Isıl Enerji Depolama İçin Poli(etil akrilat)/Hekzadekan Mikrokapsüllerinin Üretilmesi ve Karakterizasyonu
Isıl enerji depolama için kullanılan faz değistiren maddeler (FDMler) belirli faz değistirme sıcaklıklarında ortamdaki ısı
enerjisini soğurup yaymak suretiyle ısı regülasyonu sağlayan maddelerdir. Isıl enerji depolama için kullanılan FDMler
genellikle katı-sıvı faz değistiren maddelerdir ve bundan dolayı kapsüllenmeleri gerekir. Mikro-kapsüllenmis FDMler
(MikroFDMler), FDMlerin büyük yüzey alanlarından dolayı ısı transfer oranlarının yüksek olduğu ve küçük olmaları dolayısı ile de kolay uygulanabildiği türevidir. MikroFDM’ler faz değistiren maddelerin ince ve esnek bir polimer kabuk içerisine hapsedilmesi ile üretilmektedirler. Bu çalısmada, poli(etil akrilat) polimeri kabuk maddesi olarak kullanılırken, çekirdek maddesi olarak n-hekzadekan kullanılmıstır. Mikrokapsüllerin sentezinde üç farklı çapraz bağlayıcı uygulanmıstır. Üretilen mikroFDMler Fourier Dönüsümlü Kızılötesi (FT-IR) spektroskopisi ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak karakterize edilmislerdir. MikroFDMlerin ısıl özellikleri ise diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) yöntemi ile belirlenmistir.
Günümüzde gelisen teknolojinin bir sonucu olarak kullanılmakta olan pek çok elektronik cihaz ve
sistem için gerekli yüksek enerji tüketimi hem çevre için tehdit olusturmakta hem de enerji
kaynaklarının tükenmesi problemini ortaya çıkarmaktadır. Bu nedenlerden dolayı, enerji
kaynaklarının ve enerjinin verimli bir sekilde kullanımı ve yenilenebilir enerji kaynakları konusuna
olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Faz değistiren maddeler (FDMler) yenilenebilir enerji
kaynakları içersinde en popüler olanlardandır [1]. Çünkü faz değistiren maddeler son derece genis
bir uygulama yelpazesi içersinde kolaylıkla değerlendirilebilmektedirler. FDMler, belirli sıcaklık aralıklarında fazlarını değistirme yeteneğine sahip maddelerdir. Bu maddeler içinde bulundukları ortamın sıcaklığı faz değisim sıcaklığının üzerine çıktığında, çevreden ısı alırken (gizli ısı), soğuma esnasında bu ısıyı tekrar çevreye yaymaktadırlar. Bu sayede faz değistiren maddeler içinde bulundukları ortamda sıcaklığın dalgalanmasını regüle ederek konfor sağlamaktadır. FDMlerin bu sekilde bina içi ısıtma ve iklimlendirme sistemlerinde ciddi ısı tasarrufu sağlayabildiği bilinmektedir.
Faz değistiren maddelerin etkin bir biçimde kullanılabilmesi için bazı problemlerin giderilmesi
gerekir. Organik yapıdaki FDMlerin büyük bölümü katı-sıvı faz değistiren maddelerdir ve bir dıs
kaba gereksinim duyarlar. Yeterince hızlı ısı transferi sağlayabilen metal kapsüllerin maliyetleri
oldukça fazladır. Üstelik makrokapsül olarak bilinen bu tip uygulamalarda faz değistiren maddeler
için dekoratif bir görünüm sağlanabilmesi de mümkün değildir. Organik yapıdaki faz değistiren
maddeleri, polimer içersinde hapsederek sekilce kararlı faz değistiren maddeleri üretmek mümkün
olmakla birlikte bu tip maddelerin de tekstil liflerinde kullanılabilmesi mümkün olamamaktadır. Bu
amaçla çok az sayıda faz değistiren madde bir takım polimerik yapı içersinde mikro ölçekte
hapsedilerek uygulanmıstır. Mikrokapsül haline getirilmis faz değistiren maddeler (MikroFDMler)
kullanılarak tekstil ürünlerinin termal özelliklerinin gelistirilmesi teknolojisi son on yılda ortaya
çıkmıs bir teknolojidir. Ancak faz değisim teknolojisinin kullanımı 1970’lı yıllarda, NASA
(National Aeronautics and Space Administration) tarafından yürütülen bir arastırma programına
dayanmaktadır. Bu programdaki asıl amaç, astronot giysilerine uzaydaki asırı sıcaklık
dalgalanmalarına karsı termal koruma etkinliğinin kazandırılmasıdır. Bu noktadan hareketle ortaya
çıkan FDM ile birlestirilmis tekstil ürünleri günümüzde artık tekstil endüstrisiyle ilgili pazarlarda
yer bulmaya baslamıstır. Mikrokapsül haline getirilmis faz değistiren maddeler tekstil yanında
biyomedikal ve biyolojik tasıma, insaat vb. pek çok alanda kullanım olanağı bulmaktadır.
