Development And Characterization Of Silica Based Super Insulation Materials

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2014Günümüzde hızla tükenen enerji ve su kaynakları ve artan sera gazı emisyonları gibi çevresel sorunlar mevcut kaynakların bilinçsiz tüketiminin önüne geçilmesini ve enerjinin verimli kullanılmasını zorunlu kılmıştır. Tüm bu çevresel kaygıların sonucu olarak uluslararası enerji düzenlemeleri uygulamaya konulmuştur. Son zamanlarda Türkiye’yi de içine alan yönetmeliklerdeki enerji tüketimi sınır değerleri oldukça zorlu seviyelere getirilmiştir. Yıllık enerji tüketiminde önemli bir payı bulunan konutlarda enerji verimliliği konusu da bu bağlamda dikkat çeken bir araştırma ve teknoloji geliştirme alanı haline gelmiştir. 2011-2012 yıllarında Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı ile Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı’nın teşvik ve destekleriyle enerji verimliliği sağlayan beyaz eşyaların üretimi hız kazanmıştır. Yapılan araştırma ve incelemeler konutlarda tüketilen enerjinin kaynağının büyük bölümünün buzdolapları olduğunu ortaya koymuştır. Buzdolabı ve soğutucu sistemlerin enerjiyi kabin içini ortam sıcaklığından daha düşük seviyelerde tutmak için kullandığı düşünüldüğünde, minimum enerji tüketimi sağlayacak ürünlerin ortam ile ısı transferinin de en düşük seviyede tutulması gerekmektedir. Buzdolabı gibi soğutucu cihazlarda ısı transferinin engellenerek enerji verimliliği sağlanması kullanılan yalıtım malzemelerinin performansı ile ilişkili olmaktadır. Üstün özelliklere sahip izolasyon malzemelerinin ısıl dirençlerinin yüksek olması ancak düşük ısı iletim katsayısına sahip malzemelerin kullanılması ile mümkün hale gelecektir. Tez çalışmaları kapsamında buzdolabı gibi soğutucu sistemlerde kullanılmak üzere üstün yalıtım performansına sahip Vakum İzolasyon Panelleri (VİP) için alternatif iç dolgu malzemeleri geliştirilmiştir. Vakum İzolasyon Panelleri toz, köpük ya da fiber esaslı bir iç dolgu malzemesinin, nem tutacak bir kimyasal malzeme ile birlikte sızdırmaz bir zarfın içerisinde vakumlanarak atmosfere kapatılması tekniği ile oluşturulmaktadır. En yaygın kullanım alanları bina izolasyonu olmakla birlikte, oldukça düşük kalınlıklarda üretilebilmeleri ve hafiflikleri ile buzdolabı, soğutucular, soğuk taşıma araçları ve konteynerleri gibi pek çok alanda kullanılmaktadırlar. VİP’ler cam yünü, polistiren köpük ve poliüretan gibi yaygın kullanılan geleneksel yalıtım malzemelerine oranla yaklaşık on kata kadar daha iyi ısıl yalıtım performansı göstermektedirler. Isı taransferinin katısal iletim, gaz taşınımından kaynaklanan iletim ve ışınımdan oluşan üç ana mekanziması bir VİP içerisinde de aynı şekilde gerçekleşmektedir. Düşük kesit alanı ile dahi gösterdikleri üstün termal direnç iç dolgu malzemelerinin temelini oluşturan silika esaslı, vakumlanmaya olanak veren gözenekli yapıdaki toz malzemeden ileri gelmektedir. VİP’ler temel olarak üç ana öğeden oluşmaktadır. Bunlar; ana yapıyı oluşturan çekirdek malzemesi, nem tutma performansına sahip ‘getter’ adı verilen bir kimyasal ve sızdırmazlığı sağlayacak metal ve polimer katmanlarından oluşan lamine dış zarf filmidir. xviii Vakumlu yalıtım panellerinde kullanılacak iç dolgu malzemesinin yalıtımı sağlayan ana öğesi genellikle silika esaslı toz malzemelerdir. İç dolgu malzemesinden beklenen başlıca özellikler katı iletimini en düşük seviyede tutacak ve vakuma olanak verecek gözeneklere sahip olmasıdır. Bunun yanı sıra, ışınımdan kaynaklanan iletimi elimine edecek SiC, karbon siyahı gibi opaklaştıcı bir malzeme de VİP iç dolgusuna ilave edilmektedir. Tez çalışmaları kapsamında silika esaslı toz malzeme geliştirilmesi amaçlanmıştır. VİP’lerde iç dolgu olarak kullanılacak alternatif malzemeler geliştirilmiş ve karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Malzemelerin kimyasal yapılarının anlaşılması için FTIR spektrumları alınmıştır. Genel yapılarının ve fiziksel özelliklerinin belirlenmesi için SEM görüntüleri alınmış, yüzey özellikleri ve gözenekliliklerinin tayini için ise BET metodu kullanılarak yüzey alanı analizleri gerçekleştirilmiştir. Kullanılacak olan iç dolgu alternatiflerinin termal özelliklerinin belirlenmesi için TGA kullanılarak termogramları elde edilmiştir. Üretilen VİP prototiplerindeki silika ve elyafların tutunmalarının