Σύνθεση ζεολιθικών υμενίων στην επιφάνεια μαγνητοελαστικών ελασμάτων για την ανίχνευση πτητικών οργανικών ουσιών και τον προσδιορισμό της επίδρασης της ρόφησης στις μηχανικές ιδιότητες του υμενίου

Abstract

In the current thesis the development of sensors comprised of magnetoelastic ribbon(Metglas) its surface was coated with selective sensitizing layer was examined. In mostcases, zeolites were selected as sensitive layers. Different types of zeolites were synthesizedand 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 ofMetglas to convert mass loadings and changes in the elastic properties in correspondingchanges of the measured resonance frequency of the ribbon. That combined ability has beenused for the detection of Volatile Organic Compounds (VOC’s). More particularly, for thesame purpose zeolite layers (FAU, MFI and LTA) and polymer (Bayhydrol-110) have beenused. 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 ofzeolites. In the literature has been proved that gas adsorption upon zeolites affects not onlyits mass but also its mechanical properties through the unit cell changes. Thus, adsorption isexpected to affect applications such as zeolite membranes the performance of which isdirectly affected by their mechanical properties and possible changes. Hence, a new methodis proposed which unable the calculation the Young modulus of zeolite films, and thestresses/deformations induced in the zeolite film upon adsorption. The calculation of Youngmodulus is based on the recording of resonance frequency changes of multiple sensors withdifferent zeolite thickness each. The methodology is general and can be used for measuringYoung modulus of any microporous film as long as it can be deposited as uniform layer ona magnetoelastic ribbon.The calculation of adsorption induced stresses is succeeded with two differentmethods. The first method is applied in sensors in which zeolite coating existed on bothsurfaces of Metglas ribbon. Combined use of appropriate theory and mathematical modelfrom the literature for the magnetoelastic materials, stresses induced on FAU, LTA andsilicalite-1 zeolites upon humidity adsorption were calculated. The second method wasapplied in Metglas/MFI sensor in which uniform polycrystalline MFI layer existed onlyfrom the one side of the ribbon. The method was applied during the adsorption of VOC’sand is based on the bending and elasticity shown by the sensor during the adsorptionprocess. The differentiation of the two surfaces concerning the cohesion of the film,combined with adsorption phenomena cause remarkable bending, visible even with a nakedeye, from the magnitude of which stresses induced on zeolite film are calculated. In allcases there is a comparison of our experimental results with corresponding from theliterature.

Στη παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη αισθητήρων που αποτελούνταιαπό μαγνητοελαστικό έλασμα τύπου Metglas στην επιφάνεια του οποίου έγινε επικάλυψημε ευαίσθητο εκλεκτικό υμένιο. Στη μεγάλη πλειοψηφία των περιπτώσεων ως τέτοιουμένιο χρησιμοποιήθηκε ζεόλιθος. Διαφορετικοί τύποι ζεόλιθων συνετέθησαν έπειτα απόυδροθερμική σύνθεση και προσκολλήθηκαν ισχυρά στην εξωτερική επιφάνεια (και από τιςδύο πλευρές) των Metglas. Ένας τέτοιος αισθητήρας συνδυάζει τις ροφικές ικανότητες τουεκλεκτικού υμενίου με την ιδιότητα του Metglas να μετατρέπει φορτίσεις μάζας καιαλλαγές των ελαστικών ιδιοτήτων του σε μετρούμενες μεταβολές της συχνότηταςσυντονισμού του. Η συνδυασμένη αυτή ικανότητα του αισθητήρα χρησιμοποιήθηκε γιατην ανίχνευση Πτητικών Οργανικών Ουσιών (VOC’s). Πιο συγκεκριμένα για τον ίδιοσκοπό χρησιμοποιήθηκαν υμένια ζεόλιθων (FAU, MFI και LTA) και πολυμερούς(Bayhydrol-110). Τα VOC’s των οποίων η ανίχνευση εξετάστηκε με τους παραπάνωαισθητήρες είναι: αιθυλεστέρας, πάρα-ξυλόλιο, όρθο-ξυλόλιο, βενζόλιο, κυκλο-εξάνιο,κανονικό-εξάνιο, προπάνιο και προπυλένιο.Δεύτερος στόχος της διατριβής ήταν ο υπολογισμός μηχανικών ιδιοτήτων τωνζεόλιθων. Στη βιβλογραφία έχει αποδειχθεί ότι η ρόφηση αερίων επηρεάζει (εκτός από τημάζα του) και τις μηχανικές ιδιότητες των ζεόλιθων μέσω της μεταβολής του μεγέθους τηςμοναδιαίας κυψελίδας των. Επομένως η ρόφηση αναμένεται να επηρεάζει εφαρμογές τους(π.χ ζεολιθικές μεμβράνες), των οποίων η απόδοση εξαρτάται άμεσα από τις μηχανικέςτους ιδιότητες. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκε πειραματική μεθοδολογία με την οποίαυπολογίζονται το μέτρο ελαστικότητας Ε των ζεολιθικών φιλμ, και οιτάσεις/παραμορφώσεις που αναπτύσσονται στο ζεολιθικό υμένιο υμένιο κατά τη ρόφησηαερίων. Ο υπολογισμός για την εύρεση του μέτρου ελαστικότητας βασίζεται στηκαταγραφή των μεταβολών της συχνότητας συντονισμού fR πολλαπλών αισθητήρωνMetglas/ζεόλιθος διαφορετικού πάχους υμενίου ο καθένας. Η συγκεκριμένη μέθοδοςγενικεύεται και βρίσκει εφαρμογή για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας E τουYoung οποιαδήποτε μικροπορώδους ομοιόμορφου και καλά προσκολλημένου στηνεπιφάνεια του Metglas υμενίου.Ο υπολογισμός των τάσεων που αναπτύσσονται στο φιλμ κατά τη ρόφησηεπιτυγχάνεται με χρήση δύο διαφορετικών μεθόδων. Η πρώτη μέθοδος, εφαρμόζεται σεαισθητήρες στους οποίους επικάλυψη με συνεχές υμένιο ζεόλιθου υπήρχε και από τις δύοπλευρές του Metglas. Με συνδυασμένη χρήση κατάλληλης θεωρίας και μαθηματικούμοντέλου της βιβλιογραφίας για τα μαγνητοελαστικά υλικά υπολογίζονται οι τάσεις πουαναπτύσσονται στους ζεόλιθους FAU, LTA και σιλικαλίτη-1 κατά τη ρόφηση υγρασίας. Ηδεύτερη μέθοδος υπολογισμού τάσεων εφαρμόστηκε σε αισθητήρα Metglas/MFI, στονοποίο επικάλυψη με συνεχές υμένιο ζεόλιθου υπήρχε μόνο από τη μία πλευρά τουελάσματος. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε αισθητήρα Metglas/MFI κατά τη ρόφηση VOC’s,και βασίζεται στην ευκαμψία και ελαστικότητα που επιδεικνύει ο συγκεκριμένοςαισθητήρας κατά τη διεργασία αυτή. Η διαφοροποίηση των δύο επιφανειών ως προς τηνομοιομορφία του φιλμ του αισθητήρα, σε συνδυασμό με τη ρόφηση προκαλούν τη κάμψητου, ορατή ακόμα και με γυμνό μάτι, από το μέγεθος της οποίας υπολογίζονται οι τάσειςπου αναπτύσσονται στο φιλμ του ζεόλιθου. Σε όλες τις περιπτώσεις ακολουθεί σύγκρισητων πειραματικών αποτελεσμάτων μας με τη βιβλιογραφία.