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
Yazar: NURŞAH ÇALIK SARAÇ
Danışman: DOÇ. DR. AHMET ALPER AYDIN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Küresel enerji tüketim istatistiklerine göre, enerji tüketim değerleri sanayi devriminin gelişmesiyle birlikte artış göstermiş ve yaklaşık son 10 yılda yaşamın her alanında enerjiye duyulan ihtiyacın artmasıyla bu değerin artışı ivme kazanmıştır. Ev ısıtma-soğutma sistemlerinde, ev eşyalarında, kişisel elektronik aletlerde( bilgisayar, telefon, tablet vs.), tıbbi malzemelerde, endüstri uygulamalarında ve daha birçok alanda enerji gereksinimi söz konusudur. Dünya nüfusunun artmasıyla birlikte enerji ihtiyacı gün geçtikçe artmaktadır ve yapılan çalışmalar sonucu bu ihtiyacın daha da artacağı tahmin edilmektedir.
Artan enerji ihtiyacının karşılanması geleneksel olarak fosil yakıtlardan sağlansa da hem tükenebilir olmaları hem de sera gazı emisyonlarını arttırarak dünyayı küresel ısınmaya sürüklediklari için yenilenebilir enerji kaynakları son yıllarda potansiyel bir alternatif olarak dikkat çekmiştir. Enerji depolama teknolojileri de zaman ve mekandaki enerji arzı ile talebi arasındaki dengeyi kurarak enerji verimliliği sağlama avantajı sunan teknolojiler olarak karşımıza çıkmaktadır. Yeni enerji depolama tekniklerinin geliştirilmesi, çeşitli yenilenebilir enerjilerin enerji tasarrufu ve çevre koruma açısından kullanımı için en etkili çözümlerden biridir. Enerji depolama teknikleri olarak; mekanik, elektriksel, kimyasal ve termal enerji depolama yöntemleri kullanılmaktadır. Ancak günümüzde malzemenin iç enerjisinde meydana gelen değişim ile enerji depolamanın sağlandığı, basit, verimli, çevreye zarar vermeyen termal enerji depolama teknolojileri üzerinde durulmakta ve bu konu üzerinde birçok araştırma yapılmaktadır.
Termal enerji depolama sistemleri; duyulur ısı, gizli ısı ve termokimyasal enerji depolama olmak üzere 3 farklı teknik ile depolama olanağı sağlamaktadır. Duyulur ısı sistemlerinde katı ya da sıvı malzemenin fazı değiştirilmeden sıcaklığı arttırılıp azaltılarak enerjinin depolanması sağlanır. Termokimyasal depolama sistemlerinde,  tersinir bir kimyasal reaksiyonda moleküler bağların kırılması ve yeniden biçimlendirilmesinde emilen ve salınan enerjinin depolanması sağlanır. Gizli ısı sistemlerinde ise katı-katı, katı-sıvı ya da sıvı-gaz fazları arasında faz geçişi sağlanarak sabit sıcaklıkta ısının emilimi ya da salıverilmesi sırasında enerji depolanması sağlanır. Gizli ısı sistemlerinde faz değiştiren malzeme(FDM) adıyla bilinen malzemeler enerji depolamak için kullanılır. Bu üç yöntem arasında faz değiştiren malzemeler ile enerji depolama yöntemi; yüksek enerji depolama yoğunluğu, malzemelerin ısısının stabil olması gibi uygulamada kolaylık sağlayacak birçok avantajı olması dolayısıyla gelecek vaaddettiği için son yıllarda üzerinde çok araştırma yapılan bir yöntemdir. 
Artan enerji ihtiyaçlarına; çevresel olarak duyarlı ve verimliliği yüksek depolama alternatifleri geliştirebilmek amacıyla, sahip olduğu avantajlar göz önünde bulundurularak bu yüksek lisans tezinde 'organik faz değişim malzemeleri'nin sentezi ve termal özelliklerinin araştırılması konusu çalışılmıştır.
Yapılan çalışmada, %99 saflıkta dekandioikasit; %99 saflıkta 1-dekanol, %99 üzeri saflıkta 1-dodekanol ve %99 üzeri saflıkta 1-hekzadekanol alkolleri ile esterleşme reaksiyonuna sokulmuş ve 3 yeni yüksek zincirli diester elde edilmiştir. Sentez yöntemi olarak Baykut ve Aydın (1969) tarafından geliştirilen katalizörsüz ve vakum altında gerçekleşen esterleşme metodu kullanılmış ve analizler için de FT-IR, DSC, GC-MS, TGA ve elementel analiz yöntemleri kullanılmıştır. Tez kapsamında sentezlenen diesterlerin faz değişim sıcaklıkları 31°C ile 58°C arasında ve faz değişim entalpileri ise 189 kJ/kg ile 221 kJ/kg arasında elde edilmiştir. Bu entalpi değerleri, literatürde bu sıcaklık aralığında bulunan organik ve inorganik faz değişim malzemelerine kıyasla yüksek değer sunanlar arasında yer alır ve hatta birçok organik-inorganik malzemeden de yüksektir. Bu na ek olarak onset bozunma sıcaklıkları 364°C  ile 399°C  arasında elde edildiğinden yeni FDM'lerin termal dayanıklılıkları da yüksektir.

