Geri Dön

Development of sustainable rigid polyurethane foams (r-pufs) using environmentally friendly blowing agent systems

Çevre dostu şişirici ajan sistemleri kullanımıyla sürdürülebilir rijit poliüretan köpüklerin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 929755
  2. Yazar: OĞUZHAN ÖZENÇ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 105

Özet

Çevre bilincinin artması ve enerji tüketiminin öneminin anlaşılmasıyla birlikte enerji tasarruflu ürünler her geçen gün daha fazla ön plana çıkmaktadır. Sürekli olarak çalışan ev aletlerinden olan buzdolapları en fazla enerji tüketen ev aletlerindendir. Bu bağlamda, bu tür cihazların enerji tüketimini kontrol altına almak amacıyla Avrupa Birliği ülkeleri başta olmak üzere enerji regülasyonları gündeme gelmektedir. 2021 yılı mart ayı itibariyle geçerli olan bu regülasyonlar beyaz eşyalarda yeni enerji etiketlerinin kullanımının yanında bu enerji sınıfları için yüksek enerji verimliliği, akustik performans gibi yüksek gereksinimleri de kapsamaktadır. Yalıtım performansı, buzdolabının ısı kaybı performansı ile doğrudan ilişkili olması sebebiyle buzdolabının yalıtım performansında yapılacak iyileştirmeler kritik önem taşımaktadır. Buzdolapları için yalıtım, temel olarak rijit poliüretan köpükler (R-PUK) ile sağlanır. Burada R-PUK'lar sahip oldukları düşük termal iletkenlik, iyi mekanik dayanım, yüksek kavite doldurma kabiliyeti ve görece uygun maliyetleri endüstride yaygın olarak kullanımlarındaki başlıca sebeplerdendir. Kullanılan yalıtım malzemeleri, ne kadar düşük termal iletkenliğe sahip ise o kadar iyi yalıtım performansı sağlama ve dolayısıyla da ısı kaybını önleme potansiyeline sahiptir. R-PUK'ların ısıl iletkenliğine etki eden parametreler incelendiğinde, ısı iletiminin gaz faz üzerinden, katı faz üzerinden ve radyasyon ile iletim olmak üzere üç ana mekanizma üzerinden gerçekleştiği görülmektedir. Literatürde bu parametrelerin toplam iletkenlik üzerine etkisi incelendiğinde, gaz faz üzerinden iletimin toplam termal iletkenliğe %50-60 civarında etki ettiği görülmektedir. Geri kalan yüzdelik üzerinde, katı faz ve radyasyon üzerinden iletimin toplam termal iletkenliğe %20'şer etkisi olduğu belirtilmiştir. Burada katı faz üzerinden iletim poliüretan matris ile, radyasyon ile iletim ise hücre morfolojisi ile doğrudan ilişkidir. Ayrıca, yapılan çeşitli çalışmalarda küçük ve homojen hücrelerden oluşan morfolojiye sahip köpüklerin daha iyi yalıtım performansı sağladığı görülmektedir. Bunun yanı sıra, gaz faz üzerinden iletim ise, rijit poliüretan köpüklerde kullanılan şişirici ajan sistemine bağlıdır. Toplam termal iletkenlik üzerinde yarıdan fazla etkiye sahip olması sebebiyle, R-PUK sistemlerinde tarih boyunca çok çeşitli şişirici ajanlar kullanılmıştır. 