Isıl enerji depolama sistemleri için kompozit faz değişim maddelerinin hazırlanması ve özelliklerinin belirlenmesi
Preparation of composite phase change materials for thermal energy storage systems and determination of their properties
Yazar: ZEHRA TÜRKOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. HATİCE HANDE MERT
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Faz Değişim Maddeleri (FDMler), gizli ısıl enerjinin  depolanması için kullanılan, sabit sıcaklıkta faz değiştirmek suretiyle ortamdaki ısıyı alarak ya da ortama salarak ısıl konforun sürekliliğini sağlayan yeni nesil akıllı malzemelerdir. Bu tez çalışmasında, ısıl enerji depolama uygulamaları için modifiye  edilmiş selüloz nanokristal (SNK) ve selüloz nanofibril (SNF) dolgular  içeren parafin esaslı şekilce kararlı kompozit faz değiştiren maddeler üretilmiş ve karakterize edilmiştir. 
İlk olarak selüloz temelli  nanomalzemeler setil trimetil amonyum bromür (STAB) varlığında dondurarak şablonlama yöntemiyle modifiye edilmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde  modifiye edilmiş SNF iskelete sahip n-hekzadekan (n-HD) esaslı kompozit FDMler üretilmiştir. Analizler sonucunda %50 STAB-SNF -%50 n-HD bileşimine sahip FDM kompozitinin, en yüksek FDM içeriğine (%26,05) sahip olduğu görülmüş ve bu kompozitin gizli ısı değeri ve pik erime sıcaklığı sırasıyla 54,7 J/g ve 20,54 °C olarak ölçülmüştür. Ayrıca üretilen kompozit malzeme yüksek sıcaklıkta herhangi bir sızıntı göstermemiş ve şekilce kararlılığını korumuştur.
Çalışmanın ikinci bölümünde ise, farklı miktarlarda modifiye edilmiş selüloz nanokristaller içeren hiyerarşik gözenekli yapıda karbon bazlı şablonlar sentezlenmiştir. Dolgu artışının gözenek morfolojisinde düzelme sağladığı, en iyi morfolojiye sahip kompozitin PHPC1.0 destek malzemesinin olduğu görülmüştür. Dolgu içermeyen gözenekli şablona kıyasla %1.0 oranında dolgu içeren PHPC1.0 kompozitinin en yüksek ısıl kararlılığa sahip olduğu bulunmuştur. En yüksek basma modülü değerleri sırasıyla PHPC0.75 ve PHPC1.0 destek malzemelerine aittir. Elde edilen gözenekli şablonlar içinden seçilen PHPC1.0, n-hekzadekan içeren şekilce kararlı kompozit FDM'lerin üretilmesinde kompozit matrisi olarak kullanılmıştır. Üretilen PHPC1.0 kompozit FDM'nin faz geçiş sıcaklığı Tpik-erime= 22,7 ºC, ısıl enerji depolama kapasitesi ΔHerime= 117 J/g olarak belirlenmiş ve n-hekzadekan içeriği %55,71 olarak hesaplanmıştır. 

Anahtar Kelimeler: Faz değişim maddesi, kompozit malzeme, ısıl enerji depolama, selüloz nanofibril (SNF), selüloz nanokristal (SNK)

Abstract:
Phase Change Materials (PCMs) are new generation smart materials used for the storage of latent thermal energy during phase change at constant temperature  by taking the heat in the environment or releasing it to the environment, allowing the continuity of thermal comfort. In this thesis study, paraffin-based shape-stabilized composite phase change materials containing modified cellulose nanocrystal (CNC) and cellulose nanofibril (CNF) fillers for thermal energy storage applications were produced and characterized. 
Firstly, cellulose-based nanomaterials were modified by ice-templating method in the presence of cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB). In the first part of the study, n-hexadecane (n-HD) -based composite PCMs with modified CNF  skeleton were produced. As a result of the analyzes performed, the PCM composite with 50% CTAB-CNF - 50% n-HD composition has the highest PCM content (26.05%), while the latent heat value and peak melting temperature of this composite are found to be 54.7 J/g and  20.54 °C, respectively. In addition, the composite material produced did not show any leakage at high temperatures and remained stable in shape.
In the second part of the study, hierarchical porous carbon-based templates containing different amounts of modified cellulose nanocrystals were synthesized. It was observed that the increase in amount of filler improved the pore morphology and the composite with the best morphology was the PHPC1.0 support material. The PHPC1.0 composite with 1.0% filler was found to have the highest thermal stability compared to the porous template without filler. The highest compression modulus values belong to PHPC0.75 and PHPC1.0 support materials, respectively. PHPC1.0 selected among the porous templates obtained was used as a composite matrix in the production of composite PCMs containing n-hexadecane. The phase transition temperature and thermal energy storage capacity of PHPC1.0 composite PCM were determined as Tpeak-melting = 22.7 ºC and ΔHmelting = 117 J / g, respectively and n-hexadecane content was calculated as 55.71%.

Keywords: Phase change material, composite material, thermal energy storage, cellulose nanofibril (CNF), cellulose nanocrystal (CNC)