Ρόφηση ατμών σε λεπτά πολυμερικά υμένια
Authors: Μανώλη Κυριακή 
Published: January 2014

Η εργασία αφορά στη μελέτη ρόφησης οργανικών ατμών και υδρατμών σε πολυμερικά υμένια και στην εφαρμογή των φαινομένων αυτών στην ανάπτυξη και αξιολόγηση της λειτουργίας χημικών αισθητήρων. Η αρχή λειτουργίας πολλών τύπων χημικών αισθητήρων αερίων βασίζεται στην διάχυση του αερίου στο πολυμερές. Η εργασία επιχειρεί να συμβάλλει στην εκλογικευμένη ανάπτυξη αισθητήρων αερίων τύπου χημειοπυκνωτών και περιλαμβάνει τα έξης στάδια: (i) Χαρακτηρισμό της ροφητικής ικανότητας μιας σειράς πολυμερών σε τέσσερεις αναλυτές. (ii) Επιλογή, με βάση την παραπάνω μελέτη πολυμερών για την κατασκευή συστοιχίας τεσσάρων χημειοπυκνωτών και αξιολόγηση των αποκρίσεών τους σε διάφορες συγκεντρώσεις των αναλυτών. (iii) Συσχέτιση των πειραματικών αποκρίσεων με τις αναμενόμενες μεταβολές στην χωρητικότητα του πυκνωτή βάσει της υπολογιζόμενης διηλεκτρικής σταθεράς του μίγματος πολυμερούς-αναλυτή. (iv) Ανάπτυξη σύνθετων πολυμερικών υλικών με τον εμπλουτισμό των ΡΗΕΜΑ και ΡΒΜΑ με BaTiΟ₃ και μελέτη των υλικών αυτών ως αισθητήρια υλικά. i) Ο χαρακτηρισμός της ροφητικής ικανότητας των πολυμερικών υλικών παρουσία ατμών οργανικών ενώσεων και υδρατμών πραγματοποιήθηκε με την μέθοδο της οπτικής συμβολομετρίας ευρέος φάσματος. Τα πολυμερή που μελετήθηκαν είναι ΡΜΜΑ, ΡΒΜΑ, PiBMA, ΡΗΕΜΑ [P(DMS co DPhS) - OH και P(DMS co DPhS) –vinyl. Οι αναλυτές είναι νερό μεθανόλη, αιθανόλη, οξεικός Αιθυλεστέρας. Ο χαρακτηρισμός κάθε συστήματος βασίστηκε στις ισόθερμες ροφήσεως. Στις ισόθερμες έγινε προσαρμογή της εξίσωσης Flory-Huggins. Προσδιορίσθηκε για κάθε σύστημα ο παράγοντας αλληλεπίδρασης χ ο συντελεστής διαλυτότητας σε άπειρη αραίωση S. O S αυξάνεται με τη μείωση της διαφοράς μεταξύ των παραμέτρων διαλυτότητας αναλυτή πολυμερούς (δαναλύτη-δπολυμερούς). Επίσης συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα της οπτικής συμβολομετρίας με κλασικές σταθμικές μεθόδους. ii) Επιλέγοντας τέσσερα πολυμερή (ΡΒΜΑ P(DMS-co-DPhS)-OH ΡΗΕΜΑ, PEI) κατασκευάστηκε συστοιχία 4 αισθητήρων χωρητικότητας αλληλεπικαλυπτομένων ηλεκτροδίων με τεχνικές μικροηλεκτρονικής. Οι πειραματικές τιμές των αρχικών χωρητικοτήτων των χημειοπυκvωτών συμφωνούν ικανοποιητικά με θεωρητικό υπολογισμό της χωρητικότητας πυκνωτών τέτοιου τύπου. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις χωρητικότητας σε ένα εύρος συγκεντρώσεων (1000 20000ppm) για όλους τους αναλυτές. Οι αισθητήρες παρουσίασαν αναπαραγωγιμότητα, αντιστρεψιμότητα, επαναληπτικότητα, σταθερότητα με το χρόνο και γραμμική συμπεριφορά με τη συγκέντρωση του αναλυτή στην περιοχή των χαμηλών συγκεντρώσεων. iii) Οι αποκρίσεις των αισθητήρων συσχετίσθηκαν με αναμενόμενες μεταβολές στην χωρητικότητα του πυκνωτή βάσει της υπολογιζόμενης διηλεκτρικής σταθεράς του μίγματος πολυμερούς αναλυτή λόγω ρόφησης του αναλυτή. Με την επεξεργασία αυτή είδαμε ότι αναπαράγεται: α) η σειρά εκλεκτικότητας των αισθητήρων ως προς 3 αναλυτές, β) η αύξηση της απόκρισης με την συγκέντρωση του αναλυτή. Η συστοιχία μετρήθηκε παρουσία ισομοριακών δυαδικών μιγμάτων των αναλυτών. Οι αισθητήρες αντιλαμβάνονται την παρουσία/απουσία του κάθε συστατικού και οι αποκρίσεις στα μίγματα ήταν ίσες με το άθροισμα των αποκρίσεων των καθαρών συστατικών. iv) BaTiΟ₃ ενσωματώθηκε στην πολυμερική μήτρα για να αυξήσει την αρχική χωρητικότητα τουαισθητήρα και κατ’ επέκταση την απόκρισή του. Ο χαρακτηρισμός της μορφολογίας των υμενίων των σύνθετων έδειξε ότι το BaTiΟ₃ διασπείρεται καλύτερα στο ΡΒΜΑ απ’ ότι στο ΡΗΕΜΑ. Οι πειραματικές τιμές της διηλεκτρικής σταθεράς των σύνθετων ακολουθούν τη λογαριθμική εξίσωση Lichtenecker. Ο λογάριθμος της ε του σύνθετου έχει γραμμική σχέση με την συγκέντρωση του BaTiΟ₃. Ανάλογη συμπεριφορά παρατηρήθηκε και στις αρχικές χωρητικότητες των πυκνωτών με σύνθετα αισθητήρια υλικά. Οι αποκρίσεις AC των αισθητήρων με σύνθετα παρουσία των τεσσάρων αναλυτών αυξάνονται με την αύξηση της συγκέντρωσης του BaTiΟ₃.