Development of polymeric gas sensors
Polimerik gaz sensörlerin geliştirilmesi
- Tez No: 810908
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRE BÜKÜŞOĞLU, DOÇ. DR. ERHAN BAT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 123
Özet
Uçucu organik bileşiklerin (UOB) tespiti, insan sağlığı üzerindeki zararlı etkilerinden dolayı önemli bir konudur. Çalışmanın ilk bölümünde, kolesterik sıvı kristallerden (KSK'ler) şablonlanan anizotropik polimerik filmlerin, 100 ppm mertebesinde konsantrasyonda UOB'lerin tanımlanmasındaki hassasiyetini arttırmayı amaçladık. Duyarlılığı artırmak için filmlere sarmal eksene paralel yönde gerinim uyguladık ve bunun duyarlılık üzerindeki etkisini değerlendirdik. Spesifik olarak, reaktif [4-(3-akriloyoksipropiloksi) benzoik asit 2-metil-1,4-fenilen ester (RM257)], reaktif olmayan E7 mezojen ve kiral katkı maddesi [4-(1-metilheptiloksikarbonil)fenil-4'ün LC karışımlarını kullandık. -heksiloksibenzoat)) (S-811)] bir kama hücresi kullanarak programlanmış gerinim profillerine sahip KSK-şablonlu polimerik filmleri sentezlemek için kullanıldı ve bir dizi toluen buhar konsantrasyonuna karşı tepkilerini ölçüldü. Elde edilen sonuçlara dayanarak, filmin rengindeki değişiklikten değerlendirilen uzamsal tepkilere dayalı olarak, kolesterik perdedeki gerinim ile sensörün hassasiyeti arasında bir ilişki olduğunu gösterdik. Sonuçlarımız, gerinimin, gerilmemiş muadillerine kıyasla sensörlerin hassasiyetini 15 kata kadar artırmaya yardımcı olduğunu gösterdi. Ayrıca, denge yanıtının %90'ına, UOB'lerin hızlı teşhisini sağlayarak bir dakikadan daha kısa sürede ulaşılmıştır. Sensörlerin tersine çevrilebilirliğine yönelik testlerimiz, KSK-şablonlu polimerik filmlerin, önemli bir hassasiyet kaybı olmadan birden çok kez kullanılabileceğini gösterdi. Bu yapıların özgüllüğünü ve yeniden kullanılabilirliğini artırmak ve yararlı uygulamalara başarılı bir şekilde entegre olmalarını sağlamak için hassasiyetle birlikte, çalışmanın ikinci bölümünde, poli(RM257) yapısında KSK-şablonlu polimerik filmler ve polidimetilsiloksana (PDMS) dayalı bir iç içe geçen polimerik ağ geliştirdik. Polimerik matristeki değişiklikleri optik olarak raporlamak için KSK yapılarını kullanan jenerik KSK bazlı iç içe geçen polimerik ağ sensörlerinin aksine, sensör performansını iyileştirmek için iç içe geçen polimerik ağ bileşenlerinin (hem KSK şablonlu hem de nüfuz eden polimerik yapılar) işbirlikçi yanıt verebilirliğini kullandık. PDMS yapısının elastik şişme davranışı, doygunluklarına kadar yüksek UOB buhar konsantrasyonlarına bile maruz kaldıktan sonra poli(RM257) polimerik sensörün dayanıklılığını ve yeniden kullanılabilirliğini artırdı. Hem poli(RM257) hem de iç içe geçen polimerik ağ filmlerin sensör testleri, toluen, heksan, aseton, etanol ve ayrıca su buharı olmak üzere dört farklı VOC buharına karşı gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, PDMS ve poli(RM257) polimerik yapıların buharlara karşı sinerjik şişme davranışının, kazanılan özgüllük ve gelişmiş hassasiyet açısından sensör performansını doğrudan etkilediğini gösterdi. Ayrıca gerçek zamanlı deneyler, polimerik sensörlerin ölçüm doğruluğunun, tepkisinin ve toparlanma süresinin de iç içe geçen polimerik ağ 'nin geliştirilmesiyle iç içe geçen polimerik ağ olmayan muadillerine kıyasla önemli ölçüde iyileştiğini gösterdi. Bu çalışma, bileşen polimerlerin hedeflenen türlere karşı ayrıntılı tasarımı yoluyla çeşitli uygulamalara karşı sensörlerin daha fazla mühendisliğine yönelik bir vaat göstermektedir. Çalışmanın son bölümünde ise optik olarak aktif kiral metallomezojenlerin sentezlenmesi ve karakterize edilmesi amaçlandı. Literatürde sunulan çalışmalar ışığında, ortaya çıkan molekülün reaktif akrilat uç gruplarına, aminoalkollerin getirdiği kiral kısma ve Pd), Cu veya Zn olmak üzere üç farklı metal çekirdeğe sahip