Geri Dön

Development of novel phase change materials with classical and supramolecular approaches

Klasik ve supramoleküler yaklaşımlarla yeni faz değişim malzemelerinin geliştirilmesi

  1. Tez No: 887666
  2. Yazar: EDA RENDE KILIÇ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ABDULLAH AYDOĞAN, PROF. DR. AHMET ALPER AYDIN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 172

Özet

Güneş enerjisi ve termal enerji depolama uygulamalarında yüksek performanslı malzemelere olan talep, enerjiyi verimli bir şekilde emebilen ve serbest bırakabilen faz değişim malzemeleri (PCM'ler) üzerinde önemli araştırmalar yapılmasını teşvik etmiştir. Bu çalışma, enerji kaybını en aza indirmek için hem geleneksel hem de supramoleküler yaklaşımlar kullanarak poliüretan köpüğe dahil edilmek üzere PCM'ler geliştirmeye odaklanmaktadır. Öncelikle, termal enerji depolama için geleneksel bir organik PCM olarak yağ asidi esteri olan butil stearat seçilmiştir. Butil stearat, yerinde polimerizasyon tekniği kullanılarak poli(üretan-ürea) (PUU) kabuğu içinde mikroenkapsüle edilmiştir. Bu yenilikçi yöntem, çok işlevli bir amino alkolün izosiyanat ile reaksiyona sokulmasını, aynı polimer zincirinde hem üre hem de üretan gruplarının oluşturulmasını içermektedir. Elde edilen PUU mikrokapsüller, geliştirilmiş mekanik özellikler ve dayanıklılık sergilemiştir. Çalışma, PUU mikrokapsüllerinin termal özelliklerinin yüzey aktif madde/PCM oranı ve kullanılan yüzey aktif madde türünden önemli ölçüde etkilendiğini ortaya koymuştur. Diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizleri, bu faktörlere bağlı olarak enkapsülasyon verimliliğinde ve termal davranışta değişiklikler olduğunu göstermiştir. Katyonik yüzey aktif maddelerle hazırlanan mikrokapsüller, daha yüksek termal stabilite ve belirgin termal profiller sergileyerek üstün faz değişim özellikleri göstermiştir. Termal gravimetrik analiz (TGA) eğrileri, her numunenin 250 °C civarında ağırlık kaybetmeye başladığını ve bu kaybın hız ve miktarının numuneler arasında farklılık gösterdiğini göstermektedir. TGA, yüzey aktif madde seçiminin mikrokapsüllerin termal bozunma sıcaklıklarını doğrudan etkilediğini doğrulamıştır. Ortaya çıkan sonuçlara göre, PUU mikrokapsüllerinin uygun işleme ve malzeme seçimi ile 150 °C'yi aşan bir ekzotermik sürece dayanabilecek kapasiteye sahip olduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, yüzey aktif kullanımının tepkime koşullarında polimer zinciri ile güçlü etkileşimleri nedeniyle erime entalpisinin önemli ölçüde arttığını göstermiştir. Bu çalışma ayrıca, yüzey aktif/PCM oranının kapsülleme verimliliği üzerinde doğrudan bir etkisi olduğunu göstermiştir, aniyonik surfaktanlar kullanıldığında dikkate değer bir azalma gözlenmiştir. Sonuç olarak, PUU mikrokapsüllerin termal özellikleri farklı surfaktanlar tarafından önemli ölçüde etkilendiği gözlemlenmiştir. Bu çalışmada, PCM'leri içeren mikro kapsüllerin parçacık büyüklükleri, PCM'leri içermeyen mikro kapsüllerle karşılaştırılarak SEM görüntüleri kullanılarak incelenmiştir. Bulgular, yüksek enkapsülasyon verimine sahip PUU mikrokapsüllerini içeren numunelerin içermeyenlere göre daha büyük parçacık boyutlarına sahip olduğunu göstermektedir. Çalışmada elde edilen yüksek enkapsülasyon verimine sahip numunenin büyük miktarlarda tekrar üretilebilirliği incelenmiştir. En yüksek kapsülleme verimliliğine sahip linear katyonik yüzey aktif ile üretilen PUU mikrokapsül hem mekanik hem de termal özellikleri iyi olmasına rağmen, sentez sırasında aşırı köpüklenme göstermesi reaksiyonu kontrol etmeyi ve süreci büyütmeyi zorlaştırmıştır. Bu sorunu çözmek için bu PUU mikrokapsül yerine ikinci en yüksek kapsüleme verimliliğine sahip olan aromatik katyonik yüzey aktif ile sentezlenen PUU mikrokapsül kullanılmıştır. Çoğaltma çalışmaları sırasında çok daha az köpürme gösterdiği için daha kolay yönetilebilmiştir. Ölçme sonuçları, yüksek hacimdeki sıvı ortamında, kapsüllerin daha büyük miktarlarda üretilebildiğini ve bunun yanı sıra termal özelliklerinin daha da iyileştirdiğini göstermektedir. Bu sonuçlar, mikrokapsül sentezi sürecinin daha büyük ölçekte tekrarlanabilirlik ve güvenilirliğini vurgulamaktadır. Mikroenkapsüle edilmiş PCM'lerin rijit poliüretan köpüğe dahil edilmesi, önemli gizli ısı depolama kapasitesine