Yalıtkanların kaplanması nasıl yapılır, yalıtkanlar neden kaplanır, karşılaşılan sorunlar nelerdir?

YALITKANLARI KAPLAMA

Şimdi, metal kaplamanın başka bir alanı olan yalıtkanların kaplanması konusunu ele alacağız. Bu konuyla bağlantılı olarak, yalıtkan yüzeyler üzerine iletken metalik filmler kaplanması hakkında bazı ilgi çekici teknikler üzerinde de duracağız. Bu tekniklerin bazıları o kadar geniş içerikli ve iyi geliştirilmiştir ki, başlı başına özel bir ilgi alanıdır. Bu alanları daha detaylı olarak incelemek isterseniz ders sonunda verilen kaynakçalardan yararlanabilirsiniz. Burada asıl amacımız verilen filmleri başarılı biçimde, gerektiği zaman, gerektiği yerlerde üretebilmenizi sağlayacak teknikler hakkında yeterli altyapı bilgisini vermektir.

YALITKANLAR NEDEN KAPLANIR?

Derse bu soru ile başlıyoruz çünkü plastik maddeleri kaplamanın ne gibi yararları olduğunu merak etmiş olabilirsiniz. Bir takım avantajları vardır:

1. METALİ KORUMAYA YARDIMCI OLUR.

Bugün malzemelerin, özellikle de metallerin, korunması çok önemlidir ve zaman geçtikçe bu konu daha da önem kazanacaktır. Ne yazık ki doğal kaynaklar tükenmektedir. Doğal kaynakları koruyan – ve aynı zamanda fiyatları aşağıda tutan – her şey çok değerlidir.

2. YUMUŞAK MALZEMENİN ÜZERİNDE SERT BİR YÜZEY OLUŞTURUR.

Çoğu durumda plastiğin hafif bir madde oluşu büyük bir avantaj sağlar. Yeni çeşitleri daha güçlü, ve bazıları diğerlerine nazaran ısıya daha dayanıklıdır, ama hepsinin de ortak özelliği sert olmayışlarıdır. Dolayısıyla plastik yüzeylerin kaplanması iyi bir fikir gibi görünmektedir ve pek çok durumda öyledir.

3. GÜZEL,METALİK BİR GÖRÜNTÜ SAĞLAR

Pek çok kereler gösterilmiştir ki parlak ya da satine görünümlü metalik yüzeyler ürünün satılabilirliğini oldukca arttırmaktadır. İnsanlar metalin parlaklığından hoşlanırlar. Bir şekilde parlaklık ürünü daha sağlam, daha güvenilir göstermektedir.

Bu üçü, plastik üzerine kaplama yapmak istenmesinin temel gerekçeleridir. Tabii ki bunlardan başka sebepler de olabilir ancak hepsi de sonuçta bu üçü ile ilişkilidir.

KARŞILAŞILAN EN BÜYÜK SORUN

Yalıtkanları kaplarken asıl meselenin ilk yapışkan metal kaplama tabakasının elde edilmesi olduğunu anlamak için âlim olmanıza gerek yoktur.

Eğer yalıtkan yüzey üzerinde iyi bir yapışkan metal tabakası ya da filmi elde ettiyseniz gerisi gelir. Bir kere bu şekilde bir kaplama elde ettiğinizde cismi o metalle veya gerekli olan başka bir metalle kaplayabilirsiniz.

Dikkat ettiyseniz yapışma kelimesini vurguladım. Bu nokta önemli olup aşağıda açıklanacaktır.

ADEZYON VE KOHEZYON

Ders 1’deki BAĞ YAPMA konusunu hatırlıyor musunuz? Hafızanızı tazelerseniz şunu hatırlayacaksınız: Metal atomlarını (iyonlarını) bir arada tutan bir tutkal görevi gören elektron bulutu, bir metal parçasını oluşturan metal atomlarının birbirleri ile bağ yapmasını sağlar.

Pozitif yüklü metal atomlarının negatif yüklü “serbest” metal atomlarını çekmesi metalleri bir arada tutan KOHEZYON kuvveti olarak adlandırılır.

Metalin içindeki her atom uniform bir elektron “bulutu” ile çevrelenmiştir. Ama yüzeyde bu böyle değildir (Bkz: şekil 1). Burada metale farklı özellikler veren, bağ yapma kapasitesine sahip metal atomları bulunmaktadır. Daha önceden öğrenmiş olduğumuz enerji terimiyle ifade edecek olursak, metal yüzeyindeki atomlar diğerlerine nazaran daha yüksek serbest enerjiye sahiptir. Her zaman olduğu gibi doğa bu enerjiyi düşürmeye çalışacaktır.

