Çukurova Ünİversİtesİ fen bİlİmlerİ …library.cu.edu.tr/tezler/8853.pdfŞekil 2.2. 70 c de...

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Nurten ŞAHAN

FAZ DEĞİŞTİREN MADDELERİN NANO MALZEMELERLE KULLANIMININ ARAŞTIRILMASI

KİMYA ANABİLİM DALI

ADANA, 2011


Nurten ŞAHAN



Bu Tez 12/01/2011Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir. ………………………….. ….………………………….. ….………………………….. Prof.Dr.Halime Ömür PAKSOY Prof.Dr.Hamide KAVAK Doç.Dr.Gülfeza KARDAŞ DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu Tez Enstitümüz Kimya Anabilim Dalında Hazırlanmıştır. Kod No

Prof. Dr.İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü Bu Çalışma Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından desteklenmiştir. Proje No :FEF2010YL17 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların

kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

FAZ DEĞİŞTİREN MADDELERİN NANO MALZEME İLE KULLANIMININ ARAŞTIRILMASI

I

ÖZ


FAZ DEĞİŞTİREN MADDELERLE NANO MALZEMENİN KULLANIMININ ARAŞTIRILMASI

Nurten ŞAHAN



Danışman :Prof. Dr. Halime Ömür PAKSOY Yıl: 2011, Sayfa: 55 Jüri :Prof. Dr. Halime Ömür PAKSOY :Prof.Dr.Hamide KAVAK :Doç.Dr. Gülfeza KARDAŞ Termal enerji depolama (TED) enerji sorununa alternatif çözümler sunmaktadır. Bu çalışmada TED’de kullanılan faz değiştiren maddelerin (FDM) termal özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla nano malzeme kullanımı araştırılmıştır. TED sistemlerinde, genellikle FDM olarak tercih edilen, parafinin nano kompozitleri hazırlanarak karakterizasyonu yapılmış ve termal özellikleri araştırılmıştır. Nano kompozit hazırlamada sol-jel tekniğiyle sentezlenen nano magnetit (Fe3O4) ve karbon nanotüp kullanılmıştır. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri nano magnetit partiküllerin boyutlarının 25-650 nm arasında, oleik asitle stabilizasyonu sonucunda ise 4-9 µm aralığında olduğunu göstermiştir. Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) analizleri parafinin gizli ısı depolama kapasitesine oranla karbon nanotüplü kompozitlerin depolama kapasitesinin %11,5 - %23 ve magnetit demir nano partiküllü kompozitin ise %1,7 kadar arttığını göstermiştir. Faz değişim aralıklarında ise önemli bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Isınma ve soğuma eğrileri ise FDM’nin ısıl iletkenliğinin nano malzeme kullanımıyla artırılabileceğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler: FDM,TED,Nano Magnetit,Karbon Nanotüp,Kompozit

II

ABSTRACT

MASTERS THESIS

INVESTIGATION USING PHASE CHANGE MATERIAL WITH NANO PARTICULES

Nurten ŞAHAN

ÇUKUROVA UNIVERSITY

INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF CHEMISTRY

Advisor :Prof. Dr. Halime Ömür PAKSOY Year: 2011, Pages: 55 Jury :Prof. Dr. Halime Ömür PAKSOY :Prof. Dr. Hamide KAVAK :Assoc. Prof. Dr. Gülfeza KARDAŞ

Thermal energy storage (TES) provides alternative solutions to the energy problem. In this study, using nano materials with the purpose of enhancing thermal properties of phase change materials (PCM) used for TES has been investigated. Nano composites of parafins, which are the mostly preferred PCMs in TES systems, are prepared, characterized and thermal properties has been determined. For preparing nano composites nano magnetit (Fe3O4) prepared with sol-gel method and carbon nano tubes has been used. Scanning Electronic Microscope (SEM) analysis has revealed that size of nano magnetit particules that has been in the range of 25-650 nm was increased to 4-9 µm after stabilization with oleic acid. According to Differential Scanning Calorimeter (DSC) results, latent heat storage capacity of paraffin has been increased by 11,5 – 23 % for PCM-carbon nanotube composites and by 1,7% for PCM-nano magnetit composite. No significant change in the phase intervals were observed. Heating and cooling curves showed that thermal conductivity of PCMs can be increased by using nano particles.

Key Words: PCM, TES, Magnetit Nano, Carbon Nanotube, Composite,

III

TEŞEKKÜR

Çalışmamın her aşamasında yardımlarını esirgemeyen, yapıcı ve

yönlendirici fikirleri ile bana daima yol gösteren danışman hocam Sayın Prof. Dr.

Halime Ömür PAKSOY’A sonsuz teşekkürler.

Yüksek lisans tez çalışmam sırasında bilgisinden yararlandığım Sayın

Prof. Dr. Hamide KAVAK hocama çok teşekkür ederim.

Tezim süresince bana destek veren hocam Dr. Bekir TURGUT’a ve Enerji

Laboratuarı grup arkadaşlarım Beyza BEYHAN, Sibel KURT, Dr. Özgül GÖK,

Selma YILMAZ ‘a teşekkürlerimi sunarım.

Tez çalışmam sırasında bana yardımcı olan arkadaşım Servet MENTEŞ’e

teşekkür ederim.

Komşumuz İyon Kromotografi Laboratuarı arkadaşlarıma teşekkür

ederim.

Tezime katkılarından dolayı Bayer Kimya A.Ş. ‘ ne çok teşekkürlerimi

sunarım.

Her zaman yanımda olan ve hep yanımda olmasını istediğim aileme

özellikle annem Yüksel ŞAHAN’a teşekkürlerimi sunarım.

IV

İÇİNDEKİLER SAYFA

ÖZ .............................................................................................................................I

ABSTRACT ............................................................................................................ II

TEŞEKKÜR ........................................................................................................... III

İÇİNDEKİLER ....................................................................................................... IV

ÇİZELGELER DİZİNİ ........................................................................................... VI

ŞEKİLLER DİZİNİ ...............................................................................................VII

1. GİRİŞ ................................................................................................................... 1

1.1.Termal Enerji Depolama Yöntemleri(TED)......................................................2

1.1.1.Duyulur Isı…….........................................................................................4

1.1.2.Gizli Isı…………………….......................................................................5

1.1.3.Termokimyasal Yöntemle Isı Depolama...................................................5

1.2.Faz Değiştiren Maddeler (FDM)………..…….................................................5

1.2.1.Faz Değiştiren Maddelerin kullanıma Hazırlanma Yöntemleri.................6

1.3.Nanoteknoloji…………………….....................................................................7

1.3.1. Nano Partikül Sentezleme Yöntemler…………...................................... 9

1.4.Çalışmamızın Amacı…………………………................................................10

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR ................................................................................... 11

3. MATERYAL VE METOD ................................................................................. 15

3.1. Materyal ...................................................................................................... 15

3.2. Metod ......................................................................................................... 18

3.2.1. Sol-Jel Yöntemiyle Nano Partikül Sentezleme ..................................... 18

3.2.2. Nano Partiküllerin Stabilize Edilmesi .................................................. 19

3.2.3. FDM-Nano Kompozit Hazırlanması .................................................... 20

3.2.4. Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) ............................................ 20

3.2.5. Veri Kaydetme Cihazı ......................................................................... 21

3.2.6.Su Banyosu .......................................................................................... 22

3.2.7. Fourier Dönüşümlü Spektrometri (FT-IR) ........................................... 23

3.2.8. Magnetik Süseptibilite Ölçümü ........................................................... 23

3.2.9. Taramalı Elektron Mikroskobu Cihazı (SEM) ..................................... 24

V

4. BULGULAR VE TARTIŞMA ........................................................................... 27

4.1. FDM-Nano Kompozitler ……………………………………………………27

4.1.1. Nano Partikül Sentezlenmesi ............................................................... 27

4.1.2. Nano Partiküllerin Stabilizasyonu ........................................................ 29

4.1.3. FDM-Nano Kompozit Hazırlanması .................................................... 30

4.2. Magnetit Nano Partiküllerin FTIR Analizi.................................................. 31

4.3. SEM Analizleri ........................................................................................... 33

4.3.1. Magnetit Nano Partiküllerinin SEM Analizleri .................................... 33

4.3.2. Stabilize Edilmiş Magnetit Nano Partiküllerin SEM Analizleri ............ 35

4.3.3. Parafin-Nano Kompozitlerinin SEM Analizleri ................................... 37

4.3.4. Parafin-Nanotüp Kompozitlerinin SEM Analizleri .............................. 37

4.4. DSC Analizleri ............................................................................................ 39

4.5. Isınma-Soğuma Eğrilerinin Belirlenmesi ..................................................... 42

4.6. Manyetik Süseptibilite Analizi..................................................................... 44

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ........................................................................... 47

KAYNAKLAR ....................................................................................................... 51

ÖZGEÇMİŞ ........................................................................................................... 55

VI

ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA

Çizelge 1.1. Enerji kaynaklarının dünya enerji talep payları.......................................2

Çizelge 1.2. Makro ölçekli teknolojiler ile nano ölçekli teknolojilerin

kıyaslanması.............................................................................................8

Çizelge 1.3. Nano ölçekli teknololijinin uygulamaları……........................................8

Çizelge 3.1. Perkin Elmer Diamond marka DSC cihazının teknik özellikleri...........21

Çizelge 4.1. Infrared kolerasyon tablosu………………….………………...………32

Çizelge 4.2.Numunelerin erime aralığı ve gizli ısı değerleri………………………..41

VIII

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA

Şekil 1.1. Dünyada enerji tüketim oranları ............................................................. 1

Şekil 1.2. Termal enerji depolamada kullanılan yöntemler ..................................... 3

Şekil 1.3. Yeraltında termal enerji depolama teknikleri .......................................... 4

Şekil 1.4. Genel nano partikül sentezleme yöntemleri ............................................ 9

Şekil 1.5. En çok bilinen nanopartikül üretim yöntemleri ..................................... 10

Şekil 2.1. Çok duvarlı karbon nanotüplerin bilyeli öğütme işlemi öncesi sonrası

görüntüleri ............................................................................................ 12

Şekil 2.2. 70 C de 96 saat fırında kaldıktan sonra SEM görüntüleri ..................... 12

Şekil 2.3. 130 0C de 50 dakika kaldıktan sonra gümüş nanopartikül içeren

kompozitin(a) ve gümüş partikül içermeyen yapının (b) yüzey analizi...14

Şekil 3.1. a) Normal parafinik hidrokarbonlar b) İzo-parafinik hidrokarbonlar ..... 16

Şekil 3.2. Parafinlerin erime noktasının karbon sayısına göre değişimi ................. 16

Şekil 3.3. Çok duvarlı karbon nanotüp yapısı ....................................................... 17