olduğu bir sentez yolu geliştirilmiştir. İlk olarak, kiral reaktif metallomezojenlerin kiral davranışları üzerinde metal çekirdek tipinin etkisini incelemeyi amaçladık. Bu nedenle kiral gruplar oluşturmak için (R)- ve (S)-2-amino-1-butanol aminoalkoller kullanıldı ve üç farklı metal asetat ile kompleksleştirildi; Pd, Cu ve Zn asetat. Pd ve Cu komplekslerinin kiral davranışı, optik karakterizasyon ile doğrulandı ve kiral molekülün sarmal burulma gücü (HTP) üzerinde metal çekirdek tipinin önemli bir etkisi gözlenmedi. Zn kompleksleri, Zn'nin kararsız tetrahedral yapısından dolayı kiral katkı maddesi gibi davranmadı. Ayrıca amino alkol kiral grubunun kiral reaktif metallomezojenlerin davranışı üzerindeki etkisini incelemeyi amaçladık. Fenil içeren veya içermeyen farklı alkil zincir uzunluklarına sahip dört farklı amino alkol daha kullandık ve bunları paladyum (II) asetat ile kompleks haline getirdik. Optik karakterizasyon sonuçları kiral grubunda fenil bulunan amino alkollerden sentezlenen komplekslerin kiral davranış sergilemediğini ortaya koymuştur. Dört farklı Pd kompleksinin kiral özelliklerini karşılaştırdığımızda, kiral grup zincir uzunluğundaki artışın zift boyutunu artırdığını ve kiral reaktif metallomezojenlerin HTP'sini azalttığını gözlemledik. Ayrıca kiral reaktif metalomesojenler, UV ışığı altında polimerize edildi ve optik karakterizasyon ve UV-görünür spektrofotometri ile doğrulandı.
Özet (Çeviri)
Detection of volatile organic compounds (VOCs) is an important issue due to their harmful impact on human health. In the first part of the study, we aimed at enhancing the sensitivity of the anisotropic polymeric films templated from cholesteric liquid crystals (CLCs) in the identification of VOCs at concentration in the order of 100 ppm. To increase sensitivity, we introduced strain to the films in the direction parallel to the helical axis and evaluated its effect on the sensitivity. Specifically, we used LC mixtures of reactive [4-(3-acryloyoxypropyloxy) benzoic acid 2-methyl-1,4-phenylene ester (RM257)], nonreactive E7 mesogen and chiral dopant [4-(1-methylheptyloxycarbonyl)phenyl-4-hexyloxybenzoate)) (S-811)] to synthesize CLC-templated polymeric films with programmed strain profiles using a wedge cell, and measured their response against a range of toluene vapor concentrations. Based on the obtained results, we demonstrated a relationship between the strain in the cholesteric pitch and the sensitivity of the sensor based on spacial responses evaluated from the change in coloring of the film. Our results showed that strain helps to increase the sensitivity of the sensors up to 15 times compared to their unstrained counterparts. Moreover, 90% of the equilibrium response is achieved in less than one minute of exposure which offers rapid diagnosis of VOCs. Our tests for the reversibility of the sensors showed that the CLC-templated polymeric films can be used multiple times without a significant loss of sensitivity. In order to increase the specificity and reusability of these structures together with sensitivity to achieve their successful integration into useful applications, in the second part of the study, we developed an interpenetrating polymeric network (IPN) based on poly(RM257) structure of CLC-templated polymeric films and polydimethylsiloxane (PDMS). Contrary to the generic CLC-hosted IPN sensors that use CLC structures to optically report the changes in the polymeric matrix, we employed the collaborative responsiveness of the constituents of the IPN (both CLC-templated and penetrated polymeric structures) to improve the sensor performance. The elastic swelling behavior of PDMS structure increased the durability and reusability of the poly(RM257) polymeric sensor upon exposure to even high VOC vapor concentrations up to their saturation. The sensor