1950'lere kadar su (H2O), ve dolayısıyla karbondioksit (CO2), R-PUK sistemleri için kullanılan en yaygın köpürtücü ajanlardandı. Bu tip ajanlar, reaksiyon sonucu ortaya çıktığından kimyasal şişirici ajan olarak değerlendirilmektedir. Ancak bu ajanlar, boyutsal kararsızlık, hızlı genleşme ve kırılgan yüzey oluşumu gibi belli dezavantajları da beraberinde getirmekteydi. Bu tip kimyasal şişirici ajanların yanı sıra, R-PUK sistemlerinde reaksiyona girmeyip yalnızca faz değiştiren fiziksel şişirici ajanlar (FŞA) da yaygın olarak kullanılmaktadır. Poliüretan matris oluşum reaksiyonu ekzotermik bir reaksiyondur. Bunun yanı sıra, poliüretan sisteminin ana bileşenlerinden olan ve poliüretan matrisin köpürmesine katkı sağlayan poliolün içerdiği düşük miktardaki suyun izosiyanatla reaksiyona girmesi ile de ısı açığa çıkar. Bu reaksiyonlar sonucu ortaya çıkan ısı, düşük kaynama noktasına sahip FŞA'ların buharlaşarak gaz faza geçmesine sebep olur. 1970'lerde Kloroflorokarbonlar (CFC'ler), gaz fazında düşük termal iletim katsayısı (λ), yüksek termal kararlılık ve yanmazlık gibi özellikleri sebebiyle en popüler şişirici ajanlar haline gelmiştir. Ancak, yüksek Ozon Tüketim Potansiyeline (ODP) sebep olmaları bu kimyasalların kullanımının sınırlı hale gelmesine neden olmuştur. CFC'lerin bu dezavantajı, daha az ODP sunan Hidrokloroflorokarbonlar (HCFC'ler) ve Hidroflorokarbonlar (HFC'ler) gibi şişirici ajanların gelişmesine yol açmıştır. Buna karşın, bu üç farklı kimyasal bileşiğin ozon tabakasında yarattığı etki ve dolayısıyla gelişen çevresel endişeler, bu sistemlerin kullanımının Montreal ve Kyoto Protokolleri ile sınırlandırılmasıyla sonuçlanmıştır. Günümüzde siklopentan (CP) ve türevleri, kullanılan en yaygın şişirici ajan sistemlerindendir. Çevresel endişeler ve yüksek enerji verimliliğine sahip beyaz eşyaların geliştirilmesi gibi gereksinimler neticesinde ortaya çıkan regülasyonlar, Hidrofloroolefin (HFO) bazlı yeni nesil çevre dostu şişirici ajan sistemlerinin geliştirilmesine yol açmıştır. HFO sistemleri hidrojen, flor ve karbon elementlerinden oluşan doymamış organik bileşiklerdir. Bir Hidrofloroolefin olan HCFO-1233zd (HCFO), sıfır ODP'ye, sıfıra yakın GWP'ye sahiptir ve gaz fazında düşük termal iletkenlik sunmaktadır. Örneğin, günümüzde yaygın olarak kullanılan CP sistemlerine kıyasla 11 kat daha düşük GWP'ye sahiptir. Ayrıca sahip oldukları düşük termal iletkenlik, yalıtım performansının ve dolayısıyla ısı kaybının geliştirilmesi konusunda büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle HCFO sistemleri, günümüz geleneksel şişirici ajanı CP ile sentezlenen poliüretan köpüklere kıyasla çok daha sürdürülebilir poliüretan köpük sistemleri sunma potansiyeline sahiptir. Bu çalışma kapsamında, geleneksel şişirici ajan CP'nin ve yeni nesil çevre dostu HCFO-1233zd'nin R-PUK'lar üzerinde akış performansı, yoğunluk, mekanik dayanım, yalıtım performansı, morfoloji