Abstract:
According to the global energy consumption statistics, energy consumption values increased with the industrial revolution. The increase in this value has gained momentum with the increasing energy needs in all areas of life in the last 10 years. There is a need for energy in household heating-cooling systems, household appliances, personal electronic devices (computers, telephones, tablets, etc.), medical equipments, industrial applications, transportation, defense industry and many more. With the increase of world's population, the need for energy is increasing day by day and it is estimated that it will continue to increase.
Renewable energy sources have attracted attention as a potential alternative in recent years because of traditional energy supplies like fossil fuels are nonrenewable and increased greenhouse gas emissions(carbon dioxide, methane, nitrous oxide, fluorinated gases etc.) which cause global warming. In addition to the use of new renewable energy resources, energy efficiency has been a key factor for meet increasing energy needs.  Energy storage technologies also provide the advantage of providing energy efficiency by establishing the balance between the energy supply and demand in time and space. The development of new energy storage techniques are one of the most effective solutions for the use of various renewable energies in terms of energy saving and environmental protection. Energy storage techniques include; mechanical, electrical, chemical and thermal energy storage. However, nowadays, researchers focused on simple, efficient and environmentally friendly thermal energy storage technologies that provide energy storage with the change in the internal energy of the material.
Thermal energy storage systems provide storage with 3 main techniques such as: sensible heat storage, latent heat storage and thermo-chemical energy storage. In sensible heat storage systems, energy stored with the temperature of the solid or liquid material is increased/decreased without any change of their phase. In thermo-chemical energy storage systems, energy stored by released and absorbed energy during molecular bond formation and breakage in reversible chemical reactions. In latent heat storage systems, energy is stored by the absorption or release of heat at constant temperature during phase transition between solid-solid, solid-liquid or liquid-gas phases. This methods have some advantages and disadvantages. At sensible heat storage systems, materials are not termally stable when discharge status, specific heat of materials are low but materials thermally stable even high temperatures. At chemical storage systems, most of the materials are not chemically stable and can not be used many times because of decomposition behaviour but their storage density are high. At latent heat storage systems, materials have low thermal conductivity but they have really important advantages like high energy density, termal stability of materials, easy to find, cheapness, environmentally friendly etc.
Phase change materials (PCM) are used in latent heat storage systems to store energy.  When this three method compared energy storage with phase change materials had many advantages. That's why this method has been the subject of many researches in recent years. 
Considering its advantages and developing environmentally friendly also efficient alternatives to increasing energy needs, this MSc research is consisted of the synthesis and thermal analyses of novel "organic phase change materials".
In this research, 3 new high chain diesters of decandioic acid(%99) obtained by esterification reaction with; 1-decanol(%99), 1-dodecanol(>%99) and 1-hexadecanol(>%99). All reactants supplied from Sigma Aldrich Company and all of them used without any purification method.
New PCM's have been synthesized according to the esterification method that developed by Baykut and Aydın(1969) from Marmara University. This method provide efficient reaction and easy to apply compare to other esterification methods. Reaction occurs under vacuum and without catalyst. The reaction was carried out with  %15 mole excess alcohol against 1 mole of acid. After the reaction ends, all products crystalized 4 times with ethanol and 1 time with acetone for purification.
To be sure there is no alcohol or acid left in the system, FT-IR analyses performed in each 6-8 hours for every diester. When all reactants over and reaction completed, there were no alcohol or acid peak on FT-IR curves. As a result of this process, each ester sythesized approximately 3-4 days of the reaction.
Synthesized esters analysed with different analyse methods. For thermal analyses DSC and TGA techniques; for physical analyses; FT-IR, GC-MS and elementel analysis techniques have been used. 
Result of the FT-IR graphs show that synthesized diesters are pure due to lack of alcohol or acid peak in the graphs. Alcohol peaks wavelenght between 3323,84- 3335,02 cm-1, acid peak was 1687,87 cm-1 before the reaction completed. After reaction ends, for synthesized  diester peaks wavelength was obtained between 1721,64 cm-1 and 1731,97cm-1. 
Retention time was obtained between 4,507 min and 23,439 min. While the retention time was shorter in polar acid-alcohol structures, retention time increased in larger bonds of esters because of increasing apolarity. In addition to this, between three diesters; short chain diesters have less retention time than long chain diesters. 
After elemental analyses, theoretical carbon mass percentage and calculated carbon mass percentage have nearly the same values. This close results proves again the purity of the synthesized ester products.
The temperature difference between the melting and freezing points was in the range of 0.6 ° C to 2.09 ° C. This showed that the phase change was homogeneous at 5 ° C / min heating and cooling rate at which analyzes were performed.
Melting temperatures between 30,71-57,66 ° C and the enthalpy values between 188,37 kJ / kg and 220,73 kJ / kg have been obtained. The enthalpy values of the esters with high carbon number were obtained less than the low ones. This entalphy values are among high value organic and inorganic phase change materials. Also in this temperature range, this values more than many of the organic-inorganic materials in literature.
Heat capacity of solid phase is obtain between 0,25-1,81 J/(g° C); liquid phase is obtain between 2,02-3,89 J/(g° C).
According to the results obtained, onset decomposition temperature values were higher than 363 ° C, 5% mass loss was higher than 326 ° C and 10% mass loss was higher than 341 ° C. These results show that the synthesized fatty acid diesters remain thermally stable up to high temperatures (up to about 230 ° C). Also it was concluded that the decomposition temperatures of diesters with high carbon number were higher.