sahip kompozitler oluşturma potansiyelini göstermiştir. Başlangıçta mikrokapsüller, sadece yüzde hesaplamalarıyla sert PU formülasyonuna katkı formunda katılmıştır. Ancak bu durumun, köpük oluşumunu olumsuz etkilediği görülmüştür. PCM mikrokapsüllerini formülasyonda üçüncü bir poliol olarak ele almak, köpük oluşum kalitesindeki zorlukları gidermiş, entegrasyonu ve performansı iyileştirmiştir. FTIR analizi, mikrokapsüllerin çekirdek ve kabuk malzemeleri hakkında detaylar ortaya koymuş ve PCM'nin köpük matrisi içine başarılı bir şekilde dahil edildiğini doğrulamış, DSC ölçümleri ise kompozitlerin artırılmış termal depolama kapasitesini doğrulamıştır. PCM'nin sabit değişim sıcaklığı, termal konfor sıcaklıklarıyla uyumlu olmasına rağmen, sert PU'nun yüksek ekzotermik formasyon sıcaklığı, PCM'yi etkilememiştir. PCM, sıcaklık arttıkça sıvı hale dönüşse de kapsül içinde olduğu için dışarı çıkmamaktadır. Termal iletkenlik çalışmaları 10 cm'lik bölümden alınan numuneler üzerinde hedeflenen termal konfor sıcaklıklarını karşılayabilmek adına 21°C ve 31°C'de yapıldı. Ana hedef, önemli latent ısı depolama kapasitesine sahip bir malzeme elde etmekti, bu nedenle bu çalışmada %6'dan düşük değerler hedeflenmemiştir. Sonuçlar, PCM miktarının artmasıyla 21°C'de termal iletkenliğin arttığını gösterdi. Aynı davranış 31°C'de de gözlemlenmiştir. Daha yüksek PCM konsantrasyonları, belirli sıcaklıklarda termal iletkenliği artırarak bu kompozitlerin termal yönetim uygulamaları için potansiyelini göstermiştir. Ayrıca, lipid türevi setiltrimetilamonyum (CTA) tuzları termal enerji depolama uygulamaları için ilk defa yeni bir organik PCM grubu olarak yüksek verim ve saflıkta sentezlenmiştir. Farklı alkil zincir uzunluklarına sahip tuzlar kimyasal olarak FTIR, ESI-MS, 1H NMR ve 13C NMR analizleri ile detaylıca karakterize edilmiştir. Termal davranışları DSC ölçümleri ile incelenmiş ve erime başlama sıcaklıkları 98-108°C aralığında ve faz değişim entalpisi 145-170 kJ/kg arasında değiştikleri gözlemlenmiştir. Alkil zincirinde aynı sayıda karbon atomuna sahip yüksek zincirli yağ asit esterleri ile karşılaştırıldığında, faz değişim başlangıç sıcaklıkları ve entalpisi iyonik bağın varlığı tarafından doğrudan etkilenmektedir. CTA tuzların termal dayanıklılığının, yağ asidi kuyruğunun karbon sayısı ile iyi bir uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmanın sonuçları lipitten türetilmiş CTA tuzlarının yenilenebilir PCM'ler için umut vadeden katkılar sunmaktadır. Ayrıca bu tuzların basit, hızlı ve düşük maliyetli sentez yöntemine sahip olması ile endüstriyel kullanımlarını mümkün kılabilmek adına büyük ölçekli üretimlerinin mümkün olduğu gözlemlenmiştir. Bu tuzlar, güçlü iyonik etkileşimlere sahip bir supramolekülün termal davranışını incelemek amacıyla calix[4]pyrrole çekirdeği ile iyon çifti tanıma yoluyla komplekslenmiştir. Bu malzemelerin PCM olarak performansını değerlendirmek için kimyasal ve termal karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Bulgular, calix[4]pyrrole ile komplekslenen lipid türevi CTA tuzlarının giriş tuzlarına benzer eğilimler sergilediğini ancak daha düşük gizli ısı ve başlangıç sıcaklıklarına sahip olduğunu ortaya koymuş ve benzersiz özellikler göstermiştir. Bu farklılıklara rağmen, artırılmış stabilite ve etkileşim özellikleri nedeniyle PCM uygulamaları için umut verici bir potansiyel sergilemişlerdir. Bu çalışma, gelişmiş termal enerji depolama malzemelerinin geliştirilmesinde yenilikçi sentez yöntemlerinin, dikkatli malzeme seçiminin ve kapsamlı karakterizasyonun öneminin altını çizmektedir. Bu çalışmanın bulguları, sağlam, esnek ve verimli termal yönetim çözümleri gerektiren uygulamalar için PUU mikrokapsüllerinin ve mikrokapsüllenmiş PCM'lere sahip sert poliüretan kompozitlerinin potansiyelini vurgulamaktadır. Ayrıca, supramoleküler yaklaşımın yardımıyla, bu çalışmanın hem lipit türevli CTA tuzları, orta derecede yüksek sıcaklıkta güneş ve farklı termal enerji depolama uygulamaları için yenilenebilir PCM'lere umut verici katkılar sergilemekte hem de bunların kaliks[4]pirol içeren kompleksleri, geliştirilmiş olmaları nedeniyle PCM uygulamaları için ümit verici potansiyel göstermekte olup kararlılık ve etkileşim özellikleri onları termal yönetim çözümleri için değerli adaylar haline getirmektedir.

