Isı Yalıtımı ve Enerji Verimliliği için Özel Yaklaşımlar: Poliüretan Sert Köpük-FDM Kompozit Malzemeler
Yenilenebilir enerji kaynakları ve iyileştirilmiş enerji verimliliğine yönelik çalışmalar petrol kaynaklarına bağlı karbon dioksit emisyonlarının azaltılması için önemlidir.
Avrupa Birliği’nde toplam enerji tüketiminin %40 kadarı özel konutlar, ticari ve kamusal
alanlardan kaynaklanmaktadır.
Bu nedenle, yaşam alanlarında yaşam koşullarından ve iç mekân termal konfor sınırlarından taviz vermeden enerji tüketiminin düşürülebilmesi karbon ayak izinin azaltılması ve çevreye saygılı yeşil binaların geliştirilmesi adına önemlidir.
Ülkemizde artan nüfus ve sanayileşmeden kaynaklanan enerji ihtiyacı enerji üretimi ve tüketimi arasındaki farkı hızla büyütmektedir.
Birincil enerji kaynakları açısından büyük ölçüde dışa bağımlı olan ülkemizde enerjinin yaklaşık %74’ü yurtdışından ithal edilmekte ve en büyük cari açık kalemini oluşturmaktadır.
Bu nedenle, enerjinin tasarruflu kullanımına ve depolanmasına yönelik çalışmalar ülkemiz enerji kaynaklarının daha verimli kullanılmasına önemli katkılar sunmaktadır.
Günümüzde bu bilincin yaygınlaşması ve uygulanması tüm sektörlerde daha da önem kazanmıştır.
Enerji tüketiminde arz ve talepte yaşanan dengesizlikler söz konusu olduğunda ısı enerjisinin depolanması önem kazanmaktadır.
Isıtma, soğutma ve atık ısının kullanımına yönelik uygulamaların öne çıktığı günümüzde ısı enerjisi depolama sistemleri enerji tasarrufu ile arz ve talep arasındaki dengesizliğe çözüm sunabilmektedir.
Isı enerjisinin depolanmasında en yaygın olarak kullanılan yöntem sıcaklığın yükselmesine
bağlı gözlemlenen görünür ısı depolamadır. Sıcak su çevrimli radyatörler veya yerden ısıtma sistemleri ile yaşam ortamlarının ısıtılmasında odayı çevreleyen duvarlar ve taban görünür ısının sıcaklık artışı ile depolandığı hacimlerdir.
Ancak, bir malzemenin faz değiştirerek ısıyı gizli ısı olarak depolaması görünür ısı depolama yöntemine göre çok daha etkili ve avantajlı bir yöntemdir. Malzeme sabit sıcaklıkta (veya dar bir sıcaklık aralığında) faz değiştirirken yüksek miktarda ısı enerjisini ortamdan alır veya ortama verir.
Isı enerjisinin depolanmasında hissedilir bir sıcaklık değişimi gözlemlenmediği için buna gizli ısı depolama adı verilir. Gizli ısı depolamada kullanılan malzemeler Faz Değiştiren Malzemeler (FDM) olarak adlandırılır.
En eski ve en yaygın kullanım örnekleri buz veya kar ile soğuğun muhafaza edildiği uygulamalardır. Polimer endüstrisinde son yıllarda en hızlı gelişen gruplardan biri de hiç kuşkusuz poliüretanlardır.
Basit olarak üretan zinciri izosiyonat fonksiyonel grubunun hidroksi fonsiyonel grubuyla reaksiyonu sonucunda oluşur. İlk olarak Otto Bayer ve çalışma arkadaşları tarafından 1937 yılında sentezlenmiştir.
Ticari olarak poliüretanda hidroksi kaynağı olarak poliester ve polieter polioller kullanılırken alifatik ve aromatik olarak farklı türde izosiyonatlar kullanılmaktadır.
Kullanım alanlarına bakılacak olunursa, uçak-gemi yapı malzemelerinden, koltuk süngerleri,
yatak süngerleri, paketleme köpükleri, elyaf, poliüretan sert köpükler (yalıtım malzemeleri), oyuncak, tekerlek, suni deri, terlik / ayakkabı tabanı, yapıştırıcılar, medikal uygulamalar v.b. olmak üzere çok geniş bir yelpazede kullanım alanı bulmuştur.