Literatürdeki çalısmalar incelendiğinde, hem tekstil sektörü hem de diğer günes kaynaklı ısıl enerji depolayıcı ürünlerde, organik FDMler içerisinde en çok parafinlerin kullanıldığı görülmektedir. Erime noktası 15-35°C aralığında olan pek çok faz değistiren maddeler tekstil alanında
kullanılmaları uygun olmasına rağmen, parafinler özellikle ucuz ve toksik etki içermemeleri
nedeniyle tercih edilmektedir [2,3]. Tablo 1’de faz değisim yoluyla enerji depolama amaçlı olarak
kullanılan bazı parafin türlerinin fizikokimyasal özellikleri görülmektedir. Öte yandan faz
değistiren madde olarak Poli(etilen glikol) (PEG) gibi polimerik maddelerin kullanımına da sıkça
rastlanmaktadır.
FDMlerin mikrokapsüllenmesinde kapsül maddesi olarak melamin, üre veya fenol formaldehit
maddelerin ağırlıklı olarak kullanıldığı [15-19], ancak son yıllarda söz konusu formaldehit içeren
maddelerin toksik etkilerinden dolayı kitosan, jelatin, arap zamkı, ipek fibroini vb. polimerlerin
kullanılmaya baslandığı görülmektedir.Bu çalısmada, ısı depolama özellikli tekstil ürünlerinin üretiminde kullanılmak üzere faz değistiren madde olarak hekzadekan içeren poli(etil akrilat) esaslı mikrokapsüllerin 3 farklı çapraz bağlayıcı varlığında üretilmesi ve üretilen mikrokapsüllerin karakterizasyonu hedeflenmistir. Kullanılan çapraz bağlayıcılar allilmetakrilat, etilen glikol dimetakrilat ve glisidil metakrilattır.
MATERYAL ve METOT
2.1. Materyal
n-hekzadekan (Fluka), tersiyer bütil hidroperoksit (Merck), triton X 100 (Merck) demir sülfat
(FeSO4.7H2O) (Sigma Aldrich), amonyum persülfat (Sigma Aldrich) ve sodyum tiyosülfat
(Na2S2O7) (Sigma Aldrich) kimyasalları temin edildikleri sekilde kullanılmıslardır. Etil akrilat
(Fluka), allilmetakrilat (Sigma Aldrich), etilen glikol dimetakrilat (Sigma Aldrich) ve glisidil
metakrilat (Sigma Aldrich) kullanılmadan evvel distillenmislerdir.
2.2. Metot
Mikrokapsül üretimi emülsiyon polimerizasyonu metodu kullanılarak gerçeklestirilmistir.
Mikrokapsül üretimi sırasında yağ fazı n-hekzadekan, etil akrilat ve bir çapraz bağlayıcıdan
olusurken karıstırma hızı olarak 2000 d/d uygulanmıstır. Mikrokapsül prosesi asağıda verilen üç
asamada tamamlanmıstır [4].
1. Asama: 94 mL deionize su 25 g n-hekzadekan (FDM) ve 1 g Triton X 100 (yüzey aktif madde)
ile karıstırılarak emülsiyon olusturuldu. Karısım n-hekzadekan eriyinceye kadar ısıtıldı.
2. Asama: Birinci asamada olusturulan karısıma 25 g monomer, 2,5 g çapraz bağlayıcı, 1 mL demir
sülfat çözeltisi (0,3 g FeSO4 7H2O 200 mL su içinde çözülerek hazırlanandan) ve 0,25 g amonyum
persülfat ilave edilmistir. Elde edilen yeni karısım 2000 dev/dk (rpm) hızda yarım saat (30 dk) süre
ile karıstırılmıstır.
3. Asama: Karısıma 0,25 g sodyumtiyosülfat (Na2S2O7) ve %70’lik tersiyerbütil hidroperoksit
çözeltisi ilave edilip, 1000 dev/dk karıstırma hızında farklı sürelerde karıstırılmıstır.
üretilen mikrokapsülleri tanımlamak için kullanılan kodlar ve kapsülleri elde etmek
için sağlanmıs bulunan optimum kosullar verilmektedir.
Üretilen mikrokapsüllerin yüzey özelliklerini incelemek için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM
Leo 440 Computer Controlled Digital, Erciyes Üniversitesi, Teknoloji Arastırma ve Uygulama
Merkezi) kullanılmıstır.
Mikrokapsüllerin boyut ölçümü, mikroskop görüntüleri üzerinden Lucia 32 G Version 4.11
programı kullanılarak gerçeklestirilmistir. Mikrokapsüllerin partikül boyut dağılımları, SPSS 10.0
programı kullanılarak partikül boyut ölçüm sonuçlarının histogramları olusturularak belirlenmistir.