Bunu yapmanın bir yolu, yüzey alanının hacme oranını düşürmektir. Sıvı moleküllerinin hareket kaabiliyeti daha yüksek olduğu için ve kolaylıkla akış oluşabildiğinden, sıvı en küçük yüzey alanına sahip olacak şekli kendiliğinden alır. Ders 4’te de ele aldığımız üzere, sıvı damlacıkları küre şeklini alırlar ve belli bir miktardaki madde en küçük yüzey alanına sahip olur. Ancak metal atomları bu hareket kaabiliyetine sahip değildirler ve bu yüzden onlar ne olursa olsun dış şekillerini korumak zorunda kalırlar.

Bu serbest enerjiyi azaltmanın bir diğer yolu da yüzeye bağlanacak başka atomlar ya da moleküller bulmaktır. Örneğin, eğer çevrede bulunan gaz molekülleri, mesela oksijen molekülleri yüzeydeki bağ yapmamış metal atomları tarafından çekilirse, serbest yüzey enerjisini oldukça azaltan OKSİTLENME olayı meydana gelir. Ya da başka tip moleküller zayıf bağlar yapacak ve yüzeye yapışacaklardır (Van Der Waals bağları) ki bu da serbest yüzey enerjisini düşürecektir.

Eğer metalin yüzeyi temizse ve aynı tür metal atomları ile kaplanırsa, yüzey atomlarının bağ yapma istekleri giderilir ve yapışkan görevini gören elektron bulutu kaplanmış tabakanın içinde serbestçe hareket edebilir. Kaplama tabakasının yüzeye yapışma kuvveti ancak metalin kendisine bağlanma kuvveti kadar olacaktır. Aslında teorik olarak, yeni bağlanan metal atomları ve metal arasındaki bağ metalin herhangi bir yerindeki bağ kadar sağlamdır. Bağ kuvveti orijinal metalin KOHEZYON kuvvetine eşittir diyebiliriz.

Eğer yüzeye başka bir metal kaplanırsa aynı atomik kuvvetler yine iş başındadır ve kaplama esas metale, en az esas metal atomlarının arasındaki bağ kuvveti kadar bir kuvvetle bağlanır. Artık burada bahsedilen esas metal ile kaplama atomları arasındaki KOHEZYON kuvveti değil, esas metal atomları arasındaki ADEZYON kuvvetidir.

BENZER ATOMLAR ARASINDAKİ ÇEKİM KUVVETLERİ KOHEZYON KUVVETLERİ OLARAK ADLANDIRILIR. FARKLI ATOMLAR ARASINDA ÇEKİM KUVVETLERİ İSE ADEZYON KUVVETLERİ OLARAK ADLANDIRILIR.

Şimdi bir plastiğin yüzeyini ele alalım (biz burada yalıtkan olarak plastikleri alacağız, burada öne sürülen düşünceler ufak düzeltmelerle tüm yalıtkanlar için uygulanabilir). Bildiğiniz gibi plastikler organik moleküllerin (monomerlerin) bir araya gelerek oluşturduğu uzun molekül zincirlerinden (polimerlerden) meydana gelir. Bu tek molekül zincirleri güçlü KOVALENT BAĞLAR1 tarafından bir arada tutulurlar. Ayrıca zincirler birbirlerine iyonik bağlarla ya da daha zayıf olan VAN DER WAALS BAĞLARI ile çapraz bağlanmış olabilirler.

Burada akılda tutulması gereken şey, eğer serbest elektronlar mevcut ise çok az sayıda olacağıdır. Başka bir ifadeyle, tüm elektronlar kovalent ya da iyonik bağlarla bağlanmışlardır.

Şimdi plastik bir malzemenin yüzeyine ince bir metal tabakası kaplamayı denediğinizde neler olacağını göreceksiniz. İlk oluşan metal atomları tabakası kesinlikle yapışmayacaktır çünkü onların yapışmasını sağlayacak “elektron bulutu” yoktur.

Metal atomları elektronlarını paylaşacak farklı atomlar ya da moleküller aramaya başlarlar. Plastiğin normal yüzey atomları veya moleküllerinin paylaşacakları ya da ayıracakları elektronları yoktur, çünkü hepsi kovalent ya da iyonik bağlarla bağlanmışlardır. Bu durumda yüzeye yapışma olmaz.

Neyse ki – pek iyi bir yöntem olmasa da- bu problemi çözmenin bir yolu vardır. VAN DER WAALS BAĞ KUVVETLERİ. Yüzey elektronlarının bağlı olup olmaması önemli değildir, bu bağ kuvvetleri yüzeyde her zaman mevcuttur ve böylece temiz bir plastik yüzeye zayıf ve ince bir metal tabakası kaplamak mümkün olacaktır. Burada altı çizilmesi gereken temiz kelimesidir, çünkü Van Der Waals kuvvetleri bağ yapmaya başlamak için nispeten zayıftır. Bu nedenle plastik yüzey üzerinde çok ince bir yağ, gres tabakası ya da küf bırakan bir mekanizma varsa hiç yapışma olmaz.