ve boyutsal kararlılık açısından etkisi incelenip karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda, yalıtım performansı açısından optimum fiziksel şişirici ajan (FŞA) miktarını bulmak için farklı FŞA içeriğine sahip numuneler hazırlanmıştır. Analiz sonuçlarına göre 100-gram polyol için 0.2 mol FŞA'nın hem CP hem de HCFO sistemi için optimum fiziksel şişirici ajan miktarı olduğu görülmüştür. Bu anlamda yapılan morfoloji analizleri ve açık hücre ölçüm sonuçları incelendiğinde, artan şişirici ajan miktarı ile köpüğün açık hücre oluşturma eğiliminin arttığı ve morfolojinin daha büyük hücrelerden oluşmaya meyilli olduğu söylenebilir. Ayrıca, yalıtım performansı açısından optimum sonuç veren 0.2 mol HCFO ve 0.2 mol CP numuneleri baz alındığında, HCFO sistemlerinin, CP sistemlerine kıyasla %10 daha iyi ısı yalıtım performansı sunabildiği görülmüştür. Bu iyileşme özellikle buzdolabının ısı kaybı performansı ve yeni Avrupa enerji düzenlemeleri dikkate alındığında, oldukça önemlidir. Ayrıca köpüklerin yaşlanma sonrası ısıl yalıtım performansları incelendiğinde, HCFO sistemleri ile hazırlanan köpüklerin CP sistemlerine göre avantajlarını uzun dönemde de koruyabildikleri görülmüştür. Ek olarak, analizler neticesinde artan FŞA miktarı ile birlikte köpüklerin bekleneceği üzere yoğunluk ve ilgili mekanik mukavemetinin düştüğü, buna karşılık yükselme ve akış davranışının ise iyileştiği söylenebilir. Bunun yanı sıra, HCFO sistemlerinin aynı mol FŞA kullanımıyla, CP sistemleri ile yakın basma mukavemeti, yoğunluk ve yükselme davranışı değerleri sunabildikleri görülmüştür. Bu sebeple HCFO'nun poliüretan köpük sistemleri için iyi bir alternatif olabileceği söylenebilir. Çalışmanın ikinci fazında, 100-gram poliol başına 0.1, 0.2 ve 0.3 mol FŞA baz alınarak farklı HCFO/CP oranlarına sahip numuneler hazırlanmıştır. FŞA olarak sadece HCFO ve sadece CP içeren sistemlerde de görüldüğü üzere, HCFO/CP harman sistemlerinde de, artan FŞA içeriği ile köpüklerin hücre boyutu dağılımında artış görülmüştür. Ayrıca, harman sistemlerde artan HCFO miktarı ile birlikte, yalıtım performansının da iyileştiği ve morfolojik analizlerde özellikle HCFO/CP sistemlerinin hücre boyutunda bir miktar küçülme gözlemlendiği söylenebilir. Sonuç olarak, HCFO sistemleri, beraberinde getirdikleri gelişmiş yalıtım performansı, sıfır ODP, sıfıra yakın GWP ve toksik olmama özellikleri ile daha sürdürülebilir R-PUK sistemlerinin geliştirilmesi açısından umut verici olarak görülmektedir. Buna ek olarak, HCFO sistemlerinin yüksek maliyetleri sebebiyle, geliştirilen harman sistemleri HCFO sistemlerinin endüstride yaygınlaşmasında önemli rol oynayabilir. Ayrıca, geliştirilen farklı harman formülasyonları, farklı enerji sınıfına sahip buzdolaplarının yalıtım performansının optimize edilmesi için yüksek potansiyele sahip olabilir.

