Geri Dön

Electromagnetic shielding and acoustic properties of recycled carbon black enhanced polyurethane

Geri dönüştürülmüş karbon siyahı takviyeli poliüretanın elektromanyetik kalkanlama ve akustik özellikleri

PDF İndir

  1. Tez No: 915339
  2. Yazar: ETHEM GÖKHAN ÖZÇELİK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. BÜNYAMİN KARAGÖZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 81

Özet

Poliüretanlar çeşitli formlara sahip, kullanım alanına göre kolayca modifiye edilebilen ve endüstride yaygın olarak tercih edilen bir polimer grubudur. Üstün mekanik özellikleri, izolasyon performansları, dayanıklıkları, düşük yoğunlukları ve kolay üretim kabiliyetleri sayesinde çeşitli uygulama alanları için sektörün ihtiyaçlarına cevap verebilen malzemelerdir. Otomotiv endüstrisi son yıllarda alışagelmiş fosil yakıtlarla çalışan içten yanmalı motorlar yerine, dünyanın kabul ettiği sürdürülebilirlik hedefleri ve Paris 2050 antlaşmasıyla kabul edilen net sıfır karbon emisyonu hedefleri doğrultularınca daha çevreci kaynaklarla çalışabilen sistemlere geçişler sağlamaktırlar. Bu arayışların sebebi dünyanın enerji ihtiyacını kullanan ve dünyadaki toplam sera gazı etkisinin %25'ini oluşturan ulaştırma sektörüdür. Elektrikli araçlar belirlenen bu hedeflerin gerçekleşebilmesi için çoğu otomotiv firmasının gündemine aldığı ve pazara sunduğu yeni tasarımlardır. Avrupa Birliği mobilite ve ulaşım hedefleri doğrultusunda 2030 yılına kadar en az 30 milyon sıfır emisyonlu otomobilin Avrupa yollarında kullanılması hedeflenmektedir. 2050 yılına kadar Avrupada'daki neredeyse tüm otomobiller, kamyonetler, otobüsler ve ağır hizmet araçlarının sıfır emisyonlu olması hedeflenmektedir. Bütün dünyada 2040 yılına kadar 73 milyon elektrikli araç satılması beklenmektedir ve bu oran satılan toplam araç sayısının %61'ine tekabül etmektedir. Ancak her yeni teknoloji gibi bu teknolojilerin bazı geliştirmeye açık noktaları vardır. Elektrikli araçlarda sürüş menzili arttırma hedefi gelişime açık başlıca konulardan biridir. Yapılan araştırmalara göre araçlarda daha düşük yoğunluğa sahip ancak aynı özellikleri gösteren malzemelerin kullanılmasıyla sağlanan ağırlık azaltılması, yakıt tasarrufuna ve emisyon değerinde düşüşe sebep olurken aynı zamanda sürüş menzilinde artışlara imkan sağlamaktadır. Sağlanacak her %10 ağırlık azaltımı, %7 yakıt tasarrufuyla sonuçlanmaktadır. Araçların ağırlığını azaltmak, daha düşük CO2 emisyonları ve gelişmiş yakıt verimliliği ile yakından ilişkilidir. Bir aracın ağırlığındaki küçük bir azalma bile önemli faydalar sağlayabilir. Örneğin, bir otomobilin ağırlığını sadece 50 kg azaltmak, CO2 emisyonlarını kilometre başına 5 grama kadar azaltabilir ve yakıt ekonomisini %2'ye kadar iyileştirebilir. Ele alınan başlıca konulardan bir diğeri, araçlardaki N.V.H.