Poliüretan sert köpüklerin özellikle yalıtım alanında son yıllarda popüler olmasının en büyük nedeni farklı poliol grupları, izosiyonat türleri, glikoller ve şişirici gazlar kullanılarak ek yersiz olarak kullanılabilmesidir.
Ürün kullanılan alanda yukarıda belirtilen hammadde türleri, miktarları ve oranları değiştirilerek istenilen ısı iletim katsayılarında, yoğunluklarda ve sertlik değerlerinde elde edilebilmektedir.
Üstelik köpürtme işlemi esnasında yeni nesil reaktif katalizörler de kullanılarak katalizör kaynaklı emisyonların da önüne geçilmiş durumdadır.
Sert poliüretan köpükler düşük ısı iletim katsayılı olmaları sebebiyle sandviç paneller,
buzdolapları, soğuk hava deposu panelleri, boiler ve boru yalıtımı, tank kaplamaları gibi uygulamalarda yoğun olarak kullanılmaktadır.
Köpük içerisinde sahip oldukları kapalı hücre yapılar ile düşük ısı iletim katsayısı değerlerine sahip olan sert köpük poliüretan malzemelerin ısı yalıtım kabiliyetleri özel uygulamalar için PU-FDM kompozit malzemeler geliştirilerek özelleştirilebilmektedir.
Bu noktada amaç, FDM’nin ortam sıcaklığı artışı esnasında ısı alarak erirken gizli ısı olarak depoladığı enerjiden ısı yalıtımı için faydalanmaktır.
Bu sayede, köpük malzeme içerisindeki FDM sabit sıcaklıkta (veya dar bir sıcaklık aralığında) erimesi esnasında ortam sıcaklık artışından gelen ısıyı üzerinde biriktirerek
malzemenin ısı yalıtım özelliğine katkı sunmaktadır.
FDM’nin köpük malzemeye kazandırdığı bu özellik Şekil 1’de verilen termogramda açıkça görülmektedir. Köpük yapı içerisinde homojen olarak dağılmış FDM 38oC civarında erimeye başlayarak köpük içerisinde gizli ısı depolama görevini yerine getirmektedir.
FDM içermeyen köpük numunesinde ise herhangi bir faz geçişi görülmemekle birlikte doğrusal bir sıcaklık artışı gerçekleşmektedir. İki durum karşılaştırıldığında yapılan çalışmada köpüğün 5-90oC arasında ısıtılması esnasında kullanılan FDM miktarına bağlı olarak %21 ila %34 daha fazla ısıyı görünür ve gizli ısı şeklinde üstünde depolayabildiği saptanmıştır.
Bu durum PUFDM köpük kompozit malzemenin ısı yalıtımında aynı kalınlık için daha fazla ısıyı tamponlayacağını göstermektedir. Şekil 2’de ise x400 büyütme mikroskop görüntülerinde köpük yapı içerisinde düzenli olarak dağılmış FDM malzemeler görülmektedir.
Burada önemli olan husus PU-FDM kompozit formülasyonunun köpüğün kapalı hücre yapısını en az etkileyecek şekilde oluşturulmasıdır. Aksi takdirde gerçekleşecek olan ısı iletim katsayısı artışı istenen fayda etkisinin görülememesine sebep olabilir.
Bu ve benzeri durumlarda poliüretan formülasyonu ile beraber FDM oranı ayarlanabileceği gibi ısı yalıtımına pasif katkı sunabilecek ve kompozit köpük malzemenin ısı iletim katsayısını daha aşağıya çekebilecek farklı katkı malzemeleri de formülasyona eklenebilir.
Sonuç olarak, PU-FDM köpük kompozit malzemeler enerji tüketiminin azaltılması ve enerji tasarrufuna yönelik özel uygulama malzemelerinin geliştirilmesinde Ar-Ge çalışmalarına açık güncel bir konudur.
Konunun içeriği uygulama alanlarının ve ihtiyaç duyulan son ürün özelliklerinin belirlenmesi noktasında çok geniş bir yelpazeye hitap etmektedir.
Doç. Dr. Ahmet Alper Aydın
Öğretim Üyesi
Kimya Mühendisliği Bölümü
İstanbul Teknik Üniversitesi
Dr. Başar Yıldız
Genel Müdür
İdeakim Global Kimya A.Ş.
