Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Permanent URI for this collection
Browse
Recent Submissions
- ItemOpen AccessSedimentation of a spherical particle in an electrolyte viscoelastic solution(2023-10-19)When a charged particle translates through an electrolyte solution, the Electric Double Layer (EDL) around it deforms in response to the fluid motion and creates an electric force opposite to the direction of motion, decreasing the settling velocity. This is a multidisciplinary phenomenon that combines fluid mechanics and electrodynamics, differentiating it from the classical problem of an uncharged, sedimenting particle. It has many applications varying from mechanical to biomedical, such as in drug delivery in blood through charged microparticles. Related studies, so far, have focused on Newtonian fluids, but recent studies have proven that many biofluids, such as human blood plasma, have elastic properties. To this end, we perform a computational study of the steady sedimentation of a spherical, charged particle in human blood plasma due to centrifugal force. We use the Giesekus model to describe the rheological behavior of human blood plasma. Assuming axial symmetry, the governing equations include the momentum and mass balances, Poisson's equation for the electric field, and the species conservation. They are solved numerically using the finite element method. The finite size of the ions is considered through the LDA approach of Carnahan-Starling. We make a detailed parametric analysis, varying parameters such as the ζ potential, the size of the ions, and the centrifugal force exerted upon the particle. We observe that as the ζ potential increases, the settling velocity decreases due to a stronger electric force that slows down the particle. As a result, the stresses on the surface of the particle decrease. We also conduct a parametric analysis of the relaxation time of the material, to investigate what happens generally in viscoelastic electrolyte solutions and not only in human blood plasma. We conclude that elasticity plays a crucial role, and it should not be excluded from the study. Finally, we examine in which range of zeta potential and ratio of particle diameter to Debye length, the assumption of point-like ions gives different predictions from the Carnahan-Starling approach.
- ItemOpen AccessΑνάπτυξη, χαρακτηρισμός και λειτουργική συμπεριφορά του σύνθετου υβριδικού συστήματος νανοσωματιδίων ζιρκονικού βαρίου/νανοσωλήνων άνθρακα/εποξειδικής ρητίνης(2023-06-28)Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας που περιλαμβάνουν κεραμικά εγκλείσματα είναι μια ξεχωριστή κατηγορία υλικών που έχει ως αποτέλεσμα να μελετιούνται από την τεχνολογική και επιστημονική κοινότητα. Ως σύνθετο υλικό ορίζεται αυτό το οποίο αποτελείται από δύο ή περισσότερες διακριτές φάσεις. Οι διακριτές φάσεις είναι η μήτρα και η ενισχυτική φάση. Μάλιστα, μεταξύ αυτών των δύο φάσεων αναπτύσσεται και περιέχεται η διεπιφανειακή φάση όπου έχει τις ενδιάμεσες ιδιότητες από τις προηγούμενες φάσεις. Οι ιδιότητες των φάσεων συνδυάζονται που έχει ως αποτέλεσμα το τελικό υλικό να έχει διαφορετικές ιδιότητες από τις επερχόμενες φάσεις. Ακόμη, ορισμένα κεραμικά εγκλείσματα προσδίδουν λειτουργικές ιδιότητες στα σύνθετα υλικά. Επίσης, τα εγκλείσματα του άνθρακα συμβάλλουν στην αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των δοκιμίων. Σε