Soğuk depolama ve taşıma uygulamaları için kompozit faz değişim malzemelerinin geliştirilmesi ve termal özelliklerinin belirlenmesi
Development of composite phase change materials for cold storage and transportation applications and determination of their thermal properties
Yazar: HÜLYA GÜZEL
Danışman: PROF. DR. SİBEL TUNÇ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu çalışmada, ürünlerin belirli bir süre için düşük sıcaklıklarda depolanmasına ve taşınmasına olanak sağlayabilecek polimer katkılı ve katkısız ötektik çözelti içeren kompozit faz değişim malzemeleri (FDM'ler) geliştirilmiş ve bunların termal özellikleri incelenmiştir. Mevcut literatür çalışmalarında geliştirilen FDM'lerden farklı bileşenler içeren, 0°C'nin altındaki düşük sıcaklıklarda uygulanabilme özelliği olan sodyum klorür-su (NaCl-H2O), magnezyum klorür-su (MgCl2.6H2O-H2O) ve lauril alkol-kaprilik asit (LA-KA) ötektik çözeltileri içeren kompozit FDM'ler geliştirilmiştir. Çalışmanın ilk kısmında FDM'lerin hazırlanmasında kullanılan çapraz bağlı sodyum poliakrilat (SPA), serbest radikal polimerizasyonu ile farklı oranlarda monomer kullanılarak sentezlenmiştir. Sentezlenen polimerler şişme testi, Fourier transform infrared (FTIR) spektroskopisi, termal gravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve viskozite ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Kütlece %20'lik akrilik asit kullanılarak sentezlenen SPA'nın şişme ve viskozite değerlerinin kütlece %30 ve %40'lık akrilik asit ile sentezlenen SPA'lara göre daha yüksek olduğu saptanmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında, NaCl-H2O, MgCl2.6H2O-H2O, KCl-H2O ve LA-KA çözeltilerinin faz diyagramları DSC cihazı kullanılarak incelenmiştir ve uygun sistemler için ötektik çözelti konsantrasyonları belirlenmiştir. NaCl-H2O ve LA-KA çözeltilerinin ötektik noktaları sırasıyla kütlece %23,3 ve %30 olarak tespit edilmiştir. Kompozit FDM'lerin hazırlanmasında, FDM'lerin aşırı soğuma sıcaklığını düşürmek için çekirdekleştirici ajanlar (NA'lar) olarak susuz kalsiyum klorür (CaCl2) ve kalsiyum hidroksit (Ca(OH)2), termal iletkenliği arttırmak için çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) ve halloysit nanotüp (HNT) ve çekirdekleştirici ajanların çökmesini ve faz ayrılmasını önlemek için SPA kullanılmıştır. Geliştirilen bütün FDM'lerin termal özellikleri DSC analizi ile belirlenmiştir. NaCl-H2O ötektik çözelti sistemi için en düşük erime sıcaklığı (-17,3°C olarak) ötektik+%1SPA+%3HNT+NA kompozit FDM sisteminde tespit edilirken, en yüksek gizli ısı değerleri ise sırasıyla 199,3 J/g, 200,1 J/g, 199,1 J/g ve 195,9 J/g olarak ötektik+%1SPA, ötektik+%1SPA+NA, ötektik+%1SPA+%1MWCNT ve ötektik+%1 SPA+%1MWCNT+NA kompozit FDM sistemlerinden elde edilmiştir. MgCl2.6H2O-H2O ötektik çözelti sistemi için en yüksek gizli ısısı değeri 94,9 J/g olarak ötektik+%1SPA+%3HNT+NA kompozit FDM'de saptanmıştır. Bu sistem için en düşük erime sıcaklığı, ötektik+%1SPA+%1HNT+NA kompozit FDM'de -13,3°C olarak tespit edilmiştir. LA-KA ötektik çözelti sistemi için -7,8°C erime sıcaklığı ile en düşük erime sıcaklığı ötektik+%1HNT+NA kompozit FDM'de tespit edilirken, -4,9°C'lik donma sıcaklığı ile en düşük donma sıcaklığı ötektik+NA kompozit FDM'de elde edilmiştir. LA-KA ötektik çözelti sisteminde erime sıcaklığındaki ve donma sıcaklığındaki en yüksek gizli ısı değerleri sırasıyla 185,2 J/g ve 170,9 J/g ile ötektik+%1HNT+NA kompozit FDM'de saptanmıştır. Ötektik+%3HNT+NA kompozit FDM, 0,3°C ile en düşük aşırı soğuma sıcaklığını sağlamıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar; tez kapsamında geliştirilen kompozit FDM'lerin, düşük depolama ve taşıma sıcaklıklarına sahip ürünlerde kullanımı için uygun özellikler taşıdıklarını ve böylelikle ürün kalitesinin korunmasını ve ürün kayıp oranlarının azaltılmasını sağlama potansiyeline sahip olduklarını göstermiştir.