Faz değistiren madde içeren mikrokapsüllerin erime ve katılasma sıcaklıkları ve erime ve katılasma
entalpileri Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC, Perkin-Elmer Jade) cihazı kullanılarak tespit
edilmistir. DSC analizleri 0-50 ° aralığında, 5°C/dk ısıtma/soğutma hızında, azot (N2) atmosferinde
gerçeklestirilmistir.
DSC sonuçları kullanılarak üretilen mikrokapsüllerin yüzde FDM içeriği (% FDM) asağıda verilen,
esitlik 1 kullanılmak suretiyle hesaplanmıstır.
% 100
0
x
H
H
FDM m
D
D
= (1)
m DH = Mikrokapsül Erime Entalpisi (j/g)
0 DH = Faz Değistiren Madde Erime Entalpisi (j/g)
MikroFDMlerin kimyasal içeriklerini analiz etmek için IR spektrumları KBr diskleri üzerinden
Jasco FT/IR 340 spektrofotometresi kullanılarak 4000-400 −1 cm aralığında kaydedilmistir.
3. SONUÇLAR ve TARTISMA
3.1. Poli(etil akrilat)/hekzadekan Mikrokapsüllerinin Elektron Mikroskobu Analizi
Mikrokapsüllerin karakterize edilmesi isleminde elektron mikroskobunun yeri doldurulamayan bir
önemi bulunmaktadır. Elektron mikroskobu polimerik mikrokapsüllerin sadece görünümünün
izlenmesi için değil parçacık büyüklüğünün ve dağılımının da anlasılmasına yarar. Parçacık
büyüklüğünün bilinmesi üretilen mikrokapsüllerin istenilen uygulama için uygun olup olmadığına
karar verilmesi açısından gereklidir. Isıl konforun sağlanmasının akabinde elde edilen
mikrokapsüllerin büyüklükleri incelenerek ısı transfer katsayısı daha büyük olan daha küçük
tanecikli mikrokapsüllerin üretilebilmesi ihtimali değerlendirilebilir. Ya da eğer ısıl konfor yeterli
değil ise hedeflenen uygulama için daha yüksek tanecik büyüklüğüne sahip mikrokürelerin
üretilmesinin elverisli olup olmayacağına karar verilebilir. Parçacık dağılımının genis bir aralıkta
seyretmesi durumunda ise uygulanan mikrokapsüllerin madde kalitesine etkisi göz önünde
bulundurularak karıstırma hızı yeniden ayarlanabilir. Sekil 1, 2 ve 3’de sırasıyla MikroPEA 1,
MikroPEA 2 ve MikroPEA 3 mikrokapsüllerinin elektron mikroskobu görüntüleri verilmistir.
Bu çalısmada, emülsiyon polimerizasyonu yöntemi ile faz değistiren madde olarak hekzadekan
içeren, poli(etil akrilat) esaslı mikrokapsül üretimi üç farklı çapraz bağlayıcı varlığında 2000 d/d
karıstırma hızıyla ve triton X-100 yüzey aktif maddesi kullanılarak gerçeklestirilmistir. Üretilen
mikrokapsüllerin elektron mikroskobu ile yapılan analizi neticesinde mikro parçacıkların tekstilde
kullanılabilecek ölçekte düzgün dağılımlı olarak üretilebilmistir. Gerçeklestirilen DSC analizleri
üretilen mikrokapsüllerin özellikle etilen glikol dimetakrilat ve glisidil metakrilat çapraz
bağlayıcıları kullanılarak üretilenlerin yeterli derecede enerji depolama maddesini
hapsedebileceğini ortaya koymustur. Glisidil metakrilat çapraz bağlayıcısı içeren mikrokapsüllerin
enerji depolama maddesi hapsetme oranı etilen glikol dimetakrilat içeren mikrokapsüllerinkinden
daha fazladır. Poli(etil akrilat)/hekzadekan mikrokapsüllerin yapısal karakterizasyonu FT-IR
spektroskopisi yöntemi kullanılmak sureti ile aydınlatılmıs olup FT-IR spektrumları kısmen de olsa
hekzadekan içeriğini gösterir biçimde ortaya çıkmıstır.
Elde edilen bulgulara göre etilen glikol dimetakrilat ve glisidil metakrilat çapraz bağlayıcısı
kullanılarak üretilen kapsüllerin yüksek ısı depolama kapasitelerine sahip oldukları belirlenmistir.
Söz konusu iki mikrokapsülün boyut ve ısı depolama kapasitesi açısından tekstil ürünleri için
kullanımının uygun olabileceği sonucuna ulasılmıstır. Çalısmanın bundan sonraki asamasında söz
konusu mikrokapsüller farklı yöntemler ile lif ve kumaslara aplike edilerek ısı depolama özellikli
lif ve kumas üretim olanakları arastırılacaktır.
teknolojikarastirmalar.com