αυτή την μεταπτυχιακή εργασία αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν σύνθετα υβριδικά συστήματα με παράμετρο την περιεκτικότητα των ενισχυτικών φάσεων. Ως μητρική φάση χρησιμοποιήθηκε η εποξειδική ρητίνη ενώ οι ενισχυτικές φάσεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν το ζιρκονικό βάριο (BaZrO3) και οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs). Τα περοβσκιτικά νανοεγκλείσματα ανάλογα με την κρυσταλλική τους δομή παρουσιάζουν διάφορες ιδιότητες όπως είναι ο πιεζοηλεκτρισμός. Τα CNTs αυξάνουν τα αγώγιμα ΄΄μονοπάτια΄΄ στο εσωτερικό της ατομικής δομής των δοκιμίων. Ωστόσο, η περιεκτικότητα των νανοεγκλεισμάτων χρειάζεται να είναι τέτοια ώστε να μην δημιουργούνται συσσωματώματα στο εσωτερικό της ατομικής δομής των δοκιμίων επειδή υπάρχει υποβάθμιση των ιδιοτήτων τους. Με την χρήση της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος μελετήθηκε η ηλεκτρική συμπεριφορά των υβριδικών νανοσύνθετων υλικών. Αυτή μελετήθηκε με την ανίχνευση και την καταγραφή των αντίστοιχων διεργασιών χαλάρωσης. Ωστόσο, χρειάστηκε η εφαρμογή εναλλασσόμενου πεδίου και θερμοκρασίας μεγάλου εύρους. Η πολυμερική μήτρα εμφάνισε δύο διεργασίες χαλάρωσης. Η πρώτη διεργασία χαλάρωσης ήταν η α-χαλάρωση όπου σχετίζεται με την μετάπτωση της πολυμερικής μήτρας από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση. Η δεύτερη διεργασία χαλάρωσης ήταν η διεπιφανειακή πόλωση η οποία οφείλεται στην ύπαρξη πλαστικοποιητών και μονομερών. Ακόμη, αυτή η διεργασία χαλάρωσης παρατηρήθηκε και στα υβριδικά σύνθετα υλικά λόγω της ύπαρξης των νανοεγκλεισμάτων ζιρκονικού βαρίου και νανοσωλήνων άνθρακα. Ακόμη, με την προσθήκη των δύο ενισχυτικών φάσεων αυξάνεται η ηλεκτρική ετερογένεια που έχει ως αποτέλεσμα να εντείνεται και η διεπιφανειακή πόλωση των υλικών. Επίσης, σε αυτά παρατηρήθηκε η διεργασία της β-χαλάρωσης η οποία σχετίζεται με την επαναδιευθέτηση των πλευρικών πολικών ομάδων. Τέλος παρατηρήθηκαν κορυφές οι οποίες αντιστοιχούν στην μετάβαση του BaZrO3 από την αντισιδηροηλεκτρική στην σιδηροηλεκτρική φάση. Με την χρήση της Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά των δοκιμίων μέσω της εφαρμογής κυκλικής τάσης ή παραμόρφωσης με την ταυτόχρονη εφαρμογή θερμότητας στα δοκίμια. Αυτή η μέθοδος χαρακτηρισμού είναι μη καταστροφική. Μέσω αυτής μελετήθηκε η αναπτυσσόμενη διεπιφάνεια μεταξύ των φάσεων από την θερμοκρασία της υαλώδους μετάπτωσης Tg. Ακόμη, η Tg βρίσκεται από τα διαγράμματα της εφαπτομένης απωλειών (tanδ) καθώς περιέχει ως μέγεθος την αποθηκευμένη ενέργεια αλλά και την ενέργεια απωλειών. Η Tg βρίσκεται μέσο της κορυφής. Τέλος, μελετήθηκε και η μηχανική συμπεριφορά των δοκιμίων και κατά πόσο επηρεαζόταν αυτή από την αύξηση της περιεκτικότητας των νανοεγκλεισμάτων. Μέσω της στατικής μηχανικής δοκιμής εφελκυσμού μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά των δοκιμίων και υπολογίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών μέσω των διαγραμμάτων της τάσης συναρτήσει επί της εκατό παραμόρφωσης των δοκιμίων. Τέλος, ήταν καταστροφική μέθοδος οπότε έγινε τελευταία. Αυτή η μεταπτυχιακή εργασία είχε ως σκοπό την μελέτη της αποθήκευσης ενέργειας από τα δοκίμια αλλά και την λειτουργική τους συμπεριφορά. Αυτή βασιζόταν στην παρουσία του BaZrO3 όπου μπορούσε μέσω της διαμόρφωσης της κρυσταλλικής του δομής να καθορίζει την πόλωσή του. Έτσι μπορούσε να συνεισφέρει στην συνολική πόλωση του υλικού.
