Στη παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη αισθητήρων που αποτελούνται
από μαγνητοελαστικό έλασμα τύπου Metglas στην επιφάνεια του οποίου έγινε επικάλυψη με ευαίσθητο εκλεκτικό υμένιο. Στη μεγάλη πλειοψηφία των περιπτώσεων ως τέτοιο υμένιο χρησιμοποιήθηκε ζεόλιθος. Διαφορετικοί τύποι ζεόλιθων συνετέθησαν έπειτα από υδροθερμική σύνθεση και προσκολλήθηκαν ισχυρά στην εξωτερική επιφάνεια (και από τις δύο πλευρές) των Metglas. Ένας τέτοιος αισθητήρας συνδυάζει τις ροφικές ικανότητες του εκλεκτικού υμενίου με την ιδιότητα του Metglas να μετατρέπει φορτίσεις μάζας και αλλαγές των ελαστικών ιδιοτήτων του σε μετρούμενες μεταβολές της συχνότητας συντονισμού του. Η συνδυασμένη αυτή ικανότητα του αισθητήρα χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση Πτητικών Οργανικών Ουσιών (VOC’s). Πιο συγκεκριμένα για τον ίδιο σκοπό χρησιμοποιήθηκαν υμένια ζεόλιθων (FAU, MFI και LTA) και πολυμερούς (Bayhydrol-110). Τα VOC’s των οποίων η ανίχνευση εξετάστηκε με τους παραπάνω αισθητήρες είναι: αιθυλεστέρας, πάρα-ξυλόλιο, όρθο-ξυλόλιο, βενζόλιο, κυκλο-εξάνιο, κανονικό-εξάνιο, προπάνιο και προπυλένιο. Δεύτερος στόχος της διατριβής ήταν ο υπολογισμός μηχανικών ιδιοτήτων των ζεόλιθων. Στη βιβλογραφία έχει αποδειχθεί ότι η ρόφηση αερίων επηρεάζει (εκτός από τη μάζα του) και τις μηχανικές ιδιότητες των ζεόλιθων μέσω της μεταβολής του μεγέθους της μοναδιαίας κυψελίδας των. Επομένως η ρόφηση αναμένεται να επηρεάζει εφαρμογές τους (π.χ ζεολιθικές μεμβράνες), των οποίων η απόδοση εξαρτάται άμεσα από τις μηχανικές τους ιδιότητες. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε πειραματική μεθοδολογία με την οποία υπολογίζονται το μέτρο ελαστικότητας Ε των ζεολιθικών φιλμ, και οι τάσεις/παραμορφώσεις που αναπτύσσονται στο ζεολιθικό υμένιο κατά τη ρόφηση αερίων. Ο υπολογισμός για την εύρεση του μέτρου ελαστικότητας βασίζεται στη καταγραφή των μεταβολών της συχνότητας συντονισμού fR πολλαπλών αισθητήρων Metglas/ζεόλιθος διαφορετικού πάχους υμενίου ο καθένας. Η συγκεκριμένη μέθοδος γενικεύεται και βρίσκει εφαρμογή για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας E του Young οποιαδήποτε μικροπορώδους ομοιόμορφου και καλά προσκολλημένου στην επιφάνεια του Metglas υμενίου. Ο υπολογισμός των τάσεων που αναπτύσσονται στο φιλμ κατά τη ρόφηση επιτυγχάνεται με χρήση δύο διαφορετικών μεθόδων. Η πρώτη μέθοδος, εφαρμόζεται σε αισθητήρες στους οποίους επικάλυψη με συνεχές υμένιο ζεόλιθου υπήρχε και από τις δύο πλευρές του Metglas. Με συνδυασμένη χρήση κατάλληλης θεωρίας και μαθηματικού μοντέλου της βιβλιογραφίας για τα μαγνητοελαστικά υλικά υπολογίζονται οι τάσεις που αναπτύσσονται στους ζεόλιθους FAU, LTA και σιλικαλίτη-1 κατά τη ρόφηση υγρασίας. Η δεύτερη μέθοδος υπολογισμού τάσεων εφαρμόστηκε σε αισθητήρα Metglas/MFI, στον οποίο επικάλυψη με συνεχές υμένιο ζεόλιθου υπήρχε μόνο από τη μία πλευρά του ελάσματος. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε αισθητήρα Metglas/MFI κατά τη ρόφηση VOC’s, και βασίζεται στην ευκαμψία και ελαστικότητα που επιδεικνύει ο συγκεκριμένος αισθητήρας κατά τη διεργασία αυτή. Η διαφοροποίηση των δύο επιφανειών ως προς την ομοιομορφία του φιλμ του αισθητήρα, σε συνδυασμό με τη ρόφηση προκαλούν τη κάμψη του, ορατή ακόμα και με γυμνό μάτι, από το μέγεθος της οποίας υπολογίζονται οι τάσεις που αναπτύσσονται στο φιλμ του ζεόλιθου. Σε όλες τις περιπτώσεις ακολουθεί σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων