknolojisinin en temel prensibi, yüzeydeki kir parçacıklarını giderebilen küresel bir su damlası oluşturabilme özelliğidir.
Kendi kendini temizleme, yüzeyin su damlacıklarının etkisiyle toz parçacıklarını temizleyebilmesidir. Toz partikülleri, kendi kendini temizleme işlemi sırasında damlacıkların kayma ve yuvarlanma hareketi ile yüzeyden uzaklaştırılabilir. Küresel bir damlacık, süper hidrofobik yüzey üzerinden yuvarlanma hareketi ile toz ve kir parçacıklarını taşır [3].
Öte yandan, hidrofilik veya süper hidrofilik yüzeylere sahip fotokatalitik malzemelerin kullanımı, organik kirleticilerin daha kolay bozunması veya ayrışmasını sağlaması nedeniyle kendi kendini temizleme özelliğine katkıda bulunabilir [4].
Kendi kendini temizleme kavramı, farklı özellikleri ve çeşitli alanlardaki olası uygulamaları kapsayıcı çeşitliliği nedeniyle son yıllarda çok fazla ilgi görmektedir. Bu teknoloji son yıllarda günlük uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Şekil 2’de bu teknolojinin kullanıldığı uygulamalar gösterilmiştir. Kendi kendini temizleyen yüzeyler, hidrofilik fotokatalitik malzemeler veya hidrofobik yüzey bitirme maddeleri kullanılarak hazırlanır. Bu teknolojinin karşılaştığı en büyük zorluk, zorlu çevre koşullarına bağlı yüzey özelliğine dayanımı ve aynı zamanda kaplamanın uzun süre kararlılığını koruyabilme yeteneğine sahip olmasıdır.
[caption id="attachment_135813" align="aligncenter" width="275"]
Şekil 2. Çeşitli uygulamalarda kendi kendini temizleme teknolojisi [4].[/caption]Özel ıslanabilirliğe sahip yüzeyler son yıllarda araştırmaların odak noktası olmuştur. Özellikle fotokatalitik aktiviteye sahip süperhidrofobik yüzeyler ve su damlacıklarına ayarlanabilir yapışma özelliği ile ilgi görmüştür.
Bu yüzeylerin süperhidrofobikliği genellikle yüzeylerin mikro yapısı ve kimyasal bileşiminin etkileşiminden kaynaklanır. Bu nedenle, süperhidrofobik yüzeyleri hazırlamak için iki yöntem kullanılmaktadır. Bu yönemler;
(1) Pürüzlü yüzey kaplama yapıları ile belirli malzemelerle hazırlanır ve daha sonra düşük yüzey enerjili malzemelerle değiştirilir.
(2) Alt yüzey olarak düşük yüzey enerjili malzemeler seçilir ve bu alt katmanların yüzeylerinde pürüzlü yüzey yapıları oluşturulur. Yaygın yöntemler arasında sol-jel yöntemi, biriktirme yöntemi, püskürtme yöntemi yer alır [2].
Lotus yaprağı benzeri hidrofobik yüzeylerin kendi kendini temizleme etkisine ek olarak, fotokatalitik aktivite içeren katkıların bileşime eklenmesi kendi kendine temizlenme özelliği için değerlidir.
TiO2, yüksek aktivitesi ve toksik olmaması nedeniyle fotokataliz alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda TiO2 ile birçok süperhidrofobik yüzey hazırlanmıştır. Araştırmacılar, “lotus etkisi” ve fotokatalitik aktivite ile gelişmiş kendi kendini temizleyen yüzeyler hazırlamak için hammadde olarak genel olarak TiO2’i kullanmışlardır.
Ancak, TiO2 hidrofilik bir pigmenttir ve UV ışıması altında süperhidrofilik hale gelir. Bu nedenle, TiO2 ile hazırlanan yüzeyleri modifiye etmek için genellikle düşük yüzey enerjili malzemeler kullanılır. Su temas açıları 156.3° ve 3.7° temas açısı histerezisine sahip kaplamalar, yüksek oranda kendi kendini temizleme kabiliyetine ve ısıl kararlılığa sahiptir [2].