tests of both poly(RM257) and IPN films were carried out against four different VOC vapors namely toluene, hexane, acetone, ethanol and also water vapor. The results showed that the synergistic swelling behavior of PDMS and poly(RM257) polymeric structures against vapors directly affected the sensor performance in terms of earned specificity and enhanced sensitivity. Moreover, the real time experiments showed that the measurement accuracy, response, and recovery time of the polymeric sensors were also improved significantly by the development of IPN as compared to their non-IPN counterparts. This study shows a promise towards further engineering of sensors against various applications through detailed design of the constituent polymers against targeted species. In the last part of the study, we aimed to synthesize and characterize optically active chiral metallomesogens. In the light of the studies presented in literature, a synthesis pathway was developed where the resulting molecule has reactive acrylate end groups, chiral part introduced by aminoalcohols and metal cores namely as either Pd, Cu or Zn. We firstly aimed to study effect of metal core type on chiral behavior of chiral reactive metallomesogens. Therefore, (R)- or (S)-2-amino-1-butanol aminoalcohols were used to create chiral groups and complexed with three different metal acetates namely; Pd, Cu and Zn acetate. Chiral behavior of Pd and Cu complexes were confirmed by optical characterization and no significant impact of metal core type was observed on helical twisting power (HTP) of the chiral molecule. The complexes of Zn did not possess chiral symmetry due to unstable tetrahedral structure of Zn. We also aimed to examine effect of amino alcohol chiral group on behavior of the chiral reactive metallomesogens. Therefore, we used four more different amino alcohols with varying length of alkyl chains with or without phenyl groups and complexed them with palladium (II) acetate. Optical characterization results revealed that the complexes synthesized from the amino alcohols which has phenyl in their chiral group does not exhibit chiral behavior. When we compared chiral feature of the four different Pd complexes, we observed that increase of the chiral group chain length increases pitch size and decrease of HTP of the chiral reactive metallomesogens. Moreover, chiral reactive metallomesogens were photo-polymerized under UV light which was confirmed by optical characterizations and UV-visible spectrophotometry.
Benzer Tezler
- Gözenekli destekler üzerinde zeolit kaplamaların hazırlanması ve karakterizasyonu
The Preparation and characterization of zeolite a coatings on prous support
FİLİZ ÖMEROĞLU
- Development of nanoelectromechanical systems functionalized by vacuum organic thermal evaporation and their gas sensing applications
Vakum organik ısısal buharlaştırma ile fonksiyonelleştirilmiş nanoelektromekanik sistemler ve gaz ölçüm uygulamaları
MUSTAFA ÇAĞATAY KARAKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET SELİM HANAY
- Püskürtmeli kurutma ve termal bozunma prosesleri ile ZnO esaslı partiküllerin ve kompozit yapıların sentezlenmesi ve karakterizasyonu
Characterization and synthesis of ZnO based particles and composite structures via spray drying and thermal decomposition processes
ŞEYMA DUMAN
Doktora
İngilizce
2016
Seramik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURAK ÖZKAL
- İyon seçici sol-jel film sentezi ve optik sensör olarak kullanmı
Ion selective sol-gel film synthesis and usage as optical sensor
MERVE UMUTLU
- Fonksiyonel ferrosenil naftakinon ve çinko ftalosiyanin bileşiklerine dayalı voltametrik be2+ iyon sensörlerinin geliştirilmesi
Development of voltammetric be2+ ion sensors based on functional ferrocenyl naftaquinone and zinc phthalocyanine compounds
SEÇİL KIRLANGIÇ ATAŞEN