Şekil 3.4. Bayer baytubes TEM görüntüleri .......................................................... 17

Şekil 3.5. Magnetit (Fe2O3) nano partikül hazırlama yönteminin akış şeması ....... 18

Şekil 3.6. Perkin Elmer Diamond marka DSC ………….…...................................21

Şekil 3.7. CR10X Campbell Scientific veri kaydetme cihazı ................................ 22

Şekil 3.8. Huber CC3 marka su banyosu .............................................................. 22

Şekil 3.9. Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) Jeol JSM-5500LV .................... 24

Şekil 3.10. SEM için hazırlanan numune örnekleri ................................................. 25

Şekil 3.11. SEM de görüntü almak için hazırlanan numunelerin örnek kapsülüne

yerleşimi .............................................................................................. 25

Şekil 4.1. a)Demir tuzlarının çözeltileri b)Çözeltilerin karıştırılması

c)NaOH eklenerek partikül oluşumunun gözlemlenmesi d)Siyah

renkte magnetit nano partiküllerinin oluşumu…………………………..28

Şekil 4.2. Sentezlenen magnetit demir nano partiküllerin mıknatıs ile

çöktürülmesi ......................................................................................... 29

IX

Şekil 4.3. a)Magnetit nanopartüküllerin oleik asit ile stabilizasyon

mekanizması b) Oleik asit karboksilik grubunun nano partikül

yüzeyine tutunmasının gösterimi .......................................................... 30

Şekil 4.4. FDM-nano kompozit örnekleri a) FDM magnetit nano kompozit

b) FDM karbon nanotüp kompozit örnekleri.............................................31

Şekil 4.5. Sentezlenen magnetit nano partikül FTIR spektrumu ............................ 32

Şekil 4.6. 1000 kat oranında büyütülmüş magnetit nano örneği ............................ 34

Şekil 4.7. 500 kat oranında büyütülmüş magnetit nano örneği .............................. 34

Şekil 4.8. 50 kat oranında büyütülmüş magnetit nano örneği ................................ 35

Şekil 4.9. Oleik asit ile stabilize edilmiş magnetit nano örneği ............................. 36

Şekil 4.10. Oleik asit ile stabilize edilmiş magnetit nano örneği ............................. 36

Şekil 4.11. Stabilize edilmiş nano magnetit - parafin kompoziti ............................. 37

Şekil 4.12. Karbon nanotüp SEM görüntüsü ........................................................... 38

Şekil 4.13. Karbon nanotüp- parafin kompoziti ...................................................... 38

Şekil 4.14. Parafinin DSC analizi ........................................................................... 39

Şekil 4.15. Parafin magnetit nano kompoziti .......................................................... 40

Şekil 4.16. Parafin karbon nanotüp (C-150-P) kompoziti ....................................... 40

Şekil 4.17. Parafin-karbon nanotüp (C150-HP) kompoziti ...................................... 41

Şekil 4.18. Isınma eğrileri. demir: magnetit nano-parafin kompoziti, cp: parafin

nanotip (C150-P)- kompoziti ................................................................ 42

Şekil 4.19. Soğuma eğrileri. demir: magnetit nano-parafin kompoziti, cp: parafin

nanotip (C150-P)- kompoziti ................................................................ 43

Şekil 4.20. Fe+4 ün elektron dizilimi ....................................................................... 44

1. GİRİŞ Nurten ŞAHAN

1

1. GİRİŞ

Dünyada enerji talebi artan nüfus ve sanayileşme oranı ile artarken bu duruma

bağlı olarak fosil kökenli (kömür, petrol, doğalgaz, vb.) enerji kaynakları hızla

azalmaktadır (Şekil1.1).

5 6 3

4 6 2

6 9 56 5 26 0 85 1 3

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

2 0 0 5 2 0 1 0 2 0 1 5 2 0 2 0 2 0 2 5 2 0 3 0

y ı l l a r

katr

ilyon

Btu

Şekil.1.1.Dünyada enerji tüketim oranları (2005-2030) (International Energy Outlook

2008, http://www.eia.doe.gov)

Petrol ve kömüre dayalı birincil enerji kaynaklarının tüketimi, dünyanın doğal

kaynaklarının üçte birini, ormanların %12'sini, okyanuslardaki biyolojik çeşitliliğin

üçte birini; tatlı sulardakinin ise %50’sini yok etmiştir. Bu enerji kaynaklarının bir

diğer dezavantajı da yenilenemez olmalarıdır (Kum., 2009). Ayrıca fosil yakıtların

yanması sonucu ortaya çıkan CO2 ve diğer gazlar çevre kirliliğinin yanı sıra

oluşturdukları sera etkisi sonucu küresel ısınma ve iklim değişikliklerine yol

açmaktadır. Bu nedenle günümüzde enerji tasarrufu, yenilenebilir enerji (güneş,

rüzgâr, hidrolik, jeotermal, dalga vb.) ve termal enerji depolamanın önemi artmıştır.

Çizelge1.1’e göre; 1973 yılında %0,1 olan yenilenebilir enerji kaynaklarının dünya

toplam enerji arzı içindeki payı 2008 yılında %2,1’e yükselmiştir. Bu yükselişin

devam ederek 2030 yılında %11,8’e ulaşacağı öngörülmektedir.

http://www.eia.doe.gov)


2

Çizelge.1.1.Enerji kaynaklarının dünya enerji talep payları (1973-2030)

Enerji kaynakları (OECD) (Ekonomik kalkınma ve İşbirliği Ajansı)

1973(%)

2008(%)

2030(%)tahmi

ni Değerler

Petrol 52.5 37.3 30.0 Kömür 22.6 20.9 16.6 Gaz 19.0 23.7 20.5 Nükleer 1.3 10.9 9.5 Hidro 2.1 2.0 3.9 Yenilenebilir enerji kaynakları

2.5 5.2 19.5

Enerji kaynakları (Dünya)

Petrol 48.1 34.3 30.1 Kömür 28.5 32.6 28.8 Gaz 19.6 22.9 21.6 Nükleer 1.9 5.9 5.3 Hidro 1.8 2.2 2.4 Yenilenebilir enerji kaynakları

0.1 2.1 11.8

Kaynak:IEA,The International Energy Agency;(2009),Global Renewable Energy

Policies and Measures 2009,İnternet Adresi: http://www.iea.org/textbase/pm/grindex.aspx, Erişim tarihi:11.10.2009

Termal enerji depolama yöntemleri ise ülkemizde henüz tam anlamıyla

bilinmemektedir ancak bu yöntemden yararlanılan çalışmalar vardır.

1.1.Termal Enerji Depolama Yöntemleri (TED)

Termal enerji maddenin sahip olduğu iç enerjinin toplamıdır. Termal

enerjinin iletimi sıcaklık farkından kaynaklanan ısı akışıyla olur. Termal enerji

depolama ise herhangi bir sistemden kontrol dışı açığa çıkan enerjinin veya sistemde

kullanılmadan kalan enerjinin birbirinden farklı yöntemler kullanılarak

depolanmasını ve ihtiyaç halinde bu depolanan enerjinin tüketilmesini sağlamaktadır.

Termal enerji depolama ısıtma ve soğutmada kullanılabilmektedir.

http://www.iea.org


3

Termal enerji depolama, depolama süresine bağlı olarak;

1-Kısa süreli depolama: 24 saatten az süreli

2-Uzun süreli depolama: günlük-haftalık

3-Mevsimlik depolama: mevsimler arası depolama olmak üzere üçe ayrılır.

Termal enerji depolama, depolama yöntemine bağlı olarak;

1.Duyulur ısı

2.Gizli ısı

3.Termokimyasal ısı olmak üzere üç yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemler Şekil 1.2

de sınıflandırılmıştır.

Şekil.1.2.Termal enerji depolamada kullanılan yöntemler (Drück,2008)

Termal enerji depolamanın avantajları; (Mazman,2006)

1.Yenilenebilir enerji kaynaklarının sürekliliğinin sağlar.

2.Elektrik enerjisinin ucuz olduğu saatlerde enerjinin depolanarak pahalı olduğu

saatlerde kullanılması sağlar.

3.Enerji verimliliğini artırarak elektrik enerjisi tüketiminin azaltılarak şebekeye

destek olur.

4.Kojenerasyon santraller daha verimli çalışır.

5.Elektronik cihazların güvenliğini ve daha uzun ömürlü olmasını sağlar.


4

1.1.1.Duyulur Isı

Depolama materyalinin sıcaklığının değişimi; materyalin kinetik enerjisini

değiştirir. Bu değişimden yararlanılarak yapılan depolamaya duyulur ısı yöntemi

denir. Depolama materyali hal değiştirme gibi fiziksel bir değişime ve reaksiyon gibi

kimyasal bir değişime uğramadığı için çok sayıda depolama ve geri kazanma

çevriminde kullanılabilmektedir. Duyulur ısı yönteminde ısı deposu hacmi büyüktür.

Bu nedenle mevsimlik yeraltı depolama sistemlerinde bu yöntem kullanılır.

Depolanma yeri ve sistemine göre üç farklı yeraltı termal enerji depolama yöntemi

vardır (Şekil 1.3).

1.Akifer termal enerji depolama (ATES)

2.Kanallarda veya Kuyularda termal enerji depolamak (BTES)

3.Çukur veya Tanklarda termal enerji depolama (CTES)

Şekil1.3.Yeraltında termal enerji depolama teknikler (Andersson ve ark. , 2003)


5

1.1.2.Gizli Isı

Maddenin hal değiştirmesi sırasında alınan veya salınan ısıya gizli ısı denir.

Gizli ısı maddenin moleküller arası çekime bağlı olarak değişen bir parametredir. Hal

değişim sırasında düzensizliğe gidiş yönünde (erime, kaynama gibi) sistemden enerji

alırken düzensizliğin azaldığı yönde (donma, yoğunlaşma gibi) ısı verir. Gizli ısı

yönteminde faz değiştiren maddeler depolamada kullanılır. Faz değişimi sırasında saf

maddelerin sıcaklıkları sabit kalırken karışımların değişmektedir. Bu yöntemde depo

hacmi duyulur ısı yöntemine göre daha küçüktür ve gizli ısı yönteminde termal enerji

depolama kapasitesi yüksektir.

1.1.3.Termokimyasal Yöntemle Isı Depolama

Termokimyasal yöntemle ısı depolama kimyasal reaksiyon sonucu alınan

veya salınan ısının depolanması ile yapılan depolamadır. Burada kullanılan

termokimyasal tepkimelerin tersinir olması istenir. Isı endotermik yönde depolanır ve

ekzotermik yönde geri kazanılır.

1.2.Faz Değiştiren Maddeler (FDM)

Faz değiştiren maddeler gizli ısı depolamada kullanılır. Faz değiştiren

maddelerde aranan özellikler şunlardır.