Nanoteknoloji, kendi kendini temizleyen yüzeylerin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Nanoparçacıkların tek başına kullanımı, çeşitli alt tabakalar üzerinde daha düzgün bir şekilde dağılabilir ve hiyerarşik morfoloji oluşturabilir.
Foto-katalitik özelliğe sahip nanoparçacıkların mono dispersiyonlarının veya agregalarının yapışması, daha iyi kendi kendini temizleme özelliği gösterebilir. Benzer şekilde, mikro-nano parçacıkların düşük yüzey enerjili malzemelerle kombinasyonu, yüzey pürüzlülüğünü ve su iticilik davranışını geliştirebilir, bu da yüzeyde kendi kendini temizleme özelliğinin gerçekleştirilmesine yol açar [4].
Liu ve diğ. (2021) yaptıkları çalışmada kendi kendini temizleyen bir fotokatalitik WO3-TiO2 nanoçubuk (MWT)/ Polidimetilsiloksan (PDMS) bina kaplaması püskürtme yöntemi ile hazırlamışlardır.
MWT ve PDMS ile üretilen yüzey hiyerarşik yapısı, MWT içeren kaplamaya kendi kendini temizleme performansı sağlayan bir süperhidrofobik yüzey oluşturmak için bir dönüm noktası olmuştur. MWT içeren kaplamanın, dış cepheye uygulanmasından 450 gün sonra belirgin dayanıklılık ve yosun oluşmasını önleme (antifouling) özelliği gözlenmiştir [5].
Kaplamanın kendi kendini temizleme özelliği, toz parçacıklarının yüzeyden
uzaklaştırılması ve yapışmasına karşı gösterdiği dirençle doğrulanmıştır. MWT içeren kaplama ile farklı kirleticilerin kendi kendini temizleme özellikleri Şekil 3’te gösterilmiştir [5].
[caption id="attachment_135814" align="aligncenter" width="327"]
Şekil 3. Hidrofilik ve hidrofobik kirleticilere karşı MWT kaplamanın kendi kendini temizleme özellikleri [5][/caption]MWT içeren kaplama, 450 gün doğal hava koşullarında bekletildikten sonra süperhidrofobik ve kirlenme önleyici özelliklerini korumuştur (Şekil 4). Boya (100 mg/L MB solüsyon) ve çamurlu su (su ve standart külün kütle oranı 3:1) üzerine püskürtüldüğünde, yüzeyde MWT kaplamanın kendi kendini temizleme performansını sürdürdüğü belirlenmiştir.
Ancak, ticari kaplamanın kendi kendini temizleme etkisi, doğal hava koşullarından sonra kaybolmuştur. MWT kaplamanın, binaların dış yüzeyinde uzun süre kullanılabilen mükemmel dayanıklılık sergilediği yapılan çalışmada raporlanmıştır [5].
[caption id="attachment_135816" align="aligncenter" width="455"]
Şekil 4. MWT ve ticari kaplamaların doğal hava koşullarında 450 gün bekletildikten sonra kirlenme önleyici özelliği [5].[/caption]Syafiq ve diğ. (2020) cam panel üzerinde sprey yöntemiyle uygulanan, kolayca üretilebilen ve oda sıcaklığında kürlenebilen organik Polidimetilsiloksan (PDMS) polimerleri ve inorganik nano-Kalsiyum karbonat (CaCO3) dolgu maddeleri kullanılarak şeffaf kendi kendini temizleyen kaplamalar sentezlenmiştir.
Kaplama sistemi, maliyeti düşük tutmayı hedefleyen düşük maliyetli bir nano-CaCO3 ve basit bir işlemle geliştirilmiştir. CaCO3 miktarı ağırlıkça %0,2 ile %1,2 arasında değişen oranlarda kullanılmış ve C1-C6 kodlu reçetelerde verilmiştir.