- ItemOpen AccessΥβριδικά νανοσύνθετα εποξειδικής ρητίνης, σωματιδίων χαλκού, νανοσωλήνων άνθρακα : ανάπτυξη, μελέτη και λειτουργική συμπεριφορά(2023-08-31)Τα νανοσύνθετα υλικά έχουν προκαλέσει έντονο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια τόσο στην επιστημονική όσο και στην βιομηχανική κοινότητα, λόγω του ευρέως φάσματος των εφαρμογών τους. Μπορούν να συνδυάσουν την υψηλή διηλεκτρική αντοχή των πολυμερών καθώς και την υψηλή διηλεκτρική σταθερά των κεραμικών. Σύνθετο υλικό καλείται το υλικό που αποτελείται από τουλάχιστον δύο διακριτές φάσεις. Ο συνδυασμός των ιδιοτήτων των επιμέρους συστατικών δημιουργεί ένα υλικό με βελτιωμένες ιδιότητες.Η χρήση της εποξειδικής ρητίνης ως πολυμερική μήτρα λόγω των θερμομηχανικών ιδιοτήτων της, την προστασία από διάβρωση που προσφέρει κ.α είναι πλέον αρκετά διαδεδομένη. Η χρήση ενισχυτικών ινών προσδίδει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες, καθώς και η ανάπτυξη υβριδικών σύνθετων υλικών με διαφορετικά εγκλείσματα μπορεί να προσδώσει διαφορετικά ευρήματα για τις ιδιότητες καθώς και την λειτουργικότητα τους. Στην παρούσα μεταπτυχική διατριβή έγινε η παρασκευή και μελέτη 9 δοκιμίων εποξειδικής ρητίνης με διαφορετικές περιεκτικότητες σε σωματίδια Cu (5 phr, 10 phr,20 phr ) και σωματίδια νανοσωλήνων άνθρακα (1 phr, 3 phr, 5 phr). Στη συνέχεια αυτά τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε διάφορες τεχνικές χαρακτηρισμού με σκοπό την μελέτη της θερμομηχανικής και διηλεκτρικής τους απόκρισης. Οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών εξετάστηκαν μέσω της Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης (DMA), ενώ η διηλεκτρική απόκρισή τους εξετάστικε μέσω της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (BDS) .Τα αποτελέσματα των παραπάνω μετρήσεων έδειξαν την θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης κατα την οποία το υλικό μεταβαίνει απο την υαλώδη στην ελαστομερική φάση. Καταγράφηκε ότι τα δείγματα παύουν να είναι διηλεκτρικά λόγω της περιεκτικότητας τους σε αγώγιμες φάσεις. Αυξάνοντας δηλαδή την περιεκτικότητα σε νανοσωματίδια αυξάνει παράλληλα και η ειδική αγωγιμότητα.
- ItemOpen AccessΔισδιάστατα ανόργανα και υβριδικά υλικά με εφαρμογές στο διαχωρισμό αερίων : σύνθεση, δομή, φασματοσκοπικός και φυσικοχημικός χαρακτηρισμός(2020-07-19)Τα μεταλλικά οργανικά δίκτυα (metal organic frameworks, MOFs) έχουν αναδειχθεί ως μια ελκυστική κατηγορία πορωδών κρυσταλλικών πολυμερικών υλικών τα τελευταία χρόνια, τα οποία συντίθενται από μεταλλοϊόντα και οργανικούς υποκαταστάτες με εξαιρετικά οργανωμένες διευθετήσεις στο χώρο, δημιουργώντας πόρους διαφόρων διαμέτρων. Σε σύγκριση με τα κοινά ογκώδη MOFs, τα νανόφυλλα MOFs δύο διαστάσεων (2D MNS) παρουσιάζουν εντυπωσιακές ιδιότητες, όπως το εξαιρετικά λεπτό τους πάχος και οι πιο προσιτές ενεργές τους θέσεις, και θεωρούνται σήμερα ως μια κατηγορία συναρπαστικών νέων υλικών δύο διαστάσεων. Η δομική ποικιλομορφία του