1.Birim hacim ve kütlede ısı depolama kapasitesi yüksek olmalı

2.İstenilen çalışma sıcaklığında faz degistirmeli

3.Depolanan ısının tamamı geri kazanılabilmeli

4.Termal iletkenliği yüksek olmalı

5.Termal kararlılığı yüksek olmalı

6.Kolay depolanarak sisteme aktarılmalı

7.Ucuz olmalı

8.Korozif, toksik ve çevreye zararlı olmamalı

9.Aşırı soğuma ve faz ayrışması olmamalı


6

Başlıca kullanılan faz değiştiren maddeler;

ü Parafinler

ü Yağ asitleri,

ü Anorganik tuz hidratları

ü Ötektik karışımlar (Abhat,1983)

Parafinler: Ham petrolden elde edilmiş alkan türevleridir. Toksik, korozif

değildirler. Ucuzdurlar, yüksek yoğunluğa sahip olduğu için kolay depolanabilirler

ancak kimyasal yapısı iyonik olmadığı için termal iletkenlikleri çok düşüktür.

Yağ asitleri: CH3(CH2)2nCOOH genel formülüne sahip bitkisel ve hayvansal kökenli

yağ asitleridir.

Anorganik tuz hidratları: Depolama kapasiteleri yüksek maddelerdir. Kimyasal

yapıları iyonik olduğundan termal iletkenlikleri oldukça iyidir ancak korozif

maddelerdir.

Ötektik Karışımlar: Sabit erime ve donma noktalarına sahip organik ve inorganik

maddelerin karışımlarına ötektik karışım denir (Lane, 1983).

1.2.1.Faz Değiştiren Maddelerin Kullanıma Hazırlanma Yöntemleri

Faz değiştiren maddelerin ısıtma ve soğutma sistemlerinde enerji tasarrufu

amacıyla kullanılabilmesi için uygulanabilir hale getirilmesi FDM lerin

geliştirilmesinde önemli bir aşamadır. Bazı durumlarda depolama sisteminin hacim,

geometri ve ısıl özellikleri nedeniyle FDM nin doğrudan kullanımı uygun

olmamaktadır. Bu nedenle FDMler boyutlarına göre aşağıdaki formlarda

hazırlanabilmektedir:

ü Makro-Kompozit

ü Mikrokapsül

ü Nano-kompozit

1.3.Nanoteknoloji


7

Nano bir ölçü birimidir ve metrenin milyarda birini ifade eder. Nanoteknoloji,

nanometre ölçeğinde fiziksel, kimyasal ve biyolojik olayların anlaşılması, kontrolü

ile bu boyutlarda fonksiyonel malzemelerin, araçların ve sistemlerin geliştirilmesi ve

üretimidir.

Maddenin boyutu atomal boyuta yani nano boyuta yaklaştıkça bazı özellikleri

değişmekte ve yeni özellik kazanmaktadır. Bu özelliklerden bazıları şunlardır

(www.nanoteknolojisi.com):

ü Sınırlanmış tane büyüklüğüne bağlı olarak, materyaller optik ve yarı iletken

özelliklere sahip olurlar.

ü Geniş yüzey/hacim oranına sahip olması nanomateryallerin magnetik özelliğini

etkiler ve bu özellikten bilgi depolama sistemlerinde yararlanılır.

ü Geniş yüzey alanı ve aktif merkezleri yüzeyinde bulundurması nano materyallerin

katalitik özellikte olmasını sağlar.

Nano boyutlarına inildiğinde artan yüzey alanı/hacim oranı maddeyi çok daha

aktif yaparak çevredeki diğer atom ve moleküllerle farklı etkileşimlerine neden olur.

Nano boyuta gidildikçe elde edilen farklı özellikler farklı alanlarda uygulanma

imkanı sağlamaktadır. Çizelge 1.2 de makro ölçekli teknolojiler ile nano ölçekli

teknolojiler karşılaştırılmaktadır. Çizelge 1.3 de ise nano ölçekli teknoloji

uygulamaları verilmektedir. Enerji alanında nano teknoloji kullanımı yenilenebilir

ve temiz teknolojilerin verimliliği açısından yeni açılımlar yaratmaktadır.

http://www.nanoteknolojisi.com)


8

Çizelge.1.2.Makro ölçekli teknolojiler ile nano ölçekli teknolojilerin kıyaslanması (Bachman, G. 1994 ve Luther, W. 2004)

Makro-ölçekli Teknolojiler Nano-Ölçekli Teknolojiler

Klasik Sürekli Fizik Kuantum Fiziği

Katı Faz Özellikleri Bağlama Özellikleri

Egemen Kütlesel Özellikler Egemen Yüzeysel Özellikler

Geleneksel Malzemeler Karışımlar Yeni Bileşikler ve Karışımlar

Klasik Yukarıdan-Aşağıya Yaklaşımı Kendiliğinden Düzenlenerek Birleşme

İstatistiki Topluluklar Tek Tek Parçacıklar

Elverişli Yüksek Enerji Aralıkları Termal Dalgalanma Enerji Aralıkları

Orta Derecede Alan Kuvveti Aşırı Derecede Yüksek Alan Kuvveti

Çizelge.1.3.Nano ölçekli teknololijinin uygulamaları (Rittner 2002 ve Luther, W.

2004 Elektonik,Optoelektronik Ve manyetik Uygulamalar

Biyomedikal, İlaç ve Kozmetik Uygulamalar

Enerji, Katalizör ve Yapısal Uygulamalar

• Kimyasal-mekanik cilalama • Anti-mikrobiyeller • Otomotiv katalizörü

• Elektro-iletken kaplamalar • Biyo-geciktirme ve imleme

• Seramik membranlar

• Manyetik akışkan contalar • MRG10 kontrast ajanları

• Yakıt pilleri

• Çoklu-tabakalı seramik kondansatörler

• Ortopedi ve implantlar • Foto katalizör

• Optik fiberler • Koruyucu güneş kremleri

• Propellantlar

• Fosforlar • Termal sprey kaplamalar

• Çizilmeye dayanıklı kaplamalar

• Kuantum optik aygıtlar • Yapısal seramikler • Güneş pilleri


9

1.3.1.Nano Partikül Sentezleme Yöntemleri

Nano partikül üretim yöntemleri temelde iki ayrı ana grup altında

incelenmektedir (Şekil 1.4). Yukardan aşağı olan yöntemde malzemeye dışardan

mekanik veya kimyasal işlemler ile enerji verilerek malzemenin boyutu nano düzeye

getirilir.

Şekil.1.4.Genel nano partikül sentezleme yöntemleri

Örnek olarak mekanik öğütme ve aşındırma yöntemleri verilebilir. Aşağıdan

yukarı olan yöntemde ise molekül veya atomal büyüklükteki yapıya sahip maddenin

kimyasal reaksiyonlar sonucu nano boyuta büyütülmesi ile olur. Kimyasal buhar

kaplama, sol-jel ve sprey piroliz yöntemeri en çok bilinen yöntemleridir. Şekil 1.5 te

en çok kullanılan nanopartikül üretim yöntemleri verilmiştir. Bu üretim

yöntemlerinden en çok kullanılan yöntem yaklaşık %35 oranıyla bu çalışmada da

kullanılan sol-jel yöntemidir.


10

Şekil.1.5.En çok bilinen nanopartikül üretim yöntemleri (Willems ve Van der

Willenberg, 2005)

1.4. Çalışmanın Amacı

Özellikle atık ısı geri kazanım uygulamalarında organik FDM’ler toksik ve

korozif olmamaları ve kolay bulunabilme gibi üstünlükleri nedeniyle tercih

edilmektedir. Ancak düşük ısıl iletkenlikleri ve depolama kapasiteleri uygulamada

sorunlar yaratmaktadır. Bu çalışmanın amacı organik FDM’lerin termal özelliklerinin

geliştirilmesi için FDM ile nano malzeme kullanımının araştırılmasıdır. Bu amaçla

sol-jel yöntemiyle nano malzeme hazırlanması, FDM-nano kompozit hazırlama

yönteminin geliştirilmesi ve hazırlanacak FDM-nano kompozitlerin termal

özelliklerinin belirlenmesi gerçekleştirilecektir.

3.MATERYAL VE METOD Nurten ŞAHAN

15

3. MATERYAL VE METOD

3. 1. Materyal

Bu çalışmada faz değiştiren madde olarak parafin, demir nano partikül

sentezleme için ve faz değiştiren madde ile kompozit hazırlanması içim gerekli

kimyasallar kullanılmıştır. Ayrıca karbon nanotüp-parafin kompozitleri de

hazırlanmıştır.

Nano partikül sentezleme için gerekli kimyasallar:

ü HCl (%36,5-38-Merck)

ü NH4OH (%28-30-Merck)

ü FeCl3.6H2O (Sigma Aldrich)

ü FeCl2.4H2O (Sigma Aldrich)

ü De-iyonize su

FDM-nano kompozit hazırlamak için gerekli kimyasallar:

ü Parafin (Merck erime aralığı 56-58 °C)

ü Beta oleik asit (Merck)

ü Diklorometan (Merck)

ü Karbon nanotüp (C 150 P –BAYER,C 150 HP-BAYER)

Parafinler: Petrol türevi olan parafinler genel olarak CnH2n+1 şeklinde

gösterilirler. Parafin mumlarındaki alkan içeriği genelde %75’den fazladır.

Parafinler alkan zincirinin şekline bağlı olarak n-parafin veya izo-parafin şeklinde

olabilir (Şekil 3.1 a-b). C15H32 ve C5H12 arasındaki bileşikler sıvıdır. 15’den fazla

karbon atomu bulunan bileşikler oda sıcaklığında mum gibi katı durumdadır.

Alkanların erime noktası karbon sayısının artmasıyla artar. Karbon atomu sayısı

14-40 arasında olan alkanların ergime noktası, 6°C - 80°C iken ticari parafinlerin

karbon atomu sayısı 8-15 arasında olabilir. Bunların ergime ısıları ve ergime

noktaları molekül ağırlıklarıyla artar (Şekil 3.2). Böylece C14H30’dan C40H82’ye

kadar olan seri içindeki bileşiklerden birinin seçilmesiyle 6ºC ’den 80ºC’ ye kadar

değişen ergime sıcaklığında ısı depolama için uygun parafin seçilebilir. Karbon


16

sayısı çift olan parafinler ucuz, bol ve kimyasal olarak kararlı olduklarından ısı

depolama için tercih edilirler (Mazman,2006).