Nano-CaCO3 kaplama sistemlerinin 4 aylık dış ortam maruziyetinin ardından kendi kendini temizlemesi ve dayanıklılığı araştırılmıştır. Sonuçlar Tablo 1’de özetlenmiştir. Ağırlıkça %0,8 CaCO3 içeren C4 reçetesi en yüksek temas açısı ile en iyi performansı
sergilemiştir [6].
[caption id="attachment_135817" align="aligncenter" width="770"]
Tablo 1. Ortalama su temas açısı değerleri (4 aylık dış ortam etkisi) [6][/caption]Guo ve diğ. (2015) kendiliğinden yerleşen mimari harçların yüzeyine doğrudan TiO2 içeren boya uygulama stratejisini araştırmıştır. Yapılan çalışmada, TiO2’i kendiliğinden yerleşen mimari harçlara dahil etmek için nano TiO2 tozu (P25, Degussa) ve harcı birbirine karıştırma, %10 TiO2 içeren boya ile kaplama ve P25 TiO2 ile kaplama olmak üzere üç farklı yöntem kullanmışlardır. Hem UV-A hem de görünür ışık ışınları altında Rodamin B azalması açısından fotokatalitik aktiviteleri ve hava koşullarına dayanıklılık yetenekleri (hızlandırılmış cephe aşınması laboratuvar simülasyonu) incelenmiştir.
Sonuçlar, TiO2 kaplı kendiliğinden yerleşen mimari harçların kendi kendini temizleme uygulamaları için kaynak ve enerji açısından verimli bir ürün olarak kullanılma potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir [7].
Zhou ve diğ. (2016) geleneksel boyaya, amino silikon yağı (ASO) ve aminopropiltrietoksisilan (APTES) ile modifiye edilmiş nanoçubuk yapısına sahip bir kil minerali olan Palpalygorskite (Pal) ekleyerek kendi kendini temizleyen bir boya geliştirmeyi amaçlamıştır.
Çalışmada, ASO ve APTES, çok sayıda nano küme içeren bir Pal formunu etkili bir şekilde oluşturabileceği, Pal yüzeyindeki pürüzlülüğü ve hidrofobik grupların miktarını önemli ölçüde artırabileceği görülmüştür. Bu modifikasyondan sonra, orijinal hali hidrofilik olan Pal mineralinin süperhidrofobik yapıya dönüştürülebildiği görüldü.
Çalışmanın sonucunda, ASO ve APTES ile modifiye edilmiş Pal’in, hidrofilik boyayı kendi kendini temizleme kabiliyetine sahip süper hidrofobik boyaya dönüştürmek için etkili bir hidrofobik ajan olarak kullanılabileceği tespit edildi [8].
Xue ve diğ. (2018) yaptıkları çalışmada, süperhidrofobik kendi kendini temizleyen turuncu-gri boyayı ticari olarak temin edilebilen malzemeler kullanarak geliştirmeyi amaçladı. Kaplama yüzeylerinin uygun bir zımpara kağıdı kullanılarak taşlanması, uygun genişlikte mikro oluklar oluşturur ve kaplama yüzeyinde mikro ve nanoparçacıkları açığa çıkarır.
Böylece kaplama yüzeyine süperhidrofobik kendi kendini temizleme özellikleri kazandırılır. Ayrıca kaplamanın süperhidrofobikliği asit, alkali ve mekanik aşınmaya karşı iyi bir dirence sahip olduğunu göstermektedir.
Yapılan çalışmanın sonucunda, yapay hızlandırılmış hava koşulları nedeniyle kaplamanın süper hidrofobikliğini tamamen yok edebileceği ve güneş yansımasını kısmen azaltabileceği görülmüştür.
Bunun yanında, aşınmış kaplamanın uygun bir zımpara kağıdı kullanılarak yenilenmesi sonucunda süperhidrofobik kendi kendini temizleme özelliğinin yeniden kazanılabileceği gösterilmiştir [9].
Kendi kendini temizleyen boyalar, görünümlerini ve yerleştirildikleri ortamın kalitesini iyileştirmek için yüzeylerinde bulunan kirleticileri bozabilir. Bu tip boyalar, olağan bileşenlere ek olarak, anataz fazında TiO2 gibi fotokatalitik partiküller içerir.