δικτύου και η πολυλειτουργικότητα των πόρων καθιστούν αυτή την κατηγορία υλικών υποψήφια για μια πληθώρα περιβαλλοντικών εφαρμογών, όπως είναι ο διαχωρισμός αερίων, η μετατροπή και η αποθήκευση ενέργειας, καθώς επίσης και η χρήση τους ως καταλύτες, αισθητήρες, πιεζοηλεκτρικά και μαγνητικά υλικά. Η αυξανόμενη συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα έχει οδηγήσει στην αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη και στις κλιματικές αλλαγές. Έτσι, το ερευνητικό ενδιαφέρον έχει στραφεί στην ανάπτυξη τεχνολογιών για τη δέσμευσή του. Η χρήση των μεμβρανών για το διαχωρισμό αερίων παρουσιάζει συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον, αφού συνδυάζει την απλότητα της εγκατάστασης και λειτουργίας με το χαμηλό κόστος και την χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Συγκεκριμένα, οι σύνθετες μεμβράνες πολυμερούς με ανόργανα πορώδη υλικά παρουσιάζονται ιδιαίτερα ελκυστικές αφού συνδυάζουν την ευκολία παρασκευής, την ευκαμψία και το χαμηλό κόστος επένδυσης των πολυμερών με τις εξαιρετικές ιδιότητες διαπερατότητας και εκλεκτικότητας των ανόργανων πορωδών υλικών. Στην παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία, παρασκευάστηκε υπό αερόβιες συνθήκες αντίδρασης, και χαρακτηρίσθηκε δομικά, φασματοσκοπικά και φυσικοχημικά μια νέα πολυμερική ανόργανη ένωση με χημικό τύπο {[Tb2(NO3)2(atp)2(DMF)4](benzene)}n, που προέκυψε από τη χρήση του γεφυρωτικού υποκαταστάτη 2-αμινοτεραφθαλικό οξύ (atpΗ2). Το προκύπτον δισδιάστατο μοριακό πολυμερές εμφάνισε μεγάλο πορώδες με μέση διάμετρο πόρων ⁓1.2 Å. Επιπρόσθετα, συντέθηκε και χαρακτηρίσθηκε φασματοσκοπικά το συμπολυμερές P(IB-TFAPh), με χρήση του εμπορικά διαθέσιμου μονομερούς 2,2,2-τριφθοροακετοφαινόνης. Τέλος, παρασκευάσθηκε το υβριδικό υλικό συμπολυμερούς/ανόργανου πολυμερούς, το οποίο προέκυψε από την ενσωμάτωση του πορώδους ανόργανου μοριακού υλικού στην πολυμερική μήτρα, με σκοπό τη δημιουργία μεμβρανών για τη διεργασία διαχωρισμού αερίων. Αξίζει να αναφερθεί ότι η υβριδική μεμβράνη εμφανίζει υψηλότερες τιμές διαπερατότητας ως προς CO2, H2, CH4 και H2O, και εκλεκτικότητας ως προς τα μίγματα αερίων CO2/CH4 και H2O/CH4 σε σύγκριση με την αυτούσια πολυμερική μεμβράνη.
- ItemOpen AccessΜέθοδοι σύνθεσης υπερελαφρών υλικών με βάση τις οργανικές ρητίνες(2023-07-11)Τα κτίρια, μέσω των απαιτήσεων ψύξης και θέρμανσης τους, συμβάλλουν σημαντικά στην κατανάλωση ενέργειας παγκοσμίως. Υπολογίζεται ότι περίπου τα δύο τρίτα της ενέργειας χρησιμοποιούνται σε κτίρια. Tο κέλυφος του κτιρίου αποτελεί ένα πολύ σημαντικό δομικό στοιχείο για την παροχή θερμικής άνεσης στους κατοίκους καθώς και για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Σήμερα, τα περισσότερα από τα παραδοσιακά προϊόντα μόνωσης, που βασίζονται σε πολυστυρένιο και σύνθετα υλικά, έχουν χρησιμοποιηθεί στα κτίρια λόγω των προσιτών τιμών για τη μείωση του κόστους κατασκευής. Μερικά από τα μειονεκτήματα της συμβατικής μόνωσης