incelenmesi amacıyla SEM görüntüleri alınmış, panellerin mukavemetlerinin belirlenebilmesi için basma mukavemet tesleri gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, pirinç kabuğu külleri, bentonit, sepiyolit ve bir diğer silika esaslı toz malzeme ile VİP prototipleri üretilerek ısıl yalıtım performansları ölçülmüştür. Pirinç kabuğu külleri 5,39 mW/m.K, bentonit 4,79 mW/m.K, sepiyolit 5,72 mW/m.K, silika esaslı toz malzeme ise 4,39 mW/m.K ortalama değerlerinde ısı iletim katsayılarına sahip olduğu görülmüştür. Yalıtım malzemelerinde katısal iletimin etkisi oldukça büyüktür. Bu etkinin boyutlarının belirlenebilmesi amacı ile 190 g/L ile 370 g/L değerlerindeki farklı yoğunluklara sahip paneller üretilmiş ve ısı iletim katsayıları ölçülmüştür. Böylece VİP’lerde ısı iletim katsayısı ile panel yoğunluğunun birbirleri ile ilşkisinin anlaşılması amaçlanmıştır. VİP’lerin alternatif yalıtım malzemelerine göre oldukça avantajlı olmasının esas sebebi içerideki hava ve diğer gazlardan arındırılmış olmalarıdır. Panellerin farklı basınç seviyelerinde vakumlanmaları sağlanırsa panel iç basınç seviyesi ile ısı iletim katsayıları arasında ilşki kurulabilecektir. Çalışmalar süresinde üretilen VİP numuneleri 0,01 ile 1000 mbar aralığında vakumlanarak ısı iletim katsayıları ölçülmüş ve panellerin farklı basınç seviyelerindeki yalıtım performansları ortaya konulmaya çalışılmıştır. Bu çalışmalara paralel olarak seçilen VİP’lerin içerisine basınç sensörleri yerleştirilerek zamanla ısı iletiminin değişimi incelenmiştir. İlk günlerde hızlı bir kötüleşme gösteren ısı iletim katsayısının ilerleyen zamanla değişmediği ve sabit bir platoya oturduğu görülmüştür. Binalarda ya da beyaz eşyalarda kullanılacak VİP’lerin servis ömürleri araştırılması gereken oldukça kritik bir konudur. Literatürde bu kapsamda detaylı bir çalışma bulunmamakla birlikte farklı VİP üreticilerinini ya da malzeme enstitütülerinin kendi oluşturdukları standartlar mevcuttur. Çalışmalar kapsamında bir hızlandırılmış yaşlandırma test prosedürü oluşturularak panellerin zaman içerisindeki davranışları simüle edilmeye çalışılmıştır. İklimlendirme kabinlerinde -15°C ve 80°C’lik 8 gün süren çevrimlerden sonra %50 bağıl nem ve 23°C sıcaklık ile 6 ay süren termal yaşlandırmalar yürütülmüştür. Her 30 günlük çevrimin sonunda ısı iletim katsayıları ölçülerek zamanla VİP yalıtım performansının değişimi araştırılmıştır.As a consequence of environmental concerns such as rapid depletion of energy and natural resources and increasing of greenhouse gas emissions, development of novel and promising technological solutions to decrease the energy consumption and provide the efficient usage of energy has become compulsory. Recently, for many countries including Turkey, the energy consumption limit values specified in the regulations has been quite challenging especially for the industrial manufacturers. In this regard, providing energy efficiency products for residential usage with a significant share of annual energy consumption is also attracting attention in this context and has become a promotive research and technology development area. In 2011 and 2012 with great supports and industrial stimulations of the Ministry of Energy and Natural Resources and the Ministry of Industry and Technology, manufacturing of energy efficient white goods and products have been accelerated. The researches and investigations that carried out to analyze the residential energy usage revealed that the large portion of consumption belongs to the refrigerators and other coolant systems. Therefore, to prevent heat flow and to keep constant the temperature in refrigerators for reducing the energy consumption will become feasible with high-performance insulation materials. For this purpose, the development of new insulation systems and materials needed. The aim of preventing heat transfer and heat loss can achieved by thermally resistive and consequently high performance insulation materials owning low heat transfer coefficient. Since effective thermal isolation applications are able to reduce energy consumption rates dramatically, developing novel materials with enhanced thermal insulation features is become necessary. Vacuum insulation panels (VIPs) seem to be one of the most promising solutions for the achievement of reduced energy