Şekil 3.1. a) Normal parafinik hidrokarbonlar b) İzo-parafinik hidrokarbonlar

Şekil 3.2. Parafinlerin erime noktasının karbon sayısına göre değişimi

(www.rubitherm.com)

Karbon Nanotüpler: Silindirlerden oluşan fulleren tipi yapılar olup çelikten 10

kat daha güçlü ve 6 kat daha hafiftir. Nanotüpler 1200 °C bir fırında karbonun

lazer buharlaştırılması sonucu elde edilir. Kobalt-nikel katalizörü, nanotüplerin

oluşumunda kullanılır. Uzun ince silindirik yapılı karbon nanotüpler 1991 yılında

S.Lijima tarafından keşfedildi. Tabaka halindeki grafitin yuvarlanarak silindir

şekline dönüştürülmesi düşünülerek elde edilen farklı karbon nanotüp

yapılarından çok duvarlı tipi Şekil 3.3 de gösterilmiştir.

http://www.rubitherm.com)


17

Şekil 3.3. Çok duvarlı karbon nanotüp yapısı

(http://www.teknoloji.kuark.org/2009/05/17/nanotupler/)

Bu çalışmada Bayer firmasından temin edilen Baytubes (C-150-P, C-150-

HP), çok duvarlı karbon nanotüp aglomerası olup düşük çap, dar çap dağılımı ve

ultra yüksek çap uzunluk oranına sahiptir. Mükemmel çekme dayanımının yanı

sıra üstün ısıl ve elektriksel iletkenlikleri vardır. Baytubes TEM görüntüleri Şekil

3.4. de gösterilmiştir (www.baytubes.com).

Şekil 3.4. Bayer baytubes TEM görüntüleri (www.baytubes.com)

http://www.teknoloji.kuark.org/2009/05/17/nanotupler/)

http://www.baytubes.com

http://www.baytubes.com)


18

3.2. Metod

3.2.1. Sol-Jel Yöntemiyle Nano Partikül Sentezleme

Sol-jel yöntemi bir sıvı faz içinde bulunan katı taneciklerden oluşan

kolloidal süspansiyonların (sol) ve sonrasında sürekli bir sıvı faz içerisinde üç

boyutlu katı inorganik ağ yapılarının (jel) oluşmasını içerir. Burada, kolloidal

boyuttaki kristal olmayan tanecikler kullanılarak sulu veya susuz bir ortamda

metal oksitlerin kararlı çözeltilerinin hazırlanır (www.cheric.org).

Bu çalışmada kullanılan Asmatulu ve ark. (2005) tarafından önerilen

magnetit (Fe3O4) nano partikül hazırlama sol-jel yöntemine dayanmaktadır.

Burada kullanılan işlemlerin akış şeması Şekil 3.5 de gösterilmiştir.

Şekil 3.5. Magnetit (Fe3O4) nano partikül hazırlama yönteminin akış şeması

Bu yöntemde kullanılan işlem basamakları şunlardır:

1. 50 mL 2 M HCl ve 55 mL 5M NH4OH çözeltileri 100 mL beher

içerisinde mikropipet kullanarak hazırlanır.

http://www.cheric.org)


19

2. 2 g FeCl3.6H2O 40 mL 2 M HCl içerisinde ve 1,25 g FeCl2.4H2O 10 mL 2 M

HCl içerisinde ayrı ayrı çözülür.

3. Bu iki çözelti 125 mL erlen içerisinde magnetik karıştırıcıda 1200 rpm de 15

dak karıştırılır.

4. 55 mL NH4OH çözeltisi damla damla 5 dakika içerisinde eklenmesiyle çökelme

başlar ve çözeltinin rengi magnetitin karakteristik rengi olan siyaha dönüşür.

5. 1200 rpm de 5 dakika beklenir ve Nd mıknatısı kullanarak manyetik partiküller

çökeltilir. Beher içerisindeki karıştırıcı manyetik partiküller tamamen çökene

kadar tutulur.

İkinci basamaktan itibaren partiküllerin oksitlenmemesi için deney

düzeneği azot ortamında “glove box” içinde gerçekleştirilir. FeCl3.6H2O ve

FeCl2.4H2O tuzlarının 1:2 oranında karıştırılması prensibine dayalı bu yöntemde

aşağıdaki tepkime sonucunda magnetit (Fe3O4) oluşur.

Fe2+ + 2Fe3+ +8OH- Fe3O4 + 4H2O

3.2.2. Nano Partiküllerin Stabilize Edilmesi

Nanopartiküllerin, oksitlenmemesi ve birbirlerine yapışmaması için

stabilize edilmesi gerekmektedir. Oleik asit (C18H34O2) magnetit nano

partiküllerin stabilizasyonunda kullanılan en iyi moleküllerden biridir

(Paraphilippou ve ark., 2011).

Stabilizasyonun birinci aşamasında nanopartiküller sentezlendikten sonra

5 M NH4OH ile pH 9,5 e ayarlanır. Oleik asit miktarının stabilizasyon üzerindeki

etkisini araştırmak için hacimce farklı oranlarda oleik asit-diklorometan (%1 ve

%5) stabilizasyon çözeltileri hazırlanarak iki ayrı demir nano partikül

numunesinin üzerine ayrı ayrı şırıngayla azot ortamında eklenir. Manyetik

karıştırıcı ile karıştırma işlemi yaklaşık 1 saat devam ettirilir. Çözeltinin hidrolize

olmasını önlemek için pH 7 ye 1 M HCl ile ayarlanır. Bu pH araralığında

magnetit yüzeyinde hem katyonik hem de anyonik yükler bulunur (Raghed ve

Riffle, 2008). Böylece oleik asidin eksi yüklü karboksilik grubu magnetit

yüzeyinde katyonik bölgelere tutunarak stabilizasyonu sağlar. Bu aşamada çözelti

organik ve sulu faza ayrılır. Hidrofobik oleik asitle stabilize edilen magnetit nano


20

partiküller organik fazda kalır. Üste kalan sulu faz süzülerek uzaklaştırılır.

Organik faz de-iyonize su ile yıkanarak artık tuzlardan arındırılır (Asmatulu ve

ark.,2005). Stabilize edilen örnekler 80 oC de etüvde 1 gün boyunca

kurutulmuştur.

3.2.3. FDM-Nano Kompozit Hazırlanması

FDM olarak parafin kullanılarak aşağıdaki nano malzemelerle kompozit

hazırlanmıştır.

− Oleik asitle stabilize edilen magnetit nanopartiküller (kütlece % 10)

− Karbon nanotüp C-150-P (kütlece %1)

− Karbon nanotüp C-150-HP (kütlece %10 )

Kompozit hazırlarken, önce parafin ısıtılarak etitilir, daha sonra nano

partiküllerin parafin içinde düzgün dağılımını sağlamak için vorteks cihazı ile

1000 rpm de parafin donana kadar yaklaşık 5 dakika boyunca karıştırılır.

3.2.4. Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC)

Difaransiyel taramalı kalorimetri cihazı termal analizde kullanılan

termoanalitik bir yöntemdir. Numune ve referans deney süresince aynı sıcaklıkta

tutulmaya çalışılır.

Bu tekniğin altında yatan temel prensip; numunede faz değiştirme gibi

fiziksel bir dönüşüm meydana geliyorsa referansla aynı sıcaklıkta tutabilmek için

numuneden daha az veya daha çok ısı akışı olacaktır. Daha az veya daha çok ısı

akışı işlemin endotermik veya ekzotermik olmasına göre değişir. Örneğin katı bir

numune eriyip sıvı hale geçiyorsa referansla aynı oranda sıcaklık artışına sahip

olması için numuneden daha fazla ısı akışı gerçekleştirilmelidir. Numune ve

referans arasındaki ısı akış değişimi kontrol edilerek DSC yöntemi ile hal

değişimi sırasında yayılan veya emilen ısı miktarı ölçülebilir.


21

DSC deneylerinden ısı akışının zamana veya sıcaklığa göre çizilen

termogramı elde edilir. Bu termogram altında kalan alandan da hal değişim

entalpisi hesaplanır(www.turksan.com.tr).

Şekil 3.6 de deneylerde kullanılan Perkin Elmer Diamond marka DSC

cihazı gösterilmiştir. Bu cihazın teknik özellikleri Çizelge 3.1 de verilmiştir.

Şekil.3.6.Perkin Elmer Diamond marka DSC

Çizelge.3.1.Perkin Elmer Diamond marka DSC cihazının teknik özellikleri

Sıcaklık Aralığı -170 0C ile 730 0C Sıcaklık Doğruluğu ±0,1 0C Sıcaklık Çözünürlüğü ±0,01 0C Tarama Hızı 0,01 0C/dak ile 500 0C/dak Kalorimetre Doğruluğu < ± % 1 Kalorimetre Çözünürlüğü < ± % 0,1 Kalorimetre Duyarlılığı 0,2 m W Dinamik Aralık 0,2 mW ile 800 mW Eş Sıcaklık Kayması (10 dak.) -150/100 0C <15 mW < 10mW Numune miktarı Maksimum 30mg

3.2.5. Veri Kaydetme Cihazı

Isıl çiftler aracılığıyla ölçülen sıcaklık verilerinin programlanabilen zaman

aralıklarında CR10X Campbell Scientific marka veri kaydetme cihazı ile

FDM’lerin ısınma soğuma eğrileri oluşturulmuştur. Standart çalışma sıcaklığı

http://www.turksan.com.tr)


22

–25º ile +50 º C arasındadır. Aşırı sartlarda CR10X -55º ve +80º C aralıgında test

edilmiş ve garanti edilmiştir. Şekil 3.7’de görülen bu cihaz ölçüm, kontrol modülü

ve takıp çıkarılabilen kablo panelinden oluşmaktadır.

Şekil 3.7.CR10X Campbell Scientific veri kaydetme cihazı

3.2.6. Su Banyosu

Huber marka CC3 su banyosunun çalışma aralığı –30°C ile +200°C

arasındadır. İki farklı sıcaklık değeri arasında belirlenen zaman aralıkları içinde

kendiliğinden birinci zaman periyodunda ısıtma ve ikinci zaman periyodunda

soğutma yapabilmekte bu döngü sistem kapatılıncaya kadar tekrar edebilmektedir.

Banyo on farklı ısıtma/soğutma programını kaydedebilmekte, çalışma koşullarına

göre istenilen program aktif hale getirilebilmektedir. Program silme ve yeni

program yazma olanağı vardır (Şekil 3.8).

Şekil 3.8.Huber CC3 marka su banyosu


23

3.2.7. Fourier Dönüşümlü Spektrometre (FTIR)

Perkin Elmer marka RX-1,KBr disk, 4000-400cm-1cihazı kullanılarak

sentez sonrası oluşan magnetit demir nano partikülün yapısı incelenmiştir. Analiz

için örnekler KBr ile 1:100 oranında karıştırılmıştır. Özel bir kalıp içerisinde 10

ton basınç altında çok ince bir film haline getirilip alete yerleştirilip sisteme bağlı

bilgisayar yardımı ile IR analizleri elde edilmiştir.