(Gürültü, Titreşim, Sertlik) problemidir. Geleneksel araçların çalışma prensipleri gereği düşük ve orta frekanslarda ses üretmektedirler ve bu sayede araç dışından gelen farklı frekanlardaki sesleri sönümleyici etki göstermektedir. Elektrikli araçlarda bu frekanslarda ses kaynağı olmadığı için araç dışından gelen tekerlek ve trafik kaynaklı seslerin sürücü komforunu bozmaması için elektrikli araç tasarımlarında akustik bariyer özelliklerine sahip malzemeler hayli önem kazanmıştır. Araçların elektrifikasyonlarıyla beraber ortaya çıkan negatif etkiler de doğru malzeme tercihleriyle elemine edilmeye çalışılan problemlerden bir diğeridir. Elektrikli cihazların ürettiği frekanslar, diğer cihazların frekanslarıyla karışabilmekte ve bu sayede cihazlarda fonksiyon kayıplarına sebep olarak günümüzün en büyük problerinden biri olan data sızdırılması için zemin hazırlama potansiyeline sahiptirler. Sadece cihazların fonksiyonları değil aynı zamanda bu frekanslara çok uzun süreler maruz kalmak insan sağlığını gerek fiziksel gerekse ruhsal olarak da etkilemektedir. Elektromanyetik kalkanlamaya sahip malzemeler bu etkileri minimalize ederken elektrikli araçlarda yer verilen bir diğer malzeme grubu olmuşlardır. Bu malzemeler yapılarında içerdikleri iletken metal veya karbon esaslı katkılar sayesinde elektronik cihazların ürettiği frekansları sönümleyerek negatif etkileri ortadan kaldırmaktadırlar. Genellikle yüksek yoğunlukları ve dispersiyon problemleri yüzünden metal katkılar yerine karbon esaslı katkılar (Karbon Elyaf, Karbon Siyahı, Grafen, Karbon Nanotüp vb.) polimer matrikslerle tercih edilemektedir. Bu tez çalışmasında yukarda belirtilen problemlere alternatif olabilecek özellikte bir poliüretan malzeme geliştirilmesi hedeflenmiştir. Poliüretan malzemenin yarı integral cilde sahip olması malzemenin dış katmanında kalın bir yüzey oluşturarak düşük yoğunluktaki malzemeye ses dalgalarına karşı iletim kaybı özelliği sağlarken, içerdiği karbon siyahı sayesinde elektromanyetik kalkanlama özelliği de göstermesi amaçlanmıştır. Bu çalışma iki ana aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada kullanım ömrünü tamamlamış atık lastiklerden 500-600C nitrojen atmosferi altında piroliz yöntemiyle karbon siyahı katkı maddeleri elde edilmiştir. Geri dönüştürülmüş karbon siyahı katkısı standart tip bir karıştırıcı yardımıyla polieter bazlı poliol içerisine kütlece %2 ve %5 oranlarında karıştırılmıştır. Otomotiv sektöründe gelişmiş akustik özellikleri nedeniyle tercih edilen 270g/dm3 yoğunluğa sahip yarı integral ciltli poliüretan malzemeler üretilmiş ve bu malzemelerin elektromanyetik kalkanlama özellikleri dB cinsinden hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, aynı tipte geri kazanılmış karbon siyahı içeren ancak kütlece %0,5 oranında yüksek rpm seviyelerine