Yağ alkolleri bazlı faz değişim malzemelerinin sentezi, karakterizasyonu ve ısıl enerji depolama özelliklerinin belirlenmesi
Synthesis and characterization of fatty alcohols based phase change materials and determination of their thermal energy storage properties
Yazar: ÖMER FARUK ENSARİ
Danışman: PROF. DR. YAKUP BUDAK
Tokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Isı enerjisi = Heat energy ; Kimya = Chemistry ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Bu çalışmada, ısıl enerji depolama ve salıverme özelliği sayesinde farklı sıcaklıklarda enerjiyi muhafaza edebilme ve sıcaklık dalgalanmasını azaltarak ortam sıcaklığını koruyabilme yeteneğine sahip bir seri yeni tip faz değişim maddeleri (FDM) üretilmiştir. Bu amaçla, 1-dodekanol (DD), 1-tetradekanol (TD), 1-hekzadekanol (HD) ve 1-oktadekanol (OD) gibi yağ alkolleri metilen difenil diizosiyanat (MDI), toluene diizosiyanat (TDI), hekzametilen diizosiyanat (HMDI), izoforon diizosiyanat (IPDI) ve metilenbis siklohekzildiizosiyanat (MCI) ile etkileştirilerek enerji
depolama özelliğine sahip olan karbamatlar hazırlanmıştır. 1H NMR, 13C NMR ve FTIR spektroskopik analizleri beklenen kimyasal yapılara başarıyla ulaşıldığını doğrulamışlardır. DSC analizleri bazı FDM'lerin hem katı-sıvı hem de katı-katı faz geçiş özelliğine sahip olduğunu göstermiştir. Bu FDM'ler içeresinde, MCI ile hazırlanan tüm FDM'lerde katı-sıvı ve katı-katı faz geçişleri birlikte görülmüştür. DSC verileri üretilen FDM'lerin 50-130 oC aralığında erime faz değişim sıcaklıklarına, 25-166 J/g entalpi aralığında ısı depolama kapasitesine ve 10-122 oC aralığında katılaşma faz değişim sıcaklıklarına 15-137 J/g faz ısı salıverme kapasitesine sahip oldukları belirlenmiştir. FDM'lerin ısıl döngü öncesi ve sonrası kimyasal kararlılıklarının ve ısıl enerji depolama güvenirlikleri FT-IR ve DSC analizleri ile belirlenmiştir. POM inceleme sonuçları FDM kristallerinin saf yağ alkolü kristallerine kıyasla oldukça küçüldüğünü ortaya koymuştur. Ayrıca, TG analiz ölçümleri, üretilen FDM'lerin tek basamakta bozunduğunu ve limit sıcaklığın 200 oC üzerinde olduğunu göstermiştir. Çalışmanın son kısmında, FDM'lerin ısıl iletkenliklerinin arttırılması amacıyla ağırlıkça %5 oranında genişletilmiş grafit ile katkılandırılmışlardır. Katkılama sonucu FDM'lerin ısıl iletkenliklerinde maksimum %25 oranında bir artış gözlenmiştir. Tüm bulgular ışığında, üretilen FDM'lerin yaklaşık 50-130 oC sıcaklık aralığında güneş enerjisinin ısıl formda muhafaza edilmesinde, evsel su ısıtma sistemlerinde, ısı pompalarında, atık ısının depolanmasında kullanılabilme otansiyeline sahip olabilecekleri sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study, a series of new types of phase change materials (PCMs) have been produced, which have the ability to conserve energy at different temperatures and maintain the ambient temperature by reducing the temperature fluctuation thanks to its thermal energy storage and release feature. For this purpose, carbamates that have energy storage feature with paraffinic chains were prepared by reacting fatty alcohols such as 1-dodecanol (DD), 1-tetradecanol (TD), 1-hexadecanol (HD) and 1-octadecanol (OD) with methylene diphenyl diisocyanate (MDI), toluenediisocyanate (TDI), hexamethylene diisocyanate (HMDI), isophoron diisocyanate (IPDI) and methylenebis cyclohexylisocyanate (MCI). 1H NMR, 13C NMR and FTIR spectroscopic analysis confirmed that the expected chemical structures were successfully achieved. The DSC analysis has shown that some of the produced PCMs have both solid-liquid and solid-solid phase transition properties. The DSC data demonstrated that the produced PCMs have melting temperatures in the range of 50-130 oC, melting heat storage capacity in the range of 25-166 J/g and solidification temperatures in the range of 10-122 oC, and heat releasing capacity in the range of 15-137 J/g. The chemical stability and thermal energy storage reliability of PCMs before and after the thermal cycle were determined by FT-IR and DSC analysis. The POM study results revealed that PCMs crystals are considerably smaller compared to pure fatty alcohol crystals. In addition, TG analysis measurements showed that the produced PCMs
are degraded at one-step and the limit temperature is over 200 °C. In the last part of the study, the PCMs were doped by 5wt% expanded graphite to increase their thermal conductivity values. As a result of the doping, a maximum increase of 25% was observed in the thermal conductivity of FDMs. In the light of all findings, it was concluded that the produced PCMs could be have potential as ability of storing/and releasing solar energy and waste heat in temperature range of approximately 50-130 ºC as well as utilization potential in domestic water heating systems and heat pumps.