Alüminyum yüzey üzerindeki emaye kaplamalara titanyum dioksit katkısı ile fotokatalitik özellik kazandırılması


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Istanbul Technical University, Fen Bilimleri Enstitüsü, Turkey

Approval Date: 2014

Thesis Language: Turkish

Student: ELİF DEMİRHAN

Supervisor: Hale Gürbüz

Abstract:

Evsel pişirici ocaklardaki yakıcılar havuz, adaptör ve kalpak olmak üzere üç kısımdan oluşmakta olup, bahsedilen kalpak sac malzemeden üretilmektedir. Mevcut durumda sistemdeki gaz, yakıcı havuzunun içerisine dolarak yükselmekte ve adaptör portlarından dışarı çıkarak kalpağa çarpmaktadır. Bu sırada buji ateşlemesiyle gaz alev almakta ve yakıcıda yanma gerçekleşmektedir.  Bu çalışmada,evsel pişirici ocak kullanıcıları için yeni tasarıma sahip bir yakıcı seçeneği sunmak için teknolojinin mevcut durumdaki yakıcılara göre farklı formda ve alüminyum malzemeden üretilen bir yakıcı kalpağının farklı oranlarda titanyum dioksit (TiO2) içeren emaye karışımıyla püskürtme yöntemine göre kaplanması ve kaplamaya fotokatalitik özellik kazandırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, öncelikle yakıcı kalpağının özel bir bileşime sahip alüminyum malzeme olan piralden dövme ve enjeksiyon yöntemleri ile üretimini takiben kaplama denemeleri yapılmıştır. Dövme yöntemi ile üretilen kalpakların kenarlarında kalan çapakların temizlenmesi için CNC olarak isimlendirilen yüzey işleme makinalarında kalpak yüzeylerinin işlenmesi sağlanmıştır.  Kalpak üretim aşamasından sonra vibrasyon ve kumlama cihazları kullanılarak kalpak yüzeylerinin parlatılması sağlanmıştır. Farklı yüzey özelliklerine sahip kalpaklar üzerine emayenin kaplaması aynı koşullarda uygulanarak test edilmiştir.Yapılan kaplamaların pişmesi sırasında dövme yöntemiyle üretilen kalpaklara uygulanan kaplama yüzeylerinde pinhole denilen küçük kabarcıkların olduğu görülmüştür. Yüzeyi kumlama yöntemiyle parlatılmış olan kalpaklarda ise emaye kaplamalarının tutmadığı gözlenmiştir. Enjeksiyon yöntemiyle üretilen ve sonrasında vibrasyon ile yüzey parlatma işlemi uygulanan kaplamalarda ise herhangi bir sorunla karşılaşılmamıştır. Bu nedenle, emaye kaplama çalışmalarına enjeksiyon yöntemiyle üretilen kalpaklar ile devam edilmiştir. Denemelerde kullanılacak kalpak üretim yönteminin belirlenmesinden sonra kaplamada kullanılacak emaye karışımının hazırlanması işlemlerine geçilmiştir. Kaplamalarda kullanılan emaye karışımının alüminyum malzemeye uygun olması gerekmektedir. Emaye karışımlarının hazırlanmasında alüminyum malzemeye uygun olduğu öngörülen ticari fritler (GİZEM FRİT A.Ş' den temin edilen 1971, 1974, 1922 ve 1971 kodlu fritler) kullanılmıştır. Emaye karışımındaki diğer temel bileşenler potasyum hidroksit, sodyum metasilikat, demir oksit ve sudur. Uygun fritin belirlenmesi için, belirtilen fritlerin her biri ile sol-jel yöntemi kullanılarak hazırlanan emaye karışımları kalpaklar üzerine püskürtme kabininde püskürtülmüştür. Kaplama yapılan kalpaklar 80 ºC 'deki etüvde 10 dakika kurutulduktan sonra, camsı tabakanın oluşması için kullanılan frite uygun pişirme sıcaklığına ısıtılmış tavlama fırınında 10 dakika için pişirilmiştir. Pişirme işlemi tamamlanan kalpaklar tavlama fırınından çıkarılarak termal dayanım testi öncesinde oda koşullarında soğumaya bırakılmıştır. Kaplamaların homojenliği kalınlık ölçüm testleri ile belirlenmiştir. Termal dayanım testlerinde sadece homojen kaplamalı kalpaklar kullanılmıştır. Kalpakların termal dayanımları, doğrudan aleve maruz bırakılmaları durumunda yüzeyde meydana gelen değişimlerin gözlenmesi ve termal kamera ile ölçülen yüzey sıcaklıklarının belirlenmesine göre değerlendirilmiştir. Emaye kaplamaların kendi kendini temizleme özelliği elde etmesi amacıyla fotokatalitik özelliği bilinen anataz formunda titanyum dioksit katkısı kullanılmıştır. Bu amaçla, emaye karışımlarının bir kısmına anataz yapısındaki nano boyutlu toz titanyum dioksit eklenmiş; bir kısım kaplamada ise emaye karışımındaki titanyum dioksite ek olarak emaye yüzeyi yine anataz formundaki titanyum dioksit içeren dispersiyon kullanılarak yüzeyde ince film oluşması sağlanmıştır.  