consumption. Evacuated insulation technology enables a VIP to have approximately 10 times higher thermal resistance than the conventional insulators such as glass fiber, glass wool, expanded polystyrene foam or polyurethane. Vacuum insulation panels (VIP) are superior thermal insulation materials provides better insulation, which allows energy savings without increasing the insulation thickness. Moreover, there are numerous applications of evacuated insulation panels in building insulations, refrigerators and cooling devices, transportation boxes or vessels. As a strong alternative to the conventional insulating techniques, vacuum insulation technology is based on a core insulation material inside of an ultra-high barrier laminated film and evacuating the air and the other gases from inside of the panel. The core material provides mechanical strength and thermal insulating capacity by blocking the free flow of the gas molecules thereby eliminating the heat transfer arising from collisions of gas molecules and air conduction. Furthermore, the laminated gas barrier foil provides the air, gas and vapour tight enclosure for the xx inner of an evacuated isolation panel. Depending on the core material, the getter (adsorbent or desiccant) is added to the infiller material to adsorb permeating atmospheric gases or water vapour in the VIP enclosure. VIPs have reached an effective heat transfer coefficient as low as 3 to 8 mW/m.K depending on the core material used inside of a VIP and the inner vacuum level in 0,1 to 1 mbar units. The general heat transfer mechanisms as solid conductivity, gaseous conductivity and radiative transfer operate in a vacuum tight insulation material as well as other conventional insulation technologies. The solid matrix conduction depends on the structure and characteristics of the core material. The gaseous conduction by gas molecules depends on the inner gas pressure and the thermal radiation depends on the structure and optical properties of the core material additives. Vacuum insulation materials’ superior thermal resistance is arising from the internal filling material based on silica and the open cell porous structure that allows to evacuation process. Therefore, the core material plays a crucial role in the thermal performance, mechanical properties and service life of the insulation system. The most commonly used core materials are heat treated fumed (or pyrogenic) silica, glass fibre, open-cell polyurethane foam, open-cell polystyrene foam, precipitated silica and nanogels. In the core, silica based nanoporous powders, which have an average particle size of 20 nm, used to obtain very low heat transfer coefficient and silicon carbide (SiC) used as opacifier in order to reduce the radiation. As a reinforcement additive, glass fiber is needed to enhance the panel strength and provides great manufacturability of the samples. Since glass fiber also has a low thermal conductivity below the critical pressure of the core material, it supports insulation properties of the vacuum panels. When the vacuum level inside a VIP decreases, the convection heat transfer also reduces. There is a critical pressure value where the effective thermal conductivity of the panels is decline dramatically and it can become negligible. Under that critical inner pressure level, the heat transfer coefficient and the thermal conductivity of the material is about 4,5 to 5 mW/m.K. VIPs’ main components can be divided into three groups: the core material which is a mixture of silica based powder insulation core, glass fiber as a reinforcement and insulator additive and SiC as opacifier agent to reduce the heat loss because of the radiative heat transfer, the laminated gas barrier film provides the air tight enclosure and the getter material for adsorbing the residual gases, air or water vapour in the panel enclosure. In the scope of the thesis, silica-based powder material has developed as an alternative inner core materials for vacuum insulation panels and their characterizations were carried out in the in the experimental process. For the understanding of the chemical structure of the materials, Fourier Transmission Infrared (FTIR) analysis performed to obtain structure and chemical composition of VIP. The resulting spectrum represented the molecular transmission, creating