Mikrokapsüllenmiş faz değiştiren maddelerin bitüm üzerindeki termal ve reolojik özelliklerinin araştırılması
Investigation of the thermal and rheological properties of microencapsulated phase change materials on bitumen
Yazar: KAAN ÇAKTI
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM ERDEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Bitümlü karışımlar = Bituminous mixtures ; Bitümlü sıcak karışım = Bituminous hot mixture ; Dinamik doğrusal modeller = Dynamic linear models ; Emülsiyon polimerleşmesi = Emulsion polimerization

Özet:
Asfalt kaplamaların reolojik özellikleri sıcaklık hassasiyetine sahiptir. Bitüm asfalt yollarda yaygın olarak kullanılan temel bağlayıcı bir malzemedir. Sıcaklık değişimleri sonucu bitümün yapısında meydana gelen yapısal değişikliker asfalt karışımların, özelliklerini ve perfomansını doğrudan etkilemektedir. Özellikle soğuk hava koşulları altında, bitüm yapısındaki asfalten ve malten fazlarında meydana gelen oransal değişikliklerden dolayı asfalt kaplamalar sertleşir ve kırılgan hale gelirler. Faz değiştiren maddeler (FDM'ler), düşük sıcaklıklarda asfalt kaplamaların donmasını önlemek veya donma süresini geciktirmek için kullanılabilirler. Bu nedenle bu doktora çalışmasında, yaklaşık 6°C civarında erime noktasına sahip olan organik FDM sınıfında yer alan n-tetradekan tercih edildi. Saf 10/20 ve 50/70 penetrasyon derecesine ait bitümler n-tetradekan ile modifiye (yüksek sıcaklıkta karıştırılarak) edildi. Tetradekanın bitüm içerisinde sızıntı yapmasından dolayı, bitümün penetrasyon derecesinde yüksek miktarda artış, yumuşama noktasında ise önemli ölçüde azalma gözlendi. Bu sonuçlar, iki farklı sınıftaki bitümün yapısının, tetradekanın doğrudan ilave edilmesi ile bozulduğunu gösterdi. Tetradekanın sıvı fazdaki sızıntı probleminin önüne geçmek için emülsiyon polimerizasyon yöntemi ile kapsül kabuk yapısında farklı monomerler içeren mikrokapsüller üretildi. Çalışma sonucu elde edilen mikrokapsüllenmiş faz değiştiren maddelerin boyutları parçacık büyüklüğü analizörü ile, küresel yapıları ise taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile analiz edildi. FDM (n-tetradekan) ve MFDM'lere ait termal özellikler ve ısıl kararlıklar sırasıyla, diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termogravimetrik analiz (TGA) ile incelendi. FDM'lerin ve MFDM'lerin kimyasal yapıları ise fourier transform infrared (FTIR) spektroskopisi yöntemiyle ile analiz edildi. Bunlara ek olarak, mevcut çalışmada FDM ve MFDM'ler ile modifiye edilmiş bitümün reolojik özellikleri, yumuşama noktası analizi ve penetrasyon derecesi analizi ile detaylı bir şekilde incelendi. Yumuşama noktası ve penetrasyon derecesi analizlerinin dışında, FDM ve MFDM ile modifiye edilmiş bitümün yapısı DSR analizi ile araştırıldı. Çalışmada MFDM'lerin FDM'ye kıyasla, bitümün yapısını koruduğunu ve bitümün aşırı yumuşamasını engellediği gözlenmiştir.

Abstract:
The rheological properties of asphalt pavements are temperature sensitive. Bitumen is a binding material used widely on asphalt roads. Structural changes in the structure of bitumen because of temperature changes directly affect the properties and performance of asphalt mixtures. Asphalt pavements become hard and brittle due to changes in asphaltene and maltene ratios in bitumen under cold weather conditions. Phase change materials (PCM) can be used to prevent or delay freezing asphalt pavements at low temperatures. Therefore, raw n-tetradecane possessing a melting point of around 6 °C was preferred as an organic PCM in this study and bitumen 10/20 and 50/70 were modified with n-tetradecane. It was observed that PCM extremely rose the penetration grade of bitumen and decreased softening point due to the leakage of PCM. For this reason, microcapsules containing different monomers in the capsule shell structure were produced by the emulsion polymerization method to prevent the leakage problem of tetradecane in the liquid phase. The dimensions of the microencapsulated phase change materials (MPCM) produced in the study were analyzed with a particle size analyzer, and their spherical structures were analyzed with a scanning electron microscope (SEM). The thermal properties and thermal stability of PCM (n-tetradecane) and MPCMs were investigated by differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA), respectively. The chemical structures of PCMs and MPCMs were analyzed by the Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy method. In the present study, the rheological properties of bitumen modified with PCM and MPCMs were also investigated by softening point and degree of penetration analyses. In addition to the softening point and penetration degree, the structure of the bitumen modified with PCM and MPCM were investigated by DSR analysis. It was observed that the addition of MPCMs to the bitumen preserves the elastic structure of the bitumen and prevents the softening of the bitumen compared to the addition of PCM.