Emaye karışımında kullanılan farklı koddaki fritlerin oksit bileşimleri farklıdır. Ayrıca, üretici firma tarafından verilen bilgi doğrultusunda bu fritlerin farklı oranlarda TiO2 içerdiği de bilinmektedir. Denemelerde kullanılan 1971, 1974, 1922 ve 1971 kodlu fritlerin de farklı bileşimlere sahip olmaları dolayısıyla pişme sıcaklıkları ve termal dayanımları farklılık göstermektedir. Yapılan denemeler, önceden belirlenmiş pişme sıcaklıklarına uygun sıcaklıkta pişirilmeyen kaplamalarda istenilen camsı yüzeyin elde edilmediğini göstermiştir. 570-575°C pişme sıcaklıklarına sahip fritler kullanılarak hazırlanan emaye kaplamalarının pişmesi sırasında kalpakta kabarma meydana geldiği görülmüştür. 570°C'den daha düşük sıcaklıklarda(560-565°C) yapılan pişirme işlemlerinde ise bir sorun yaşanmamıştır. Ayrıca, yapılan termal testler 1971 ve 1922 kodlu fritleri içeren emaye kaplamalarda deformosyon sorununun önemli boyutta olmadığını göstermiştir. 1974 ve 1934 fritlerini içeren kaplamaların yüzeyinde termal test sırasında beyaz partiküllerin oluştuğu gözlenmiştir. Bu nedenle, çalışmanın devamında kaplamaya fotokatalitik özellik kazandırılması çalışmalarında 1971 ve 1922 kodlu fritler kullanılmıştır. 1971 kodlu frit yapısında %15-20 oranında,  1922 kodlu fritte ise % 20-25 oranında TiO2 bulunmaktadır. Kaplamaların fotokatalitik özelliğinin incelenmesi için öncelikle kalpak üretiminde kullanılan piral malzemelerden 50mm50mm1mm ebatlarında levhalar hazırlanmıştır. Levhaların alkol ve saf su ile yıkanarak yüzey kirliliklerinden kurtulması sağlandıktan sonra,  1971 ve 1922 kodlu fritler kullanılarak hazırlanan emaye karışımları ile püskürtme yöntemi ile kaplanmış ve aluminyum kalpaklardakine benzer kurutma ve pişirme işlemleri uygulanmıştır. Daha sonra ise, 6 gr/100 gr frit oranında ve 12 gr/100 gr frit oranında toz TiO2 içeren farklı emaye karışımları hem 1971 kodlu frit hem de 1922 kodlu frit kullanılarak hazırlanmış olup, bu kalpaklara da aynı kurutma ve pişme işlemleri uygulanmıştır. Daha sonra her bir farklı özellikteki kaplama çeşidinden dörder adet seçilmiş ve yüzeyleri TiO2 ince film tabakası ile de kaplanmıştır. İnce film kaplamalar, levhaların TiO2dispersiyonunadaldırılıp 5 dakika bekletilmesinden sonra 80°C'deki etüvde 40 dakika kurutulması ve 1 saat tavlama fırınında pişirilmesi ile hazırlanmıştır. Hazırlanan emaye kaplamaların fotokatalitik özelliklerinin test edilmesi için kirlilik oluşturan temsili madde olarak metil oranj kullanılmıştır. Her kaplama çeşidinden alınan dörder adet numune 10,4 mg/L konsantrasyonlu metil oranj çözeltisinin belirli bir miktarına (150 ml) daldırılmış; 365 nm dalga boylu UV ışık altında 2, 4, 8 ve 14 saat olmak üzere farklı sürelerde bekletilmiştir. UV ışık altında kaplamanın sağladığı fotokatalitik özellik metil oranjda bozunmaya neden olduğundan, metil oranj konsantrasyonundaki azalmadan bozunma derecesi belirlenmiştir. Çözeltilerde UV etki öncesi ve sonrasındaki metil oranj konsantrasyonu UV spektrofotometresi ile 455 nm dalga boyunda belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre: • Yapısında %15-20 oranında TiO2 içeren 1971 kodlu ve % 20-25 oranında TiO2 içeren 1922 kodlu fritlerle hazırlanan emaye kaplamalar ihmal edilebilecek düzeyde fotokatalitik özellik göstermektedir. • Emaye karışımına eklenen anataz formundaki nano TiO2 kaplamanın fotokatalitik etkisini artırmaktadır. Bu etki katkı miktarının artmasıyla artmaktadır. • Emaye karışımında TiO2 katkısı ve yüzeyde ince film TiO2 kaplamasının birlikte uygulanması sinerjik bir etkiyle fotokatalitik etkiyi önemli miktarda artırmaktadır.