Abstract:
In this study, composite phase change materials (FDMs) containing eutectic solutions with and without polymer additives, which enable the storage and transportation of products at low temperatures for a certain period, were developed, and their thermal properties were investigated. Composite FDMs containing eutectic solutions of sodium chloride-water (NaCl-H2O), magnesium chloride-water (MgCl2.6H2O-H2O), and lauryl alcohol-caprylic acid (LA-KA), which differ from the FDMs developed in existing literature studies and have the potential to be applied at low temperatures below 0°C, were developed. In the first part of the study, cross-linked sodium polyacrylate (SPA), used in the preparation of FDMs, was synthesized using free radical polymerization with different ratios of monomers. The synthesized polymers were characterized by swelling test, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), and viscosity measurements. It was determined that the swelling and viscosity values of SPA synthesized using 20% by weight acrylic acid were higher compared to those synthesized using 30% and 40% by weight acrylic acid. In the second part of the study, the phase diagrams of NaCl-H2O, MgCl2.6H2O-H2O, KCl-H2O and LA-KA solutions were investigated using the DSC device and the eutectic solution concentrations were determined for the appropriate systems. The eutectic points of NaCl-H2O and LA-KA solutions were found to be 23.3% and 30% by weight, respectively. In the preparation of composite FDMs, anhydrous calcium chloride (CaCl2) and calcium hydroxide (Ca(OH)2) were used as nucleating agents (NAs) to reduce the supercooling temperature of the FDMs; multi-walled carbon nanotube (MWCNT) and halloysite nanotube (HNT) were used to increase thermal conductivity; and SPA was used to prevent the precipitation and phase separation of the nucleating agents. The thermal properties of all developed FDMs were determined through DSC analysis. For the NaCl-H2O eutectic solution system, the lowest melting temperature (-17.3°C) was identified in the eutectic+1%SPA+3%HNT+NA composite FDM system, while the highest latent heat values were obtained from the eutectic+1%SPA, eutectic+1%SPA+NA, eutectic+1%SPA+1%MWCNT and eutectic+1%SPA+1%MWCNT+NA composite FDM systems with values of 199.3 J/g, 200.1 J/g, 199.1 J/g, and 195.9 J/g, respectively. For the MgCl2.6H2O-H2O eutectic solution system, the highest latent heat value was found at the eutectic+1%SPA+3%HNT+NA composite FDM as a 94.9 J/g. The lowest melting temperature for this system was -13.3°C, observed at the eutectic+1%SPA +1%HNT+NA composite FDM. For the LA-KA eutectic solution system, the lowest melting temperature of -7.8°C was detected in the eutectic+1%HNT+NA composite FDM, while the lowest freezing temperature of -4.9°C was obtained in the eutectic+NA composite FDM. The highest latent heat values at melting and freezing temperatures for the LA-KA eutectic solution system were found to be 185.2 J/g and 170.9 J/g, respectively, in the eutectic+1%HNT+NA composite FDM. The eutectic+3%HNT+NA composite FDM provided the lowest supercooling temperature of 0.3°C. The experimental results indicated that the composite FDMs developed within the scope of this thesis have suitable properties for use in products requiring low storage and transportation temperatures, and thus they have the potential to preserve product quality and reduce product loss rates.