Poliester-esaslı makrogözenekli köpüklerden açık-hücresel yapılı karbonların hazırlanması ve ısıl enerji depolamada kullanılması
Preparation of open-cellular carbons from polyesterbased macroporous foams and their use in thermal energy storage
Yazar: SENA NUR YAVUZ
Danışman: PROF. DR. EMİNE HİLAL MERT
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu tez çalışması, ısıl enerji depolama alanında kullanılmak üzere açık-hücresel yapı sergileyen makrogözenekli polimer ve karbon monolitlerin hazırlanmasını kapsamaktadır. Bu kapsamda, kullanılan yüksek iç fazlı emülsiyon (HIPE) kalıplama yönteminin temel prensibi, morfolojik özelliklerin kontrolünü sağlamak amacıyla HIPE'leri gözenek oluşturmak için bir şablon olarak kullanımına dayanmaktadır. HIPE'ler iç faz hacmi toplam emülsiyon hacminin en az %74.05'ini oluşturan sistemlerdir. HIPE'lerin sürekli fazı veya her iki fazının monomer(ler) içermesi durumunda, monomer içeren faz, uygun koşullar altında polimerleştirilebilir. Ardından iç faz uzaklaştırılarak poliHIPE'ler elde edilir. PoliHIPE'ler yüksek oranda çapraz bağlı ve hiyerarşik gözenek morfolojisine sahip polimerlerdir. PoliHIPE'ler gözenekli karbonların hazırlanmasında şablon olarak kullanılabilmektedir. Bir poliHIPE'den gözenekli bir karbon monoliti elde edebilmek için yüksek oranda çapraz bağlı poliHIPE monolitinin inert atmosfer koşullarında kontrollü olarak karbonize edilmesi gerekmektedir. Bu aşamada monolit yapısının korunması oldukça önemlidir. Karbonizasyon işlemi ile spesifik yüzey alanı belirgin oranda arttığından, yüzey alanının önemli olduğu uygulamalarda karbonize monolitlerin kullanımı belirgin bir avantaj sağlamaktadır.
Bu çalışmada, ticari bir doymamış poliester reçinesi ve çaprazbağlayıcı ko-monomerler olarak farklı oranlarda divinilbenzen (DVB) ve vinilbenzil klorür (VBC) kullanılarak yağ-içinde-su (yağ/su) türünde HIPE'ler hazırlanmıştır. Ardından, HIPE'lerin ısıl olarak kürleştirilmesi yolu ile poliester-esaslı poliHIPE monolitleri sentezlenmiştir. Sentezlenen poliHIPE monolitlerin gözenek morfolojisisi incelenerek ısıl enerji depolama uygulamalarında kullanılmak üzere en uygun poliHIPE monoliti matris olarak belirlenmiştir. Ardından, seçilen poliHIPE monolitinin çapraz bağ oranının arttırılması amacıyla Fridel-Crafts alkilasyonu ile aromatik halkalar üzerinden hiper-çapraz bağlama reaksiyonu gerçekleştirilmiştir. Hiper-çapraz bağlama ile sentezlenen poliHIPE monolitinin spesifik yüzey alanı da belirgin olarak arttırılmıştır. Daha sonra, sentezlenen poliHIPE matris ve hiper-çapraz bağlı matris inert koşullar altında karbonize edilerek poliHIPE türevi makrogözenekli karbonlar elde edilmiştir.
Tez çalışmasının son aşamasında elde edilen poliHIPE monolit, hiper-çapraz bağlı monolit ve bu monolitlerden türetilen makrogözenekli karbonlar uygulama özelliklerinin saptanması amacıyla kompozit faz değiştiren malzemelerin (FDM'lerin) hazırlanmasında kullanılmıştır. Bu amaçla parafin-esaslı, 18 karbonlu RT-18HC ve yağ asidi-esaslı lorik asit (LA) FDM olarak kullanılmıştır. FDM'lerin makrogözenekli matrislere impregnasyonu vakum altında impregnasyon yöntemi ile gerçekleştirilmiştir.  Elde edilen kompozit FDM'lerin kimyasal yapısı ve ısıl enerji depolama kapasiteleri araştırılmıştır. Elde edilen bulgular poliester-esaslı poliHIPE monolitlerin ve hiper-çapraz bağlı monolitlerin ısıl enerji depolama uygulamalarında umut vaadedici bir performans sergilediğini ortaya koymuştur.

Abstract:
This thesis study encompasses the preparation of macroporous polymer and carbon monoliths exhibiting open-cellular structures for use in thermal energy storage. In this scope, the fundamental principle of the employed high internal phase emulsion (HIPE) templating method is based on using HIPEs as templates to create pores and control the morphological features. HIPEs are systems in which internal phase comprises at least 74.05% of the total emulsion volume. When the continuous phase or both phases contain monomer(s), the monomer-containing phase can be polymerized under suitable conditions. Subsequently, polyHIPEs are obtained by removing the internal phase. PolyHIPEs are highly cross-linked polymers exhibiting hierarchical pore morphology. PolyHIPEs can be used as templates for the preparation of porous carbons. In order to obtain a porous carbon monolith from a polyHIPE, the highly cross-linked polyHIPE monolith required to be carbonized in an inert atmosphere under controlled conditions. At this stage, preserving the monolithic structure is crucial. Since the specific surface area increases significantly with the carbonization process, the use of carbonized monoliths provides a significant advantage in applications where surface area is important.
In this study, oil-in-water (oil/water) type HIPEs were prepared using a commercial unsaturated polyester resin and different crosslinking co-monomers, namely divinylbenzene (DVB) and vinylbenzyl chloride (VBC). Subsequently, polyester-based polyHIPE monoliths were synthesized by thermal curing of the HIPEs. The pore morphology of the synthesized polyHIPE monoliths was examined to determine the most suitable polyHIPE monolith matrix for thermal energy storage applications. Then, to increase the cross-link density of the selected polyHIPE monolith, hyper-crosslinking reaction was carried out via Friedel-Crafts alkylation through the aromatic rings. By hyper-crosslinking, the specific surface area of the synthesized polyHIPE monolith has been also increased significantly. Later, the synthesized polyHIPE matrix and hyper-crosslinked matrix were carbonized under inert conditions to obtain polyHIPE-derived macroporous carbons.
In the final stage of the thesis study, the obtained polyHIPE monolith, hyper-crosslinked monolith, and the macroporous carbons derived from these monoliths were used to prepare composite phase change materials (PCMs) to determine their application properties. For this purpose, paraffin-based RT-18HC and fatty acid-based lauric acid (LA) were used as PCMs. Impregnation of the PCMs to macroporous matrices was achieved by using vacuum impregnation method. The chemical structure and their thermal energy storage capacities were investigated of the obtained composite PCMs. The findings revealed that polyester-based polyHIPE monoliths and hyper-crosslinked monoliths exhibited promising performance in thermal energy storage applications.