Metalik bağ ile elde edilen bir yapışma gücünü Van Der Waals bağı ile elde edilenle kıyaslamak ilginç olacaktır. Metalik bağ: 50.000 psi. Van Der Waals bağı: 50 psi! Bu karşılaştırma doğal olarak yaklaşık değerler üzerindendir ama yine de size durum hakkında bir fikir verecektir. Van Der Waals bağı metalik bir bağ ile karşılaştırıldığında gerçekten çok düşük bir güce sahiptir, ama yine de pek çok plastik kaplama uygulamasında bu güç yeterli olacaktır. Bazılarında ise fayda sağlamaz ve bu nedenle o ilk metal tabakasını daha güçlü biçimde yapıştırmanın yollarını aramamız gerekir.

Bunu şu üç şekilde yapmak mümkündür:

1. Bir şekilde yüzeydeki kovalent bağları kopararak onları elektronlarını paylaşmaya ya da vermeye istekli hale getirin. Buna KİMYASAL BAĞ YAKLAŞIMI denir.

2. Plastik yüzeyi olabildiğince temiz hale getirin ve Van Der Waals bağlarının etkili olmasını bekleyin. Yukarıda genel olarak, pek çok örnekte görülen 50 psi değeri verilmiştir ama şartlara bağlı olarak bazı durumlarda bu değer 500 psi’ye kadar yükselebilmektedir. Buna FİZİKSEL (ya da FİZİKO-KİMYASAL) BAĞ YAKLAŞIMI denir. (Şekil 2’ye bakınız).

3. Plastiğin yüzeyini pürüzlü hale getirin ve kalitesini düşürün. Böylece ilk birkaç tabakadaki metal atomları ve arkadan gelenler yüzeye mekanik olarak tutunurlar, bu tıpkı bir dişe dolgu yapmaya benzer. Buna MEKANİK BAĞ YAKLAŞIMI denir.

Çoğu durumda bağ oluşumunun başlaması, bu üç yoldan iki ya da üçünün birlikte kullanılması halinde olur.

Kaplamanın kimyasal bağların oluşumu ile başladığı bazı durumlar olmakla birlikte, esasında çoğu durumda fiziksel ve mekanik bağların kaplamayı başlattığı ve iyi yapışma sağlayan, daha iyi kaplama yöntemleri olduğu görülmüştür. Örneğin, elektron mikroskobu ile yapılan incelemelerde kalitenin düşürülmesi ile oluşturulan mikro-oyukların, ilk metal kaplama tabakasını oluşturmada faydalı olduğu görülmüştür2.

Şekil 2. Fiziko-Kimyasal Bağ

Yalıtkanları kaplamadaki en temel problemin ne olduğunu anladığınıza göre yalıtkanları kaplamanın nedenlerini, nerede plastik yüzeylerin kullanıldığını ve plastik yüzeylerin nasıl daha iyi kaplanacağını göreceksiniz – artık satıcıların iddialarını anlayabilecek bilgi birikimine sahipsiniz.

Bu noktada yalıtkan bir yüzeye ilk metal tabakasının nasıl çökeltilebileceğini konuşacağız ve gerekli yüzey hazırlama tekniklerini sonraya bırakacağız.

İLK METAL TABAKASI

Çok önemli olan ilk tabaka metal atomları farklı yollarla yüzeye çökeltilebilir.

1. Metal atomlarını GAZ HALDEN çökeltebilirsiniz. Bunu yapabilmek için farklı birkaç yol vardır:

(a) METAL BUHARLAŞTIRMA (VAKUM KAPLAMA)3

(b) METAL PÜSKÜRTME (İYON KAPLAMA)

(c) TERMAL VE KATALİTİK ÇÖZÜNDÜRME

2. Metal atomlarını SIVI HALDEN çökeltebilirsiniz. Bunu yapabilmek için sadece bir yol vardır:

(a) ELEKTROLİZ KAPLAMA

3. Metal atomlarını KATI HALDEN çökeltebilirsiniz. Bu üç değişik yolla yapılabilir:4

(a) İnce-düzgün bölünmüş metal fırça ile kaplanabilir

(b) “ “ “ daldırılarak “

(c) “ “ “ püskürtülerek “

Gördüğünüz gibi fazlaca seçenek vardır. Bazı yöntemler diğerlerinden daha iyidir ve bazı metotlar elektro kaplama için başlangıç niteliğinde değildir.

Konuya GAZ HALDEN çökeltme yöntemleri ile başlayacağız.

---

1 Bu konuyu ele alırken 1. Ders’teki Bağ Yapma konusuna göz atmanızda fayda vardır.

2 G. Woldt, Trans. Inst. Metal Finishing, 47 , 236 (1969)

3 Vakum kaplama aslında biraz yanlış bir adlandırmadır. Bir şeyi hiçbir şeyle kaplayamazsınız (ya da hiçbir şeyi bir şeyle kaplayamazsınız)!

4 Aynı zamanda yayarak da kaplayabilirsiniz (ısıtma işlemi) ancak bu konu burada ele alınmayacaktır.