μας με τη βιβλιογραφία. / In the current thesis the development of sensors comprised of magnetoelastic ribbon (Metglas) its surface was coated with selective sensitizing layer was examined. In most cases, zeolites were selected as sensitive layers. Different types of zeolites were synthesized and bounded in both outer surfaces of Metglas using the hydrothermal synthesis technique. Such a sensor combines the adsorptive abilities of sensitizing layer with the inner ability of Metglas to convert mass loadings and changes in the elastic properties in corresponding changes of the measured resonance frequency of the ribbon. That combined ability has been used for the detection of Volatile Organic Compounds (VOC’s). More particularly, for the same purpose zeolite layers (FAU, MFI and LTA) and polymer (Bayhydrol-110) have been used. The detected VOC’s are: ethyl-acetate, para-xylene, ortho-xylene, benzene, cyclohexane, n-hexane, propane and propylene. The second target of the current thesis was the calculation of mechanical properties of zeolites. In the literature has been proved that gas adsorption upon zeolites affects not only its mass but also its mechanical properties through the unit cell changes. Thus, adsorption is expected to affect applications such as zeolite membranes the performance of which is directly affected by their mechanical properties and possible changes. Hence, a new method is proposed which unable the calculation the Young modulus of zeolite films, and the stresses/deformations induced in the zeolite film upon adsorption. The calculation of Young modulus is based on the recording of resonance frequency changes of multiple sensors with different zeolite thickness each. The methodology is general and can be used for measuring Young modulus of any microporous film as long as it can be deposited as uniform layer on a magnetoelastic ribbon. The calculation of adsorption induced stresses is succeeded with two different methods. The first method is applied in sensors in which zeolite coating existed on both surfaces of Metglas ribbon. Combined use of appropriate theory and mathematical model from the literature for the magnetoelastic materials, stresses induced on FAU, LTA and silicalite-1 zeolites upon humidity adsorption were calculated. The second method was applied in Metglas/MFI sensor in which uniform polycrystalline MFI layer existed only from the one side of the ribbon. The method was applied during the adsorption of VOC’s and is based on the bending and elasticity shown by the sensor during the adsorption process. The differentiation of the two surfaces concerning the cohesion of the film, combined with adsorption phenomena cause remarkable bending, visible even with a naked eye, from the magnitude of which stresses induced on zeolite film are calculated. In all cases there is a comparison of our experimental results with corresponding from the literature.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/5506 |
| Date | 17 September 2012 |
| Creators | Μπάιμπος, Θεόδωρος |
| Contributors | Κουτσούκος, Πέτρος, Baimpos, Theodoros, Κουζούδης, Δημήτρης, Νικολάκης, Βλαδίμηρος, Χριστοφόρου, Ευάγγελος, Παρασκευά, Χριστάκης, Νικολόπουλος, Παναγιώτης, Μπουρόπουλος, Νίκος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 12 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0025 seconds