Özet (Çeviri)

Increasing environmental awareness leads to facilitating the development of energy-efficient devices. Thus, improving the energy efficiency of refrigerators is critical since they are one of the continuously operating household appliances. Improving insulation performance is one of the most efficient ways since it directly influences the heat loss performance of the refrigerator. Insulation of refrigerators is mainly conducted with rigid polyurethane foams. When the parameters that affect the thermal conductivity of R-PUFs were investigated, it could be seen that the blowing agent has more than half of the contribution to total conduction. Hence, various foaming agents have been used throughout history. However, usage of most of them has been stay as limited due to various environmental concerns. Today, cyclopentane and its derivaties are one of the most common blowing agent systems that are being used. There are also studies on the development of new-generation blowing agent systems, such as hydrofluoroolefins. HCFO-1233zd is one of the latest developed blowing agent systems that present zero Ozon Depleting Potential and near-zero Global Warming Potential, 11 times lower than that of cyclopentane, and low thermal conductivity at the gas phase. In the scope of this work, first an extensive literature review of rigid polyurethane foams and the parameters that affect their thermal insulation performance performed. Following that, the effect of two physical blowing agent systems, cyclopentane as the conventional foaming agent and HCFO-1233zd as the environmentally friendly blowing agent system on R-PUFs was investigated. In addition to thermal conductivity analysis, other features of R-PUFs such as density, filling capability, mechanical strength, dimensional stability, and morphology were analyzed and HCFO systems were compared with CP systems. To find the optimum PBA amount in terms of insulation performance, specimens with different PBA content were prepared. According to analysis results, 0.2 moles of PBA for 100 grams of polyol seems to be the optimum physical foaming agent amount. This could be attributed to changes in the morphological behavior of the foam with further increment in PBA content. Based on morphological analysis and open-cell measurements, it could be said that the open-cell content of the foam increases whereas the morphological tends to become coarser with increasing PBA. Additionally, when 0.2 HCFO and 0.2 CP samples are considered, HCFO systems are able to present 10% of thermal insulation performance which is a notable amount in terms of heat loss performance of the refrigerator and new European energy regulations. In addition, when the long-term thermal insulation performance of the foams was investigated, it could be said that the foams that are blown with HCFO systems are able to keep maintain their advantage when they are compared to CP systems. Furthermore, the analysis results showed that density and related mechanical strength decreased whereas the rising behavior increased for the foams with increasing PBA content. The values for compressive strength, density, and rising behavior were comparable for the same moles of PBA for CP and HCFO systems. In the following part, specimens with different HCFO/CP ratios were prepared based on 0.1, 0.2, and 0.3 moles of PBA per 100 grams of polyol. As seen in neat HCFO and neat CP systems, the cell size of the foams was increased with increasing PBA content. When the thermal conductivity of the foams was analyzed, it is seen that increasing HCFO content leads to lower thermal conductivity and therefore enhanced thermal insulation performance. To conclude, the development of R-PUF systems that offer more sustainability seems to be promising with the usage of HCFO systems since they are able to offer improved insulation performance, zero ODP, near-zero GWP, and nontoxicity. In addition to that, the developed blend systems could offer positive insights to the industry to make HCFO systems more prevalent since their cost is much higher compared to CP systems. Moreover, they could also help to optimize the insulation capability of different foams for different energy-segmented fridges.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    439653

    New functional polyols for polyurethanes

    Poliüretanlar için yeni fonksiyonel polioller

    BAŞAR YILDIZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET AKAR

  2. Tez No

    899660

    Design, synthesis, and characterization of waterborne polyurethane dispersions for self-healing, anti-fouling, and UV-curable coatings and films

    Kendi kendini onarabilen, kirlenmeye dirençli veya UV ile kürlenebilen kaplama ve filmler için su bazlı poliüretan dispersiyonlarının tasarımı, sentezi ve karakterizasyonu

    EKİN BERKSUN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    KimyaSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERKAN ÜNAL

  3. Tez No

    764993

    Atık ısı-elektrik enerjisi dönüşümü sağlayan farklı tip termoelektrik sistemlerin deneysel ve teorik analizi

    Experimental and theoretical analysis of different thermoelectric systems providing waste heat-electrical energy conversion

    AMINU YUSUF

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEDAT BALLIKAYA

  4. Tez No

    948231

    A methodology for the development of stımulı-responsıve archıtectural desıgn systems through programmable metamaterıal patterns

    Programlanabilir metamalzeme örüntüleri aracılığıyla uyaranlara-duyarlı mimari tasarım sistemlerinin geliştirilmesine yönelik bir metodoloji

    ZEHRA GÜLOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEVİL YAZICI

  5. Tez No

    907865

    Basınca duyarlı MWCNTS dekoratif elektrospun MWCNTS/TPU nanolif yapıların sentez ve piezorizistif karakterizasyonu

    Synthesis and piezoresistive characterization of pressure‐ sensitive MWCNTS decorated electrospun MWCNTS/TPU nanofibrous structures

    İHSAN FATİH ERTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Tekstil ve Tekstil MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUHAMMET UZUN

    DR. ABDULKADİR ŞANLI

Geri Dön