ulaşabilen dispersiyon mikserinde topaklaşmaya izin vermeden yapıya homojen olarak dağıtılmış, aynı yoğunluktaki yarı integral bir poliüretan malzeme ile karşılaştırılmıştır. Ku (12-18 GHz) bant aralığında elektromanyetik kalkanlama verimliliği sonuçları sırasıyla“SIPUF %0,5 rCB HSM”, %2 rCB içeren SIPUF'a göre %54, %5 rCB içeren.SIPUF'a göre ise %27,19 daha iyi elektromanyetik kalkanlama performansı göstermiştir. Ortaya çıkan sonuçlar neticesinde strator tip yüksek hızlara ulaşan homojenizatör yardımıyla üretilen malzemenin elektromanyetik özelliklerinin bariz bir şekilde diğer deney gruplarından daha iyi olmasından dolayı çalışmanın ikinci fazında ağırlıkça %0.5 oranı sabit tutulmuş ve aynı proses parametreleriyle ticari olarak temin edilebilen iletken PANI katkılı yarı integral poliüretan malzemeler üretilmiştir. Malzemelerin DSC, TGA, FTIR, mekanik, akustik ve elektromanyetik kalkanlama özellikleri birbiriyle kıyaslanmıştır. TGA, DSC ve FTIR sonuçlarına göre materyaller arasında anlamlı bir fark ortaya çıkmamışken, akustik özelliklerin karşılaştırılması, 29 mm çaplı bir akustik empedans tüpünde 1 ürün grubu için 250-6400Hz aralığında 10 bağımsız numunenin performansı ölçülerek elde edilmiştir. Yarı integral poliüretan malzemelerin ses iletim kaybı özellikleri, 250-1600Hz düşük frekans aralığında katkı içermeyen poliüretan için en yüksek performansını gösterirken, 2000-6400Hz frekans aralığındaki SIPUF+0,5-%rCB, aynı miktarda cPN içeren malzemeye göre %58,8 daha iyi performans göstermiştir. Malzemelerin ses yutum katsayısı özellikleri, geri dönüştürülmüş karbon siyahı katkılı poliüretan grubu için 250-1000Hz arasında, iletken PANI içeren poliüretan malzemeye göre %25,6, hiç katkı içermeyen poliüretana göre %9,8 daha iyi performans sergilemiştir. 2000-6300 frekans aralığında %0,5 iletken PANI içeren poliüretan, %0,5 geri dönüştürülmüş karbon siyahı içeren poliüretandan %21, hiç katkı içermeyen poliüretana göre %15,2 daha iyi performans göstermiştir. Elektromanyetik kalkanlama özellikleri karşılaştırıldığında rCB içeren malzeme Ku bant frekans aralığında cPN içeren malzemeye göre %115 daha iyi sonuçlar vermiş, ayrıca SIPUF+0,5wt%rCB, SIPUF içeren malzemeye göre %11,5 daha iyi sonuç vermiştir. Malzemelerin hücre yapılarının optik mikroskop altında incelenmesi sonucunda cPN içeren malzemelerde topaklanmaların olduğu ve bu topaklanmalara bağlı olarak düşük matris nedeniyle hücre yapısında büyük gözeneklerin oluştuğu sonucuna varılmıştır. Çekirdeklenme/hücre büyüme aşamasında ortaya çıkan CO2 gazı ana matris modülü düşük olduğunda yapıda gözenekler açılmış ve daha büyük gözenek çapları, malzemeye giren sesin veya elektromanyetik dalganın enerjisinde daha az kayba neden olurken aynı zamanda malzemenin mekanik özelliklerinde daha düşük performansa yol açmıştur.

