Hybrid polymeric materials comprising clay nanotubes, photothermal agents and phase change materials for food, water, and energy applications

Abstract

Bu tezde, polimerik maddeler, inorganik nanopartiküller ve faz değişim malzemelerin birleşiminden oluşan hibrit kompozit sistemler hazırlanarak, '' gıda güvenliği '', '' temiz suyun korunması '' ve '' enerji tasarrufu '' kavramlarına farklı temel çözümler sunulmuştur. Gıda ürünlerinin korunması için, pazarlama ve nakliye aşamalarında gıdaların, ambalaj malzemelerinin içerisinde raf ömürlerinin uzatılması üzerine iki ana yaklaşım ele alınmıştır. Sunulan çözümlerden biri, meyve ve sebzelerin depolanması için etilen tutucu davranışına sahip halloysite nanotüplerle aktif gıda ambalaj malzemeleri tasarlamaktır. Sunulan diğer çözüm ise, gıda ürünlerinin taşınması aşamasında sıcaklık dalgalanmalarına karşı termal tamponlama özelliğine sahip faz değişim malzemesi / halloysite sistemi içeren bir gıda ambalaj malzemesi tasarlamaktır.Halloysit nanotüplerin merkezde olduğu tüm çalışmalar, partikül kalitesinin nanotüp performansı üzerindeki etkisini düşünmemize yol açmıştır. Homojen boyut dağılımına ve aglomerasyonsuz kaliteye sahip halloysite nanotüplerin lümen yükleme kapasitesi, yüzey fonksiyonlanması ve takviye dolgu maddesi olarak nanokompozit film malzemelerine katkısını araştırmak amacıyla; halloysite nanotüp yüzeylerinin polidopamin tabakası ile kaplanmasını, ultrasonikasyon ile su ortamına dağıtılmasını ve santrifüj ile boyut derecelendirilmesini içeren yeni bir üç aşamalı nanopartikül ayırma yöntemi geliştirilmiştir.Polidopamin yüzey kaplaması üzerine yapılan detaylı çalışma, polidopamin tabakasının ışığı termal enerjiye dönüştürme kabiliyetinden yararlanarak yeni bir malzeme tasarımı fikrine neden olmuştur. Bu açıdan, su bazlı poli (üretan-üre), emülsiyon formunda sentezlenmiş ve polidopamin ile su bazlı poli (üretan-üre) partiküllerinin yüzeyleri kaplanmıştır. Elde edilen poli (dopamin) - (üretan-üre) dispersiyonları ile, ışıktan ısıl enerjiye dönüşüm özelliğine sahip ve ikincil partikül ilavesi içermeyen döküm filmler hazırlamışı ve fototermal performansları sistematik olarak incelenmiştir.Poli (dopamin) - (üretan-üre) dökme filmden elde edilen ümit verici sonuçlar, güneşten termal enerjiye dönüşüm, termal enerji depolama ve uygulanan ortam üzerinde termal tamponlama özelliği dahil olmak üzere çok işlevli bir özelliğe sahip kaplama polimer filmi üretmemizi sağlamıştır. Bu hedefin ilk aşaması olarak, şekle dayanıklı gizli ısı depolama kavramı, zeolitik şekil stabilizatörü ile faz değişim malzemeleri olarak laurik asit ve polietilen glikol kullanılarak incelenmiştir. Bu çalışmadan elde edilen bilgiler, fototermal kabiliyete sahip yeni poli (dopamin) - (üretan-üre) polimer matrisi ve faz değişim malzemesi olarak PEG4000 kullanılarak şekil-kararlı faz değişim filmi hazırlamak için kullanılmıştır. Bu çalışmada, PEG4000, ikincil destek malzemesine kapsüllenmeden poli (dopamin) - (üretan-üre) su dispersiyonunda çözündürülerek, farklı oranlarda polimer matrisine doğrudan entegre edilmiş ve bu sayede, basit bir yöntemle form-kararlı faz değişim kaplama filmi elde edilmiştir.

In this thesis, different fundamental solutions have been offered on the concept of ''save food'', ''save water'', and ''save energy'' by preparing hybrid composite systems comprising the combination of polymeric substances, inorganic nanoparticles, and phase change materials.For the protection of food products, two main approaches were addressed to prolonging the shelf life of foods in the marketing and transportation stages while inside of packaging materials. One offered solution was to design active food packaging materials with halloysite nanotubes having the ethylene scavenging behavior for the storage of fruits and vegetables. The other offered solution was to design a food packaging material with the phase change material/halloysite hybrid system having thermal buffering property against temperature fluctuations during the transportation stage of food products. All studies in which halloysite nanotubes were at the center have led us to consider the effect of particle quality on nanotube performance. In order to investigate the contribution of halloysite nanotubes having homogeneous size distribution and agglomeration-free quality on lumen loading capacity, surface functionalization, and as reinforcing filler into nanocomposite film materials; a new three-step nanoparticle separation method was developed involving being coated of halloysite nanotube surfaces with a polydopamine layer, dispersed with ultrasonication into the water medium and graded with centrifugation. The detailed study on polydopamine surface coating caused a new material design idea by utilizing the light to thermal energy conversion capability of the polydopamine layer. From this viewpoint, waterborne poly(urethane-urea) was synthesized at emulsion form and coated to surfaces of waterborne poly(urethane-urea) particles with polydopamine. Cast films, which had light to thermal energy conversion ability without containing any other secondary particle incorporation, were prepared by obtained poly(dopamine)-(urethane-urea) dispersions, and photothermal performances were examined systematically.Obtained promising results taken from poly(dopamine)-(urethane-urea) cast film induced us to produce a coating polymer film which had a multifunctional property including solar to thermal energy conversion, thermal energy storage, and thermal buffering property over the applied environment. As the first stage of this target, the shape-stable latent heat storage concept was examined by using zeolitic shape stabilizer and lauric acid and polyethylene glycol as phase change materials. Following, the acquired knowledge from this study was used to prepared form-stable phase change film by using novel poly(dopamine)-(urethane-urea) polymer matrix having intrinsically the photothermal capability and PEG4000 as phase change material. In this study, PEG4000 was directly integrated into the polymer matrix at different ratios by dissolving in poly(dopamine)-(urethane-urea) water dispersion without having encapsulated into secondary supporting material, which resulted in obtaining a form-stable phase change coating film with a one-pot simple method.