3.2.8.Magnetik Süseptibilite Ölçümü

Bu çalışmada nano magnetitin manyetik duyarlılığı (süseptibilitesi)

Sherwood Scientific marka Mk1 model manyetik süseptibilite cihazı ile

ölçülmüştür. Molar manyetik duyarlılık değeri Eşitlik (3.1) ve Eşitlik (3.2)

kullanılarak hesaplanmıştır. Manyetik moment ise Eşitlik (3.3) yardımıyla

bulunmuştur.

(3.1)

XM = Xg ×MA (3.2)

Burada Xg (emu/g) gram süseptibilite birimi, c kalibrasyon sabiti, L(cm)

tüp içerisindeki maddenin boyu, Ro boş tüpün ölçüm değeri, R numunenin ölçüm

değeri, m(g) numunenin ağırlığı, XM (emu/mol) molar süseptibilite ve MA(g/mol)

numunenin molekül ağırlığı göstermektedir.

µ=2.84 ( XM ×T)1/2 (3.3)

Burada µ (emu) manyetik moment, T sıcaklık(oK) ve XM (emu/mol)

molar süseptibilite değerini göstermektedir.


24

3.2.9.Taramalı Elektron Mikroskopu Cihazı (SEM)

Taramalı elektron mikroskobunda görüntü, yüksek voltaj ile hızlandırılmış

elektronların numune üzerine odaklanması, bu elektron demetinin numune

yüzeyinde taratılması sırasında elektron ve numune atomları arasında oluşan

çeşitli girişimler sonucunda meydana gelen etkilerin uygun algılayıcılarda

toplanması ve sinyal güçlendiricilerden geçirildikten sonra bir katot ışınları

tüpünün ekranına aktarılmasıyla elde edilir. Şekil 3.9 de Mustafa Kemal

Üniversitesi bünyesi bulunan bu çalışmada yapılan analizlerde kullanılan SEM

cihazı görülmektedir.

Şekil 3.9.Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) Jeol JSM-5500LV

Örnek tozlar 1 cm'lik numune kapları üzerine siyah çift taraflı

yapışkan band üzerine yapışmaları sağlanarak hazırlanmıştır (Şekil 3.10).

Cihazda görüntü almak için numulerin örnek kablarına yerleşimi Şekil 3.11 de

gösterilmiştir.


25

Şekil 3.10.SEM için hazırlanan numune örnekleri

Şekil.3.11. SEM de görüntü almak için hazırlanan numunelerin örnek kapsülüne

yerleşimi


26

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Nurten ŞAHAN

11

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR

Manyetik demir nano partikül ile parafin kullanıldığı mikrokapsüller

polimerizasyon tekniğiyle hazırlanmıştır. SEM, DSC, VSM, ICP cihazları

kullanılarak termal özellikleri, yüzey morfolojisi, manyetik özellikleri araştırılmıştır.

Sıradan mikrokapsüllerle kıyaslandığında manyetik-mikrokapsüllerin yüzey

yapısının daha büyük yapıda olduğu gözlemlenmiştir. Deneysel veriler manyetik-

mikrokapsüllerin geniş ısı depolama kapasitesinin (132,13 j/g) olduğunu ve faz

değişim sıcaklığının saf parafininki ile benzer olduğunu göstermiştir. Manyetik

doymanın da artan demir nano partikül oranı ile artığı gözlemlenmiştir (Yong ve

ark.,2009).

Çok duvarlı karbon nanotüpler bilyeli öğütme işlemine tabi tutularak

duvarları daha kullanışlı hale getirilmiş ve parafin mumu içerisine eklenerek

homojenize hale gelinceye kadar karıştırılmıştır. Bilyeli öğütme işlemi öncesi ve

sonrasında SEM görüntüleri Şekil 2.1’de gösterilmiştir. Oluşan kompozitler 70 oC de

96 saat bekletilmiş sonra kompozitler oda sıcaklığına kadar soğutularak SEM

görüntüleri alınmıştır. Şekil 2,2’de gösterildiği gibi herhangi bir incelmiş katmana

rastlanmamıştır. %0.2, %0.5, % 0.1, %2 oranında çok duvarlı karbon nano tüp

içeren örnekler incelenmiştir. %2 lik örneğin homojen olduğu diğer örneklerin

heterojen olduğu gözlemlenmiştir. Bu kompozitlerin erime sıcaklıkları ve gizli ısı

depolama kapasitelerinin birbirine yakın çıkmıştır. Erime noktası ve ısı depolama

kapasitesi artan karbon nano tüp oranı ile azalırken termal iletkenlikleri artmıştır.

Termal iletkenlik erime noktasına yakın sıcaklıkta artmıştır (Wang ve ark., 2009).


12

Şekil 2.1.Çok duvarlı karbon nanotüplerin bilyeli öğütme işlemi öncesi sonrası

görüntüleri(Wang ve ark.,2009)

Şekil 2.2. 70 oC de 96 saat fırında kaldıktan sonra SEM görüntüleri (Wang ve ark.,2009)

Al2 O3 nano partikülleri farklı oranlarda emilsiyon tekniği ile parafin içerisine

dağıtılmıştır. Karışımların erime donma noktaları saf parafinin erime-donma

noktasına yakın çıkmasına rağmen karışımların gizli ısı depolama kapasitesi artan

nano partikül oranı ile azalmıştır. Nano partikül içeren karışımların termal kararlılığı

ve iletkenliği artmıştır. Nano partikül oranı artmasıyla termal iletkenlik ve dinamik

vizkozite yükselmiştir (Ho ve ark., 2009).

Polistren kabuk ve n-oktadekan öz olarak kullanılıp ultrasonik destekli mini-

emülsiyon tekniği ile polimerleştirilerek nano-pcm kapsuller oluşturulmuştur.

Bunların boyutu 100-123 nm dir. Nano kapsüllerin faz değişim sıcaklığı n-

oktadekana daha yakın ve gizli ısısı hesaplanan (oktadekanın kütle oranına göre )

değere eşdeğer çıkmıştır (Fang ve ark.,2008).


13

Yüksek depolama kapasitesi, küçük sıcaklık değişimlerinde bile geri kazanım

sağlayan ve erime noktaları düşük olan organik materyallerden parafin ve yağ asitleri

faz değiştiren madde olarak kullanılmaktadır. Ancak bu maddelerin

dezavantajlarından biri de düşük termal iletkenlikleridir. Bu sorunu gidermek için

yüksek termal iletkenliğe sahip karbon-nanotüpler işlenerek palmitik asit içerisine

disperse edilerek kompozitler hazırlanmıştır. Karbon-nanotüp oranı 0.01 iken termal

iletkenlik 25 0C de %46, 65 0C de %38 artmıştır. Termal iletkenlik short-hot-wire

metod yöntemi kullanılarak ölçülmüştür (Wang ve ark., 2010).

Kabuk olarak melamin-formaldehit ve öz olarak n-oktadekan içeren mikro ve

nanokapsüllerin polimerliştirilmesi yapılmıştır. Karıştırma hızı, karışım oranı

kapsüllerin yarıçapında etkili olmuştur. Çapların büyüklüğü erime davranışına etki

etmezken soğumada etkili olmuştur. Çap azaldıkça, soğuma eğrisinde iki

kristalizasyon piki görülmüştür. Termal kararlılık artan karıştırma hızı,TA

(emilsifier) içeriği ile artmıştır ancak artan siklohekzan içeriği ile azalmıştır (Zhang

ve ark.,2004).

FDM giysi içerisine yerleştirilmiş ve klima etkisi yaratması sağlanmıştır. Bu

çalışmada en büyük sorun ise üretim sırasında yüksek sıcaklıkta bozulmayan termal

kararlılığa ve mekanik dayanıklılığa sahip FDM gerektirmesidir. Bu sorun gümüş

nano partikül ilave edilerek yapılan mikrokapsulleme ile giderilmiştir. Şekil 2.3’ de

görüldüğü gibi nanopartikül içeren kompozitin yapısının yüksek sıcaklığa maruz

kalmasına rağmen bozulmadan kaldığı, nanopartikül içermeyen FDM nin yapısının

ise bozulduğu gözlemlenmiştir (Oingwen ve ark., 2007).


14

Şekil 2.3.130 0C de 50 dakika kaldıktan sonra gümüş nanopartikül içeren

kompozitin(a) ve gümüş partikül içermeyen yapının (b) yüzey analizi (Oingweng ve ark. ,2007)

Nano kalsiyum silikatı donmuş gıdaların paketlenmesinde kullanılan, kağıt

torbalara yerleştirerek gıdaların taşınması sırasında dış ortam sıcaklığı 23 0 C de iken

gıdaların sıcaklığını 10 0 C de 5 saat boyunca sabit kalmasını sağlamışlardır. Nano

kalsiyum silikatın gözenekli yapısı içerisine parafin emdirilerek kompozit

hazırlanmıştır. FDM eridiğinde sıvı gözeneklere hapsedilmiş ve FDM nin

depolanma problemi ortadan kaldırılmıştır (Johnston ve ark., 2007).

4.BULGULAR VE TARTIŞMA Nurten ŞAHAN

27

4. BULGULAR VE TARTIŞMA

Bu çalışmada organik faz değiştiren maddelerin (FDM) termal özelliklerinin

geliştirilmesi için FDM ile nano malzeme kullanımı araştırılmıştır. Organik FDM

olarak parafin (erime aralığı: 56-58 oC, ısıl iletkenliği: 0,36 W/m-K) kullanılmıştır.

Sol-jel yöntemiyle sentezlenen magnetit (Fe3O4) nanopartiküller stabilize edilerek

FDM-nano kompozitleri hazırlanmıştır. Ayrıca yüksek ısıl iletkenlikleri nedeniyle

karbon nanotüp olarak Baytubes (C-150-P, C-150-HP) ile de FDM-nano kompozitler

hazırlanmıştır. Hazırlanan magnetit nano partiküllerin ve FDM-nano kompozitlerin

karakterizasyonu SEM, FTIR ve manyetik süseptibilite cihazlarıyla yapılmıştır.

FDM-nano kompozitlerin termal özelliklerinin belirlenmesi için DSC ve ısınma-

soğuma eğrileri analizleri yapılmıştır. Elde edilen bulgular burada tartışılmaktadır.

4.1. FDM-Nano Kompozitler

4.1.1. Nano Partikül Sentezlenmesi

Bu çalışmada nano partikül hazırlamak için kullanılan sol-jel yönteminde

Fe2+ ve Fe3+ tuzlarının çözeltileriyle yapılan beraber çöktürme işlemiyle magnetit

(Fe3O4) nano partikülleri sentezlenmiştir. Magnetitin sentezlenecek nano partikül

olarak tercih edilmesinin nedenleri:

ü Sol-jel yöntemiyle ucuz ve kolaylıkla sentezlenmesi

ü Düşük seviyedeki toksik etkisi

ü Mükemmel manyetik yoğunluğu

ü Isıl iletkenliğinin yüksek olması (9,7 W/m-K)

ü Oksitlenmeye olan düşük eğilimi (Asmatulu ve ark., 2005)

Sol-jel yöntemiyle magnetit nano partikül sentez deneyleri sırasında izlenen

aşağıdaki basamaklar Şekil 4.1 de gösterilmektedir.