Özet (Çeviri)

The demand for high-performance materials in solar energy and thermal energy storage applications has spurred significant research into phase change materials (PCMs) that can efficiently absorb and release energy. This study focuses on developing PCMs to be incorporated into polyurethane foam for thermal insulation, utilizing both traditional and supramolecular approaches to minimize energy loss. Initially, butyl stearate, a fatty acid ester, was selected as a conventional organic PCM for thermal energy storage. It was microencapsulated within a poly(urethane-urea) (PUU) shell using an in situ polymerization technique. This innovative method involves reacting a multifunctional amino alcohol with isocyanate, creating both urea and urethane groups within the same polymer chain. The resulting PUU microcapsules demonstrated enhanced mechanical properties and durability. The study found that the thermal properties of PUU microcapsules were significantly affected by the surfactant/PCM ratio and the type of surfactant used. Differential scanning calorimetry (DSC) analyses indicated variations in encapsulation efficiency and thermal behavior based on these factors. Microcapsules prepared with cationic surfactants showed superior phase change properties, exhibiting higher thermal stability, distinct thermal profiles and very high encapsulation efficiency up to 60%. Thermogravimetric analysis (TGA) confirmed that surfactant selection directly influenced the thermal degradation temperatures of the microcapsules. Incorporating microencapsulated PCMs into rigid polyurethane foam demonstrated the potential to create composites with substantial latent heat storage capacity. Treating PCM microcapsules as a third polyol in the formulation addressed challenges in foam formation quality, improving integration and performance. FTIR analysis confirmed the successful inclusion of PCM into the foam matrix, while DSC measurements verified the enhanced thermal storage capacity of the composites. Higher PCM concentrations increased thermal conductivity at specific temperatures, indicating the potential of these composites for thermal management applications. Moreover, lipid-derived cetyltrimethylammonium (CTA) salts were synthesized firstly as a novel group of organic PCMs for thermal energy storage applications. These salts were complexed with a calix[4]pyrrole core through ion pair recognition to explore the thermal behavior of a supramolecule with strong ionic interactions. Chemical and thermal characterization studies evaluated the performance of these materials as PCMs. The results showed that lipid-derived CTA salts complexed with calix[4]pyrrole exhibited trends similar to starting salts but with lower latent heat and onset temperatures, demonstrating unique characteristics. Despite these differences, they showed promising potential for PCM applications due to their enhanced stability and interaction properties. This study underscores the importance of innovative synthesis methods, careful material selection, and thorough characterization in developing advanced thermal energy storage materials. The findings of this study highlight the potential of PUU microcapsules and rigid polyurethane composites with microencapsulated PCMs for applications requiring robust, flexible, and efficient thermal management solutions. Besides with the help of supramolecular approach both lipid-derived CTA salts of this work display promising contributions to renewable PCMs for moderately high temperature solar and different thermal energy storage applications and their complexes with calix[4]pyrrole show promising potential for PCM applications due to their improved stability and interaction properties, making them valuable candidates for thermal management solutions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    605493

    Karbon tabanlı yeni hibrit nano-yapıların modellenmesi ve analizi

    Modeling and analysis of carbon based new hybrid nano-structures

    ÜNAL DEĞİRMENCİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MESUT KIRCA

  2. Tez No

    310690

    Hydrophobic associations in gels: Hybrid organo-cryogels and hydrophobically modified hydrogels

    Jellerde hidrofobik etkileşimler: Hibrid organo-kriyojeller ve hidrofobik modifiye hidrojeller

    DENİZ CEYLAN TUNCABOYLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ OKAY

  3. Tez No

    560010

    Yeni organik faz değişitiren malzemeler (FDM): Dekandioik asit diesterlerinin sentezi ve karakterizasyonu

    Novel organic phase change materials (PCM): Synthesis and characterization of decandioic acid diesters

    NURŞAH ÇALIK SARAÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET ALPER AYDIN

  4. Tez No

    770708

    Binalarda ısıl enerji depolama amaçlı kompozit faz değişim malzemelerinin geliştirilmesi, karakterizasyonu ve laboratuvar ölçekli uygulamaları

    Development, characterization and laboratory scale applications of composite phase change materials for thermal energy storage in buildings

    GÖKHAN HEKİMOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Mühendislik BilimleriKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET SARI

  5. Tez No

    490226

    Enerji tasarrufu amacıyla enerji depolama özelliği olan malzemelerin hazırlanması ve ısıl enerji depolama özelliklerinin incelenmesi

    Preparation of energy storage materials for energy saving and investigation of thermal energy storage properties

    MERVE SERT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    EnerjiYalova Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MEHMET SELÇUK MERT

Geri Dön