Özet (Çeviri)

Polyurethanes are a group of polymers with various forms, that can be easily modified according to their usage area and are widely preferred in the industry. They are materials that can meet the needs of the industry for various application areas thanks to their superior mechanical properties, insulation performance, durability, low density, and easy production capabilities. In recent years, the automotive industry has been transitioning to systems that can operate with more environmentally friendly resources, in line with the sustainability targets accepted by the world and the net zero carbon emission targets accepted by the Paris 2050 agreement. Electric vehicles are designs that most automotive companies put on their agenda and offer in the markets to achieve these determined goals. Still, like every new technology, these technologies have some points that are open to improvement. The goal of increasing the driving range of electric vehicles is one of the main issues open to development. According to research, weight reduction achieved by using materials with lower density but the same properties in cars leads to fuel savings and decreased emission values while also allowing for increased driving range. Studies indicated that every 10% weight reduction in automotive results in 7% automobile fuel savings. One of the main issues discussed is vehicles N.V.H. (Noise, Vibration, Harshness) problem. Due to the operating principles of traditional vehicles, they produce sounds at low and medium frequencies and thus dampen sounds at the same and lower frequencies coming from outside the car. Since electric vehicles do not have a sound source at these frequencies, materials with acoustic barrier properties have become very important in electric vehicle designs so that the sounds originating from the wheels and traffic coming from outside the vehicle do not disrupt the comfort of the drivers. The negative effects that arise with the electrification of vehicles are another problem that is tried to be eliminated with the right material choices. Frequencies produced by electrical devices can interfere with the frequencies of other devices and thus potentially cause loss of function in devices and pave the way for data leakage, which is one of today's biggest problems. Not only the functions of the devices but also exposure to these frequencies for a very long time affects human health physically and psychologically. While materials with electromagnetic shielding properties minimize these effects, they have become another material group used in electric vehicles. These materials eliminate negative effects by damping the frequencies produced by electronic devices, thanks to the conductive metal or carbon-based additives they contain in their structures. Generally, carbon-based additives (Carbon Fiber, Carbon Black, Graphene, Carbon Nanotube, etc.) can be preferred with polymer matrixes instead of metal additives due to their high density and dispersion problems. In this thesis, the study aims to develop a polyurethane material that can be an alternative to the problems mentioned above. The semi-integral skin of the polyurethane material creates a thick surface on the outer layer, providing the low-density material with a transmission loss feature against sound waves while also providing electromagnetic shielding properties thanks to the carbon black it contains. The carbon black used in this study was obtained from ICARBON company and was obtained by pyrolysis of end-of-life automotive tires at 550C for 2 hours under the N2 atmosphere. In the first phase of the study, the electromagnetic performances of semi-integral polyurethane materials containing 2% and 5% recycled carbon black by weight, mixed with standard type mixer, were examined and compared with semi-integral polyurethane material which has 0.5% recycled carbon black by weight which was dispersed with stator type homogenizer reaching high speeds, to understand the importance of dispersion of additives in the polymer matrix. Electromagnetic shielding properties were analyzed by the waveguide method, and by determining the S21 properties of the materials, shielding efficiency in the 12.4-18 GHz Ku band was calculated for each material group. The result pointed out that the electromagnetic properties of the material produced by stator-type homogenizer were better than the other experimental groups. In the second phase of the study, the ratio of 0.5% by weight was constant, and semi-integral polyurethane materials were mixed by stator-type homogenizer with a constant amount of conductive PANI additive with the same process parameters. DSC, TGA, FTIR, mechanical, acoustic, and electromagnetic shielding properties were compared for each sample group.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    840265

    Grafen nanoplatelet, nano gadolinyum oksit ve mikro silika jel katkılı epoksi kompozitlerin elektromanyetik kalkanlama ve akustik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of electromagnetic shielding and acoustic properties of graphene nanoplatelet, nano gadolinium oxide and micro silica gel filled epoxy composites

    İSMAİL MELİK TAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVGİ BAYARI

  2. Tez No

    55961

    Biyomagnetik olaylar

    Başlık çevirisi yok

    M.TOGAN ÇANDIR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. İNCİ AKKAY

  3. Tez No

    665861

    Yüksek darbe gerilimleri altında gazlarda kısmi boşalma akımlarının zaman-frekans analizi

    Time-frequency analysis of partial discharge currents in gases under lightning impulse voltages

    KEMAL ARIKAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞÜKRAN EMEL ÖNAL

  4. Tez No

    705182

    Aviyonik sistemlerde elektromanyetik kalkanlama ve hava araçları için karbon fiber kompozit malzeme geliştirilmesi

    Electromagnetic shielding in avionic systems and development of a carbon fiber composite material for aircrafts

    YÜCEL ÇOŞKUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET BARIŞ TABAKCIOĞLU

  5. Tez No

    259100

    Elektromanyetik girişimden korunmada ekranlama etkinliği ve elektromanyetik ekranlama uygulamaları

    Shielding effectiveness in electromagnetic interference protection and electromagnetic shielding applications

    SERKAN CENGİZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA MERDAN

Geri Dön