28

1. Şekil 4.1.a) da, sarı çözelti 2,0 g FeCl3.6H2O’in 40 ml 2 M HCl içerisinde ve açık

yeşil renkteki çözelti 1,25 g FeCl2.4H2O’in 10 ml 2 M HCl içerisinde çözünmüş

hallerini göstermektedir.

2. Şekil 4.1.b) de iki çözeltinin manyetik karıştırıcıda 1200 rpm de karıştırdıktan

sonra elde edilen homojen karışım gösterilmektedir.

4. Şekil 4.1.c) de 55 ml NH4OH çözeltisinin damla damla 5 dakika içerisinde

eklenmesiyle siyah renkte magnetit nano partiküllerin çökelmeye başlaması

görülmektedir.

5. Şekil 4.1.d) aşağıdaki tepkimeyle ifade edilen sentezin tamamlandığı ve

nanopartiküllerin çözeltinin rengini magnetitin karakteristik rengi olan siyaha

çevirdiği görülmektedir.

Fe2+ + 2Fe3+ +8OH- Fe3O4 + 4H2O

Şekil 4.1.a) Demir tuzlarının çözeltileri b) Çözeltilerin karıştırılması c) NH4OH

eklenerek partikül oluşumunun gözlemlenmesi d) Siyah renkte magnetit nano partiküllerinin oluşumu


29

Sentezlenen nano partiküller Şekil 4.2. de gösterilen mıknatıs kullanılarak

çöktürülmüştür. Kullanılan mıknatısın şeklini alacak şekilde çökelti meydana

gelmiştir. Bu ayrışma oluşan magnetit nano partiküllerin kuvvetli manyetik

özelliğini göstermektedir. Çöken magnetit nano partiküller süzme ile ayırılmıştır.

Şekil 4.2.Sentezlenen magnetit demir nano partiküllerin mıknatıs ile çöktürülmesi

Bu sentez işleminde 2,0 g FeCl3.6H2O ve 1,25 g FeCl2.4H2O reaksiyona

girerken 1,08 g Fe3O4 (k) elde edilmiştir. Kimyasal tepkimeye göre teorik olarak

elde edilmesi gereken Fe3O4 (k) miktarı 1,45 g iken elde elde edilen 1,08 gramdır.

Bu sentezin verimi %74,4 olarak hesaplanır. %25,6 madde kaybı süzme sırasında

olmaktadır.

4.1.2. Nano Partiküllerin Stabilizasyonu

Doymamış bir yağ asidi olan oleik asidin (C18H34O2) karboksilik grubunun

nanopartikül yüzeyine tutunmasıyle yaratılan sterik etkiyle magnetit nano partikülün

stabilizasyonu sağlanır. Stabilizasyon sırasında pH 7 ye ayarlanır. Magnetit için

izoelektrik nokta 6,8 olması nedeniyle yüzeyinde hem katyonik hem de anyonik

yükler bulunur (Raghed ve Riffle, 2008). Nano partikül yüzeyindeki tutunma işlemi

katyonik bölgelerle oleik asidin eksi yüklü karboksilik grubu arasında olur. Bu işlem

sonucunda nanopartikül yüzeyinden sarkan uzun hidrokarbon zincirleri fırça gibi bir

katman oluşturur. Böylece komşu partiküllerin birbirine yaklaşması önlenir (Meerod

ve ark., 2008). Stabilizasyon mekanizması şematik olarak Şekil 4.3 a-b de


30

gösterilmiştir (Raghed ve Riffle, 2008). Kırmızı noktalar karboksilik grubun

magnetit nano partikül üzerinde bağlantı noktalarını temsil etmektedir.

(a) (b)

Şekil 4.3. a)Magnetit nanopartüküllerin oleik asit ile stabilizasyon mekanizması b)

Oleik asit karboksilik grubunun nano partikül yüzeyine tutunmasının

gösterimi

Stabilizasyon işleminde oleik asit kullanımının etkisini araştırmak için

hacimce farklı oaranlarda oleik asit-diklorometan (%1 ve %5) çözeltileri

kullanılmıştır. %5 oleik asit kulanıldığında jelleşmenin fazla olması elde edilen

magnetitin yapışkan ve yoğun kıvamlı olmasına neden olmuştur. Parafınle kompozit

hazırlanmasında homojen karışım elde edilmesi mümkün olamamıştır. Bu nedenle

kompozit hazırlamada %1 oleik asit içeren nano magnetit kullanılmıştır.

4.1.3. FDM-Nano Kompozit Hazırlanması

FDM-nano kompozit hazırlanırken faz değiştiren madde olarak kullanılan

parafin içerisine homojen olarak karbon nanotüplerin ve nano magnetitlerin

dağılımını sağlamak amacıyla parafin eritilerek karbon nanotüpler (kütlece %1

C150P ve kütlece %10 C150HP) ve nano magnetitler (kütlece %10) ilave edilmiş ve

vorteks cihazında parafin tamamen donana kadar karıştırılmıştır. Her bir örnek için

FeCl2 +

FeCl3 Fe3O4

Oleik asit

Stabilize edilmiş Fe3O4

O — C O

Fe


31

bu eritip karıştırıp dondurma işlemi 5 kez tekrarlanmıştır. Şekil 4.4. de hazırlanan

FDM-nano kompozit örnekleri gösterilmektedir.

Şekil 4.4. FDM-nano kompozit örnekleri a) FDM magnetit nano kompozit b) FDM

karbon nanotüp kompozit örnekleri

4.2. Magnetit Nano Partiküllerin FTIR Analizi

Sentezlenen magnetit nano partiküllerin yapısının araştırılması için yapılan

FTIR analizi sonucu elde edilen spektrum Şekil 4.5 de gösterilmiştir.


32

Şekil. 4.5. Sentezlenen magnetit nano partikül FTIR spektrumu Çizelge 4.1. Infrared korelasyon tablosu

Şekil 4.5 de verilen spektrum Çizelge 4.1 de verilen korelasyon tablosu ile

incelenmiştir. En yüksek yoğunluklu pikin 578 cm-1 de olduğu görülmektedir. Bu

pik Fe3O4 kristal yapısındaki Fe-O bağına karşılık gelmektedir. Bu metal oksitler için

Teorik Frekans

(cm-1)

Deneysel Frekans

(cm-1)

Olası Fonksiyonel Gruplar

3100 3124 O-H esneme titreşimleri

2300 2364 Karbondioksit

1600 1609 Su

1393 1399 O-H eğilme titreşimleri

570 578 Fe-O


33

karakteristik olarak oktahedral ve tetrahedral kristal yapısında bulunan metalin

verdiği titreşimden kaynaklanmaktadır (Lopez ve ark., 2011). H2O molekülünün

tipik göstergesi olan 1610 cm-1 de görülen, düşük yoğunluklu H-O-H titreşimi

nanopartikül yüzeyinde tutunmuş olarak kalan su bulunduğunu göstermektedir. 3124

cm-1 de ve 1399 cm-1 de görülen piklerin sırasıyla OH esneme ve eğilme

titreşimlerinden kaynaklandığını göstermektedir. Bu pikler su molekülünden ve bazik

ortamda gerçekleştirilen sentez sonucunda ortamda halen OH bulunduğu şeklinde

açıklanabilir. Ortamda karbondioksit olduğu için 2364 cm-1 de pik görülmüştür.

4.3. SEM Analizleri

Nano partiküllerin boyutlarını ve morfolojisini belirlemek için Mustafa Kemal

Üniversitesi’nde Jeol JSM-5500LV marka Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM) ile

aşağıdaki örneklerin SEM analizleri yapılmıştır.

1. Nano magnetit (Fe3O4)

2. %5 oleik asit ile stabilize edilmiş nano magnetit

3. Parafin-nano magnetit(stabilize edilmiş%1 oleik asit) kompoziti

4. Baytubes C 150 P

5. Parafin-karbon nanotüp (%1) kompoziti

4.3.1. Magnetit Nano Partiküllerinin SEM Analizleri

Şekil 4.6 - 4.8 de magnetit nano partiküllerin 1000, 500 ve 50 kat oranlarında

büyütülmüş SEM görüntüleri verilmiştir. SEM analizleri sonucunda görüntüler

üzerindeki ölçekler kullanılarak yapılan ölçümlerde nano partiküllerinin boyutunun

25-650 nm arasında değiştiği ve partiküllerin şekillerinin birbirlerinden farklı olduğu

görülmektedir. Ayrıca stabilize edilmemiş nano partiküllerin kurutma aşamasında

biribirine yapışması partikül boyutlarını Şekil 4.6 – 4.7 görüldüğü gibi arttırmıştır.


34

Şekil 4.6. 1000 kat oranında büyütülmüş magnetit nano örneği



35


4.3.2. Stabilize Edilmiş Magnetit Nano Partiküllerin SEM Analizleri

Oleik asitle stabilize edilen magnetik nano partiküllerin 1500 kez büyütülmüş

SEM görüntüleri Şekil 4.9 - 4.10 da verilmiştir. Stabilizasyon işlemi sonucunda

nano partikül etrafında oluşan katman, partiküllerin küresel, üzüm salkımı yapısının

korunmasını sağlarken, birbirine yapışmasını da önlemiştir. Böylece daha homojen

tanecik boyutu ve yapısı elde edilmiştir. SEM görüntüleri üstünde verilen farklı

taneciklerin üzerindeki boyut çizgilerinden de görüldüğü gibi tanecik boyutları 4 - 9

µm arasında değişmektedir. Stabilizasyon sonucunda taneciklerin etrafında oluşan

katman partikül boyutlarını beklenen nano boyutun üzerine çıkartmıştır.


36

Şekil 4.9.Oleik asit ile stabilize edilmiş magnetit nano örneği

Şekil 4.10.Oleik asit ile stabilize edilmiş magnetit nano örneği


37

4.3.3. Parafin-Nano Kompozitlerinin SEM Analizleri

Şekil 4.11 de ise parafin nano magnetit kompozitinin 1000 kez büyütülmüş

SEM görüntüsü verilmiştir. Nano partiküller küresel yapısını korurken parafin

tarafından sarılmasıyla boyutları 15-25 µm arasında değişen ebatlara büyümüştür.