Sahip olduğu fotokatalitik etki, kaplamanın yüzeyinde bulunan kirleticilerin bozulmasına neden olarak kendi kendini temizleme özelliğine yol açar, ancak aynı zamanda boya formülasyonunda bulunan organik bağlayıcının stabilitesini de azaltabilir.
Bu nedenle, kendi kendini temizleyen bir boya formülasyonu geliştirmek için, fototemizleme verimliliği ile boyanın dayanıklılığı arasında bir denge bulmak çok önemlidir [10].
Sonuçlar
Boyanın kendi kendini temizleme performansı süperhidrofobik özelliği ile doğru orantılıdır. Superhidrofobik özelliği arttırmak için çeşitli çalışmalarda farklı yöntemler kullanılarak yüzey pürüzlülüğünü arttırmak amaçlanmıştır.
Bu sayede kendi kendini temizleme özelliği yanında güneş yansıması özelliğinin de iyileştiği görülmüştür. Bunun yanında, fotokatalitik aktiviteye sahip süperhidrofobik yüzeylerde su damlacıklarının ayarlanabilir yapışma özelliği ile ilgi görmüştür.
Fotokatalitik etkiyi sağlamak için genel olarak TiO2 bileşimlerde kullanılmıştır. TiO2 özellikle anataz fazında, yüksek fotoaktivitesi, mükemmel kimyasal kararlılığı, düşük maliyeti ve yüksek kullanılabilirliği nedeniyle fotokatalitik uygulamalar için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir.
Kendi kendini temizleyen boyalar sadece binanın estetik görünümünü iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda rutin bakım maliyetlerini de etkili bir şekilde azaltır. Geleneksel boyalar çoğunlukla hidrofiliktir ve bu nedenle sudaki kirleticiler tarafından bozulma eğilimindedir.
Yüksek hidrofobik özelliğe ve kendi kendini temizleme yeteneğine sahip yeni boyaların geliştirilmesi önemlidir. Yapılan çalışmalarda kendi kendini temizleme özelliği oldukça geliştirilmiş olmasına rağmen kendi kendini temizleyen boyanın dayanıklılığı konusu hala gelişime açıktır.
Seda Aygül
Ar-Ge PSRA Uzmanı
Marshall Boya ve Vernik Sanayi A.Ş.
Şevval Bilketay
Ar-Ge Proje Uzmanı
Marshall Boya ve Vernik Sanayi A.Ş.
Kaynaklar / References
[1] Latthe S.S., Sutar R.S., Kodag V.S., Bohasel A.K, Kumar M., Sadasivuni
K.K., Xing R., Liu S., Self – Cleaning Superhydrophobic Coatings:
Potential Industrial Applications, Progress in Organic Coating, 128,
2019.
[2] Wang F., Chang R., Ma R., Tian Y., Eco-friendly and Superhydrophobic
Nano-Starch Based Coatings for Self-Cleaning Application
and Oil-Water Separation, Carbohydrate Polymers, 271, 2021.
[3] Syafiq A., Vengadaesvaran B., Ahmed U., Rahim A.N., Pandey A.K.,
Bushroa R.A., Ramesh K., Ramesh S., Transparent Self-Cleaning Coating
of Modified Polydimethylsiloxane (PDMS) for Real Outdoor
Application, Progress in Organic Coatings, 131, 2019.
[4] Dalawai P.S., Aly M.A.S., Latthe S.S., Xing R., Sutar R.S., Nagappan
S., Ha C.S., Sadasivuni K.K., Liu S., Recent Advances in durability of
superhydrophobic self-cleaning technology: A critical review, Progress
in Organic Coatings, 138, 2020.
[5] Liu G., Xia H., Niu Y., Zhao X., Zhang G., Song L., Chen H., Fabrication
of Self-Cleaning Photocatalytic Durable Building Coating Based
on WO3-TNs/PDMS and NO Degradation Performance, Chemical
Engineering Journal, 409, 2021.
