Yapılarda ısıl performansın iyileştirilmesi için faz değişim materyali içeren fonksiyonel duvar kağıdı üretimi ve karakterizasyonu
The production and characterisation of functional wallpaper includingphase change materials for improving thermal performance in buildings
Yazar: GÖKMEN ZOR
Danışman: DOÇ. DR. İSMAİL TİYEK
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışma kapsamında binalarda enerji tasarrufu sağlamak amacıyla faz değiştiren
malzeme (FDM) içerikli mikrokapsüllerin sentezlenmesi gerçekleştirilmiş ve elde edilen
mikrokapsüller duvar kağıtlarına uygulanarak binalarda ısıl performansa etkileri
incelenmiştir. Faz değiştiren malzemelerin erime ve donma faz değişim sıcaklıkları
düşünüldüğünde binalarda kullanımı daha uygun olan yağ asitlerinden kaprik asit, laurik
asit, miristik asit, palmitik asit, stearik asit ve ötektik karışımları; parafin olarak
heptadekan, oktadekan, nonadekan, eikosan ve ötektik karışımları kullanılmıştır.
Bu çalışmada 10 farklı FDM, laboratuvarda oluşturulan deney düzeneği ile emülsiyon
polimerizasyon yöntemi kullanılarak, polistiren (PS) polimer kabuk malzemesi ile
mikrokapsüllenmeleri gerçekleştirilmiştir. Mikrokapsüllenmiş faz değiştiren malzemelerin
(MFDM) karakterizasyon işlemleri için termal gravimetrik analiz (TGA), taramalı
diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), fourier dönüşümlü kızılötesi spektrometre (FTIR),
parçacık boyut analizi (PBA), elektron mikroskobu (SEM), ısıl enerji depolama ömür
analizi ve kapsülleme oranı analizleri yapılmıştır.
Sentezlenen MFDM'ler ve piyasadan temin edilen 2 adet ticari MFDM, duvar
kağıtlarını oluşturan balans ve desen kağıtları arasına uygulanmıştır. 12 farklı MFDM
içeren duvar kağıtları dörderli gruplara ayrılarak, mayıs, haziran ve ağustos aylarında
performans ölçümleri yapılmıştır. Her bir ölçüm grubunda bims bloklardan oluşturulan 5
deney kulübesi kullanılmıştır; deney kulübelerinin 4 tanesinde MFDM içerikli duvar
kağıtları kullanılırken beşinci deney kulübesinde MFDM içermeyen referans duvar kağıdı
kullanılmıştır. Her bir deney kulübesine sıcaklık kaydedici Datalogger cihazı
yerleştirilerek her 10 dakikada bir veri alacak şekilde 10 gün boyunca sıcaklık ölçümleri
yapılmıştır. Deney kulübelerinde ölçülen sıcaklık verilerinin istatistiksel değerlendirmeleri
için SPSS istatistik programında tek yönlü varyans analiz (One-Way ANOVA) yöntemi
uygulanmıştır.
ii
Yapılan ısıl performans ölçümleri değerlendirildiğinde, MFDM'siz duvar kağıdı
uygulanmış deney kulübesine kıyasla, MFDM'li duvar kağıdı uygulanan deney
kulübelerinin yazın soğutma yüküne 2,9 – 7,2 °C gibi önemli derecelerde katkı sağladığı
belirlenmiştir. Ticari olarak satın alınan MFDM'ler (PCM28 ve Nextek) ile sentezlenen
MFDM'ler karşılaştırıldığında; PS/C17 dışındaki bütün MFDM'lerin ısıl performans
açısından ticari MFDM'lerden daha fazla katkı sağladığı gözlemlenmiştir.
Aylar bazında MFDM uygulanmış duvar kağıtlarının ısıl performans ölçüm sonuçları
değerlendirildiğinde en yüksek katkının; Mayıs ayında 7,2 °C ile PS/C18 (oktadekan)
uygulanmış deney kulübesinde, Haziran ayında 2,9 °C ile PS/KA-SA (kaprik asit / stearik
asit) uygulanmış deney kulübesinde, Ağustos ayında ise 5,6 °C ile PS/LA-MA (laurik asit /
miristik asit) uygulanmış deney kulübelerinde elde edildiği belirlenmiştir.