Şekil 4.11.Stabilize edilmiş nano magnetit - parafin kompoziti

4.3.4. Parafin-Nanotüp Kompozitlerinin SEM Analizleri

Baytubes C 150 P örneğinin 50 kez büyütülmüş SEM görüntüsü Şekil 4.12 de

verilmiştir. Çok duvarlı karbon nanotüp aglomerası olan Baytubes için elde edilen

SEM görüntüsü üretici firma Bayer tarafından verilen, materyal kısmında Şekil 3.3

de verilen SEM görüntüsüyle benzer olduğu görülmektedir (www.baytubes.com).

Karbon nano tüp – parafin kompozitinin yapısı ise 50 kez büyütülmüş olarak

Şekil 4.13 de verilmiştir. Parafin içinde karbon nanotüp aglomerasının düzgün

dağıldığı görülmektedir.

http://www.baytubes.com)


38

Şekil 4.12. Karbon nanotüp SEM görüntüsü

Şekil 4.13. Karbon nanotüp- parafin kompoziti


39

4.4. DSC Analizleri

DSC analizleri kalibrasyonu yapılmış Perkin Elmer Diamond marka cihazda

5ºC/min ısıtma hızında 20ºC ile 70ºC arasında yapılmıştır. Parafin, parafin-nano

magnetit kompozit ve iki adet parafin-nano tüp kompozit örnekleri için elde edilen

termogramlar Şekil 4.14 – 4.17 de verilmektedir. Çizelge 4.2 de termogramlardan

belirlenen erime sıcaklık aralıkları ve gizli ısılar verilmiştir.

Şekil 4.14.Parafinin DSC analizi


40

Şekil 4.15. Parafin magnetit nano kompoziti DSC analizi

Şekil 4.16. Parafin karbon nanotüp (C-150-P) kompoziti


41

Şekil 4.17. Parafin-karbon nanotüp (C150-HP) kompoziti

Çizelge 4.2. Numunelerin erime aralığı ve gizli ısı değerleri

Numuneler Erime Aralığı

(oC) Gizli Isı (J/g)

Parafin 55.2 - 62.5 113.4

Parafin - Magnetit nano kompozit 54.2 - 62.4 115.9

Parafin – nanotüp kompoziti

( C150-P)

52.6 - 61.2 139.8

Parafin – nanotüp kompoziti

( C150-HP)

52.7 - 60.8 126.7

Çizelge 4.2’de verilen DSC sonuçlarına göre parafinin gizli ısı depolama

kapasitesinin magnetit nano partikül kullanılarak yaklaşık %1,7 kadar düşük

seviyede artırıldığı görülürken, karbon nanotüp (C150-HP)-parafin kompozitinin saf


42

parafine göre gizli ısı depolama kapasitesinin %11,5 arttığı, karbon nanotüp (C150-

P)-parafin kompozitinin gizli ısı depolama kapasitesinin ise %23 arttığı görülmüştür.

Karbon nano tüplerde yüzey alanın hacime oranı çok yüksek olabildiği için çok az

eklenmesi bile parafin ile karbon nanotüp arasındaki moleküler etkileşimi

değiştirerek enerji depolama kapasitesini değiştirebilmektedir (Shaikh ve ark., 2008).

Burada karbon nano tüp/parafin arasındaki moleküler etkileşim potansiyelinin

parafin/parafin arasındakinden fazla olması nedeniyle gizli ısı değerinin de arttığı

görülmüştür. Ancak magnetit nano parafin kompozitinde ısı depolama kapasitesinde

önemli bir fark gözlenmemiştir. Eklenen nano partiküllerin parafin-nano

kompozitlerin erime aralıklarına önemli bir etkisi olmamıştır.

4.5. Isınma-Soğuma Eğrilerinin Belirlenmesi

Hazırlanan FDM-nano kaompozit örnekleriyle FDM nin faz değişim

davranışının incelenmesi için ısınma-soğuma eğrileri oluşturulmuştur. Şekil 4.18 de

ısınma eğrileri ve Şekil 4.19 da ise soğuma eğrileri verilmiştir.

Şekil 4.18. Isınma eğrileri. demir: magnetit nano-parafin kompoziti, cp: parafin

nanotüp (C150-P)- kompoziti


43

Şekil 4.19. Soğuma eğrileri. demir: magnetit nano-parafin kompoziti, cp: parafin

nanotüp (C150-P)- kompoziti

Isınma eğrilerinin elde edildiği deneyler termostatlı su banyosunda

hazırlanan sıcaklık programıyla 25ºC /saat ısınma hızında gerçekleştirilmiştir. Bu

hızda parafin örneğinde faz değişimi belirgin olarak görülemezken, parafin-nano

magnetit kompozit (mavi oklarla gösterilen bölge: 53 – 63ºC) ve parafin-nanotüp

kompozitlerinde (kırmızı oklarla gösterilen bölge: 56 – 61ºC) faz değişimi

görülmüştür. Parafinin düşük ısıl iletkenliği nedeniyle faz değişimi gözlenemezken

nano partikül kullanımıyla FDM-kompozitlerin ısıl iletkenliği ve faz değişimi hızı

artmıştır. FDM-nano magnetit kompozitin erimesi 10ºC lik bir aralıkta meydana

gelirken, FDM-nanotüp kompozitinin 5ºC lik bir aralıkta tamamlandığı

görülmektedir. Bu durum nanotüp partiküllerinin FDM içinde daha uygun dağılmış

olduğu izlenimini vermektedir. Ayrıca ferrimanyetik bir madde olan nano

magnetitin anizotropik olması (Snow ve ark., 2010), kristal yapısında bir düzlemde

ısıl iletkenliği yüksek iken diğer düzlemde düşük olabileceğini göstermektedir.

Böylece parafin-nano magnetit kompozitinin faz değişimi sırasında ısı aktarımının

hızlı ve yavaş olduğu bölgeler olması, faz değişiminin geniş bir sıcaklık aralığında


44

olmasına neden olmaktdır. Baytubes ve magnetitin ısıl iletkenlikleri sırasıyla 2000

W/mK(www.electrochem.org) ve 9,7 W/m-K (Weidenfeller ve ark., 2002) dir. Bu

nedenle parafin ile hazırlanan kompozitlerinde ısınma eğrilerinde de görüldüğü

karbon nanotüplerin ısıl iletkenliğine katkısı magnetit nano partiküllerden daha fazla

olmuştur.

Soğuma eğrileri termostatlı su banyosunda ısınma eğrileri tamamlandıktan

sonra, örneklerin banyo dışına alınarak ortam sıcaklığında soğumaya bırakılmasıyla

elde edilmiştir. Soğuma hızı bu durumda 6,5ºC/saat olarak gerçekleşmiştir. Soğuma

eğrilerinde donma parafin ve FDM-nano kompozit örneklerinde aynı sıcaklıkta

(kırmızı okla gösterilen nokta: 59,5ºC) başladıktan sonra nano-kompozitlerin soğuma

eğrileri üstüste çakışmış, parafin daha yavaş bir soğuma eğilimi göstermiştir.

4.6. Manyetik Süseptibilite Analizi

Bütün maddeler manyetik alandan etkilenir. Manyetik alana konulan

maddeler manyetikleşir ve manyetikleşmenin derecesine manyetik duyarlılık denir.

Manyetizma maddelerin atom ve kristal yapılarına aynı zamanda sıcaklığa bağlı

olarak değişir.

Manyetik alan tarafından çekilen maddelere paramanyetik, manyetik alandan

zayıfça itilen maddelere diyamanyetik denir. Paramanyetik maddelerde d

orbitallerinde eşleşmemiş elektron bulunurken diyamanyetik maddelerde ise d

orbitallerinde eşleşmemiş elektronlar bulunmamaktadır.

Belirli bir sıcaklığın altında sürekli manyetik özelliğe sahip maddelere ise

ferromanyetik madde denir. Ferromanyetik maddelerin manyetik momentleri aynı

yöndedir. Fe,Ni,Co gibi maddeler ferromanyetiktir. Kristal yapı içerisindeki

iyonların anti paralel yönlenerek net manyetik momentlerini tam olarak yok etmediği

yapılara ise ferrimanyetik maddeler denir. Magnetit (Fe3O4 ) ferrimanyetik maddelere

bir örnektir (www.irm.umn.edu).

Sentezlenen nano Fe3O4 (magnetit) d orbitallerinin elektron dizilim Şekil

4.20 de verilmiştir. Görüldüğü gibi d orbitallerinde eşleşmemiş elektronlar

bulunmaktadır.

http://www.electrochem.org)

http://www.irm.umn.edu)


45

Şekil 4.20 Fe+4 ün elektron dizilimi

Fe+4 ün 4 tane eşleşmemiş elektronu vardır. Teorik olarak beklenen moment

Eşitlik (4.1) yardımıyla hesaplandığında 4,89 emu değerine ulaşılır. Eşitlikte

gösterilen n değeri eşlenmemiş elektron sayısını göstermektedir.

µ =(n×(n+2))1/2 (4.1)

Sentezlenen nano magnetit örneğinin manyetik özelliği manyetik süseptibilite

analizi ile araştırılmıştır. Bu ölçümden elde edilen verilerle Bölüm 3.2.8 de verilen

Eşitlik 3.1, 3.2 ve 3.3 yardımıyla hesaplanan deneysel manyetik moment değeri

0,886 emu dur. Teorik olarak 4 tane eşleşmemiş elektron için Eşitlik 4.1 ile

hesaplanan 4,89 emu değeri deneysel olarak hesaplanan manyetik momentden sapma

görülmüştür. Bu durum elde edilen örneğin 4 tane eşleşmemiş elektronu olmasına

rağmen paramanyetik olmadığını gösterir. Manyetik moment için elde edilen 0,886

emu değeri kristal yapısındaki iyonların paralel yönlenmediğini, ferrimanyetik

yapılarda olduğu gibi net manyetik momentin sıfıra yakın bir değerde olduğunu

göstermektedir. Bu bulgular yapının magnetit olduğunu desteklemektedir.


46

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Nurten ŞAHAN

47

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER

Termal enerji depolama temiz enerji ve atık ısı kaynaklarından sürekli ve

verimli şekilde yararlanmak için çeşitli çözümler sunmaktadır. Faz değiştiren

maddeler (FDM) izotermal faz değiştirme özellikleri ve yüksek termal enerji

depolama kapasiteleriyle ısıtma ve soğutma sistemlerinde tercih edilmektedir. Bu

amaç için kullanılan FDM’lerin kimyasal ve fiziksel özelliklerinin sistemin

gereksinimlerine uygun olarak geliştirilmesi gereklidir. İdeal bir FDM’nin kolay

depolanabilmesi, bol ve ucuz olması, korozif ve toksik olmaması, ısıl iletkenliği ve

kararlılığının ve birim hacimde termal enerji depolama kapasitesinin yüksek olması

beklenmektedir. Özellikle atık ısı geri kazanım uygulamalarında organik FDM’ler

toksik ve korozif olmamaları ve kolay bulunabilme gibi üstünlükleri nedeniyle tercih

edilmektedir. Ancak düşük ısıl iletkenlikleri ve depolama kapasiteleri uygulamada

sorunlar yaratmaktadır.