a molecular fingerprint of the sample, which corresponds to the vibration frequencies of chemical bonds. The Si-OH band seen in the FTIR spectrum indicates the silicon based structure of the materials. Furthermore, the determination of general structure and physical properties of the alternative filler materials and VIP specimens Scanning Electron Microscopy (SEM) used. Besides the general morphology of the panel, diameter and the fiber-silica adherence also investigated. SEM performed to obtain the diameter and length of fibers and their attraction with other core materials. xxi Thermal properties determined by Thermo Gravimetric Analysis (TGA) and TGA thermograms obtained. TGA used to obtain percentage of water and inorganic material in the panel. For an exact determination of the surface properties and porosity, surface area analysis performed using the BET method. In this context, rice husk ash, bentonite, sepiolite and vacuum insulation panels with other silica-based powder materials prototypes produced and measured their thermal insulation performance. These alternative materials selected for their high silicon context, high surface area, high thermal stability, open cell structure and porous structure with small pore diameters. The bentonite, sepiolite and silica-based powder insulation materials supplied from their manufacturers. The rice husk ash was prepared with burning of rice hulls at 600°C –700°C in a controlling furnace with a rate of 10°C per minute for six hours. Before the incineration process, the rice husks washed with distilled water and then dried until reaching to the constant mass value. The prepared vacuum insulation panels with rice husk ashes 5,39 mW/mK, bentonite 4,79 mW/mK, sepiolite 5,72 mW/mK and silica based powder material by the 4,39 mW/mK in thermal conductivity with the average value was found. The effect of solid conduction in the insulation materials is quite large. In order to determine the impact of solid matrix, different panel specimens with different densities between 190 g/L and 370 g/L were produced and their thermal conductivity were measured. Thus, the correlation between heat transfer coefficient and VIP density performed. There is an optimum point for minimum heat transfer coefficient, and with increasing density, the thermal conductivity is also rising. Below this optimum density, heat transfer of the core material has radiation tendency, and above this value, solid conduction mechanism is dominant. The core material provides high thermal insulating capacity by preventing the free flow of the gas molecules thereby eliminating the heat transfer arising from gas and air conduction. In the progress of experimental studies, the relationship between inside vacuum level and heat transfer coefficient investigated. Samples produced during studies are in the range 0.01 to 1000 mbar, their thermal conductivity measured, and the insulation performance of the panels are set forth in the different pressure levels. It is revealed that, for silica based VIP core materials there is a critical pressure value. Above this critical pressure, the insulation performance of panel starts to deteriorate. In parallel with this study, the selected VIPs placed pressure sensors and the thermal conductivity change versus time investigated. In the first days, showing a rapid deterioration of the heat transfer coefficient has not changed over the following days. The service life of the panels is a critical issue that should investigated fairly. In this context, a detailed study in the literature could not reach. Although different VIP manufacturers’ different material or standards are available, they create their own internal standard. For this purpose, an accelerated aging test procedure established to simulate the panel insulation performance behavior over the time. In a climate chamber for 8 days cycle of 80°C - 15°C and after aging 23°C with 50% relative humidity the thermal aging studies carried out for 6 months. At the end of each 30 days cycle, the heat transfer coefficients measured. The samples for aging tests were prepared with silica based powder insulation materials and with a start value of 4mW/m.K. At the end of the 6 months, just a 12,5% thermal insulation performance deterioration was observed.Yüksek LisansM.Sc