Ortalama değerlerin karşılaştırıldığı tek yönlü varyans analizi sonuçları
incelendiğinde, PCM28, PS/PA-LA ve PS/LA dışındaki bütün MFDM uygulanmış deney
kulübelerinin referans deney kulübesinden %95 güven aralığında istatistiksel açıdan
önemli derecede farklı (p<0,05) oldukları tespit edilmiştir.
Deney kulübelerinin soğutma yükünü azaltmak amacı ile yapılan bu çalışma
sonucunda bütün MFDM'lerin farklı derecelerde de olsa ısıl performansa katkı sağladığı
tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Faz değiştiren malzeme (FDM), Mikrokapsülasyon, Mikrokapsül,
Duvar kağıdı, Isıl enerji depolama

Abstract:
In this study, the synthesis of microcapsules containing phase change materials
(PCMs) was carried out with the aim of achieving energy savings in buildings. The
obtained microcapsules were applied to wallpapers, and their effects on the thermal
performance of buildings were investigated. Considering the melting and freezing phase
change temperatures of phase change materials, fatty acids such as capric acid, lauric acid,
myristic acid, palmitic acid, stearic acid, and their eutectic mixtures, as well as paraffins
such as heptadecane, octadecane, nonadecane, eicosane, and their eutectic mixtures, were
used as more suitable materials for building applications.
In this study, 10 different phase change materials (PCMs) were encapsulated using the
emulsion polymerization method with polystyrene (PS) polymer shell material, employing
a laboratory-based experimental setup. The characterization of the microencapsulated
phase change materials (MPCMs) was performed using thermal gravimetric analysis
(TGA), differential scanning calorimetry (DSC), Fourier-transform infrared spectroscopy
(FTIR), particle size analysis (PSA), scanning electron microscopy (SEM), thermal energy
storage life analysis, and encapsulation efficiency analysis.
The synthesized MPCMs and two commercially available MPCMs were applied
between the balance and pattern papers of wallpapers. Wallpapers containing 12 different
MPCMs were divided into groups of four, and performance measurements were conducted
in May, June, and August. Each measurement group used five experimental cabins
constructed from pumice blocks; four of these cabins were equipped with wallpapers
containing MPCMs, while the fifth cabin used a reference wallpaper without MPCMs. A
temperature recording data logger was placed in each experimental cabin to collect
temperature data every 10 minutes over a period of 10 days. Statistical analysis of the
temperature data measured in the experimental cabins was performed using one-way
analysis of variance (One-Way ANOVA) in the SPSS statistical software.
iv
When evaluating the thermal performance measurements, it was determined that the
experimental cabins with wallpapers containing MPCMs contributed significantly to
reducing the cooling load in summer, by 2.9 – 7.2 °C, compared to the cabin with
wallpaper without MPCMs. When comparing commercially available MPCMs (PCM28
and Nextek) with the synthesized MPCMs, it was observed that all synthesized MPCMs,
except for PS/C17, provided greater thermal performance benefits than the commercial
MPCMs.
When evaluating the thermal performance measurement results of wallpapers with
MPCMs on a monthly basis, it was determined that the highest contribution was achieved
in the following scenarios: in May, the experimental cabin with PS/C18 (octadecane)
provided a reduction of 7.2 °C; in June, the cabin with PS/KA-SA (capric acid / stearic
acid) resulted in a reduction of 2.9 °C; and in August, the cabin with PS/LA-MA (lauric
acid / myristic acid) showed a reduction of 5.6 °C.
When examining the results of one-way analysis of variance comparing average
values, it was found that all experimental cabins with MPCMs, except for PCM28, PS/PALA, and PS/LA, were statistically significantly different from the reference cabin within a
95% confidence interval (p<0.05).
As a result of this study aimed at reducing the cooling load in the experimental cabins,
it was determined that all MPCMs contributed to thermal performance, albeit to varying
degrees.
Keywords: Phase change material (PCM), Microencapsulation, Microcapsule, Wallpaper,
Thermal energy storage