Bu çalışmada organik FDM’lerin termal özelliklerinin geliştirilmesi için

FDM ile nano malzeme kullanımı araştırılmıştır. Bu amaçla sol-jel yöntemiyle

magnetit nano partikül sentezlenmiştir. Organik FDM olarak 56-58ºC arasında faz

değiştiren parafin kullanılmıştır. Sentezlenen magnetit (Fe3O4) nano partikül ve

karbon nanotüpler ile FDM-nano kompozit hazırlanmıştır. Nano partiküllerin ve

FDM-kompozitlerin karakterizasyonu için FTIR, SEM ve manyetik süseptibilite

analizleri ve termal özelliklerinin belirlenmesi için DSC ve ısınma-soğuma

eğrilerinden yararlanılmıştır. Elde edilen sonuçlar şunlardır:

1. Magnetit nano partiküllerin kolay ve ekonomik bir şekilde hazırlanması

için sol-jel uygun bir yöntemdir.

2. Magnetit nano partiküller % 74,4 verim ile Fe+3 ve Fe+2 tuzlarının beraber

çöktürülmesi ile sentezlenmiştir. Nano partiküllerin stabilizasyonu için

hacimce %1 oleik asit içeren diklorometan çözeltisinin uygun olduğu

belirlenmiştir.

3. Sentezlenen nano partikülün FTIR analizlerinde magnetitin yapısında

beklenen Fe-O bağlarına karşılık gelen karakteristik pik görülmüştür.


48

4. Manyetik süseptibilite sonuçları sentezlenen nano partiküllerin

ferrimanyetik olması yapının magnetit olduğunu desteklemektedir.

5. SEM analizleri magnetit nano partiküllerin boyutlarının 25-650 nm

arasında değiştiğini göstermektedir. Oleik asit ile stabilizasyondan sonra

üzüm salkımı görüntüsünde küresel ve daha homojen yapıdaki

taneciklerin boyutlarının stabilizasyonun partikül etrafında oluşturduğu ek

katman nedeniyle artarak 4-9 µm arasında olduğu SEM görüntülerinden

belirlenmiştir. Parafin-nano kompozitlerde ise küresel yapı korunarak

boyutlar 15-25 µm arasında olarak belirlenmiştir.

6. Çok duvarlı karbon nanotüplerin aglomerası olan Baytubes ile hazırlanan

FDM karbon nono tüp SEM görüntülerinde homojen bir dağılım

sağlandığı belirlenmiştir.

7. DSC analizlerine göre parafin ile kütlece %10 magnetit nano partikül

kullanılarak hazırlanan kompozitin gizli ısı değerinde % 1,7 artış elde

edilirken karbon nano tüp ile hazırlanan kompozit için bu artış %23

düzeyindedir. Gizli ısı değerlerindeki bu artış nano malzeme kullanımı

ile FDM termal enerji depolama kapasitesinin artırılabileceğini

göstermektedir.

8. 25 ºC/saat ısıtma hızında elde edilen ısınma eğrilerinde parafinin düşük

ısıl iletkenliği nedeniyle faz değişimi belirlenemezken, nano partikül

kullanılan kompozitlerde görülmüştür.

9. Burada kullanılan ısıl iletkenlikleri yüksek nano malzemelerle hazırlanan

parafin-nano kompozitlerin parafine göre daha yüksek ısıl iletkenliğe

sahip olabileceği görülmüştür.

10. Nano malzeme kullanımı ile FDM’lerin termal enerji depolama sistemleri

için en önemli iki özelliği olan termal enerji depolama kapasitesi ve ısıl

iletkenliğinin artırılabileceği belirlenmiştir.

Bu çalışmanın devamında ileriye dönük yapılması önerilen çalışmalar

şunlardır:

1. Magnetit nano partiküllerin boyutlarını daha küçütebilmek için ultra

sonifikasyon yönteminden yararlanılması


49

2. Hazırlanan parafin-nano magnetit kompozitinin ısıl iletkenliğinin

belirlenmesi

3. FDM kompozitlerin çoklu erime-donma çevrimlerinin yapılarak termal

kararlılıklarının belirlenmesi

4. Parafin kompoziti farklı oranlarda nano magnetit ile hazırlayarak

depolama kapasitelerinin belirlenmesi


50

51

KAYNAKLAR

ABHAT A., 1983, Low temperature latent heat thermal energy storage materials.

Solar Energy 30, 313-332

ANDERSSON O., 2003,’’Cooling with Underground Thermal Energy Storage

Application in Sweeden’’ Futurestock 2003 Congress.Warsaw,Poland,25-30

ASMATLU R.,ZALICH M.A.,, CLAUS O.R., J.S.,Synthesis , 2004,Characterization

and Targeting of Biodegrable Magnetic Nanocomposite Particles by External

Magnetic Fields.Journal of Magnetism and Magnetiv Materials,108-119

BACHMAN G.,Nanotechnology ,Tecnology Analysis 1994,5,VDI-TZ

DONG Z.,SHOU L.,Preparation and property of nano-encapsulated phase change

material,effstock,11th International Conference on Thermal Energy Storage,

14-17 June ,Stockholm,Sweden.

DRUCK H., BALES C.,HADORN J.C.,STREICHER W.,2008,Advanced storage

concepts for solar houses and low energy buildings, IEA-SHC TASK 32

FANG Y.,KUANG S., GAO X., ZHANG Z.,2008,Preparation and characterization

of novel nanoencapsulated phase change materials.Energy Conversion and

Management 49, 3704-3707

H.O. C.J.,KAO J.Y.,2009, Preparation thermophysical properties of nano particals

in paraffin emulsion as phase change material.International Communications

in Heat and Mass Transfer 36,467-470

http://www.iea.org

http://www.eia.doe.gov

http://www.teknoloji.kuark.org

JOHNSTON H.J,Grindrod E.J.,Dodds M.,Schimitschek, 2008.Composite nano-

structured calcium silicate phase change materials for thermal buffering in

food packing.Current Applied Physics 8,508-511.

KUM H., Kasım 2009,Yenilenebilir enerji kaynakları:dünya piyasalarındaki son

gelişmeler ve politikalar,İİBF,İktisat Bölümü

LANE G. A., 1983a, Solar energy latent heat material , Volume I, CRC Pres Inc.

Boca Raton /Florida,450

http://www.iea.org

http://www.eia.doe.gov

http://www.teknoloji.kuark.org

52

LUTHER,W.,2004,International Strategy and Foresight Report on Science and

Nanotechnology ,March 2004

MAZMAN M., 2006, Gizli ısı depolaması ve uygulamaları,Doktora tezi,Ç.Ü. Fen

Bil. Ens.,Adana

MEEROD S.,TUMCHAREM G.,WICHAI U.,RUTNAKORNPITUK M.,2008,

Magnetite nanoparticals stabilized with polymeric bilayer of poly(ethylene

glycol) methyl ether-poly(Є-caprolactone) copolymers.Polymer 49,3950-

3956

OINGWEN S.,Yi L.,Jianwei X.,Hu J.Y.,Yuen M.,2007.Thermal stability of

composite phase change material microcapsules incorporated with silver

nano-particals.Polymer 48,3317-3323.

PAPAPHILIPPOU C.P.,POURGOURIS A.,MARINICA O.,TACULESCU A.,

ANTHANASOPOULOS I.G.,VEKAS L.,CHRISTOFOROU-KRASIA T.,

2011,Fabrication and characterization of super magnetit and

thermoresponsive hydrogels based on oleicacid coated Fe3O4 nanoparticals,

hexa(ethylene glycol) methyl ether methacrylate and 2-(acetoactoxy)ethyl

methacrylate,Journal of Magnetism and Magnetic Materials 323, 557-563

RAGRED R.T.,RIFFLE J.S.,2008, Synthesis and characterization of poly(lactide-b-

siloxane- lactide) copolymers as magnetite nanoparticle dispersant,Polymer

49,5397-5404

RITTNER M.,2002, Market Analysis of Nanostructured Materials

,March,2002,adres:http://www.ceramicbullettin.org

SHAIKH S.,LAFDI K., HALLINAN K., 2008,Carbon nanoadditivies to enhance

latent energy storage of phase change materials,Journal of Applied Physics

103,094302

SNOW, C.L., SHI, Q., BOERIO-GOATES, J., WOODFIELD, B.F.,2010,.Heat

capacity studies of nanocrystalline magnetite (Fe3O 4), Journal of Physical

Chemistry C , Volume 114, Issue 49, 21100-21108.

www.baytubes.com

www.cheric.org

www.electrochem.org

http://www.ceramicbullettin.org

http://www.baytubes.com

http://www.cheric.org

http://www.electrochem.org

53

www.irm.umn.edu

www.rubitherm.com

www.turksan.com.tr

WANG J., XIE H., XIN Z., LI Y., CHEN L., 2010,Enchancing thermal conductivity

of palmitic acid based phase change materials with carbon nanotubes as

fillers, Solar Energy 339-344

WANG J., XIE H., XIN Z., 2009, Thermal properties of paraffin based containing

multi-walled carbon nanotubes,Thermochimica Acta 488, 39-42

WEINDENFELLER B., HOFER M., SCHILLING F.,2002,Thermal and electrical

properties of magnetite filled polymers, Composites Part A: Applied Science

and Manufacturing.Volume 33, Issue 8, , Pages 1041-1053.

WILLEMS AND WILLENBERG (W&W),NRM Nanoroad Project : Roadmap

Report on Nanoparticals,November 2005

ZALBA B., MARIN J. M., CABEZA L. F., MEHLING H., 2003. Rewiev on

Thermal Energy Storage with Phase Change Materials, Heat Transfer

Analysis and Aplications . Applied Thermal Engineering, 23,251-283.

ZHANG X., FAN Y.F., TAO X.M., YICK K.L., 2003.Fabrication and Properties of

Microcapsules and Nanocapsules Containing n-Octadecane

http://www.irm.umn.edu

http://www.rubitherm.com

http://www.turksan.com.tr

55

ÖZGEÇMİŞ

10/10/1983 yılında Aksaray’da doğdu. İlk ve ortaöğretimini Adana’da

tamamladı. 2003 yılında başladığı Çukurova Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi,

Kimya Bölümü’nden 2007 yılında mezun oldu ve aynı yıl Kimya Bölümü

Fizikokimya Anabilim dalı Enerji Laboratuarında yüksek lisansa başladı.

Çukurova Ünİversİtesİ fen bİlİmlerİ …library.cu.edu.tr/tezler/8853.pdfŞekil 2.2. 70 c de...

Documents