όμως είναι η υποβάθμιση των μονωτικών τους επιδόσεων σε περίπτωση απορρόφησης νερού για μεγάλο χρονικό διάστημα καθώς και η απελευθέρωση τοξικών αερίων κατά τη διάρκεια πυρκαγιάς. Στην προσπάθεια να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα έχουν δοκιμαστεί νέα υλικά προκειμένου να σχεδιαστούν και να παραχθούν κονιάματα με μονωτικές ιδιότητες που ενσωματώνουν τα υλικά αυτά. Τα αεροπηκτώματα είναι ένα συνθετικό υπερελαφρύ υλικό με υψηλό πορώδες (>80%) και αποτελούν ιδανικό υποψήφιο για την παραπάνω χρήση. Οι νανοδιαστάσεις των πόρων του υλικού, που περιέχουν αέρα, προσφέρουν εξαιρετικές θερμομονωτικές ιδιότητες στα αεροπηκτώματα. Μέχρι πρόσφατα, τα αεροπηκτώματα είχαν τη χαμηλότερη πυκνότητα που έχει επιτευχθεί ποτέ σε στερεό υλικό με τα αεροπηκτώματα σίλικας να είναι μόνο τρεις φορέςβαρύτερα από τον αέρα. Το βασικότερο μειονέκτημα των αερογελών ωστόσο έγκειται στο υψηλό κόστος παρασκευής τους λόγω της υπερκρίσιμης διαδικασίας ξήρανσης που απαιτείται για την παραγωγή τους. Εύλογα συνεπώς, το επιστημονικό ενδιαφέρον έχει στραφεί στη σύνθεση υλικών που διαθέτουν παρόμοιες ιδιότητες με τις αερογέλες, όπως εξαιρετικά χαμηλή πυκνότητα και αξιοσημείωτες θερμομονωτικές επιδόσεις, τα οποία όμως παράγονται μέσω συμβατικής και όχι υπερκρίσιμης ξήρανσης ούτως ώστε να καθίσταται λιγότερο κοστοβόρα και περίπλοκη η διαδικασία παρασκευής τους. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η παρασκευή θερμομονωτικών υπερελαφρών υλικών με βάση οργανικές ρητίνες για την ενσωμάτωση τους σε τσιμεντοκονίαμα με δυνατότητα εφαρμογής τους στην ενεργειακή αναβάθμιση των κτιρίων. Ακριβέστερα, τα υλικά που θα μελετηθούν είναι «οιονεί-αερογέλες» με βάση τις οργανικές ρητίνες που αναπτύσσονται μέσω συμβατικών μεθόδων ξήρανσης του υγρού πηκτώματος. Επιπρόσθετα, στόχος είναι να επιδεικνύουν εξαιρετικά χαμηλή φαινόμενη πυκνότητα και κατά συνέπεια και θερμική αγωγιμότητα, τουλάχιστον υπό-τριπλάσια από τα συμβατικά αδρανή υλικά που χρησιμοποιούνται στα υπάρχοντα θερμομονωτικά επιχρίσματα. Πιο συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν δύο κατηγορίες αεροπηκτωμάτων: α) αεροπηκτώματα με πρόδρομη ένωση εμπορική φαινολική ρητίνη τύπου νεολάκης και β) αεροπηκτώματα ρεζορκινόλης-φορμαλδεΰδης. Το εύρος της συγκέντρωσης στερεών στο πρόδρομο διάλυμα διατηρήθηκε σε χαμηλά επίπεδα και στις δύο περιπτώσεις προκειμένου να επιτευχθούν χαμηλές τιμές φαινόμενης πυκνότητας του τελικού υλικού. Τόσο στα αεροπηκτώματα τύπου νεολάκης, όσο και στα αεροπηκτώματα ρεζορκινόλης-φορμαλδεΰδης ακολούθησε συμβατική ξήρανση για την απομάκρυνση του υπάρχοντος διαλύτη. Όσον αφορά τα αεροπηκτώματα με βάση τη νεολάκη, ο διαλύτης που χρησιμοποιήθηκε ήταν η 2- προπανόλη ενώ έγινε χρήση αυτόκλειστου δοχείου κατά τη διεξαγωγή του πολυμερισμού η οποία και μείωσε σημαντικά το ποσοστό συρρίκνωσης του τελικού αεροπηκτώματος καθώς και τον χρόνο παρασκευής. Αναφορικά με τα αεροπηκτώματα ρεζορκινόλης-φορμαλδεΰδης, ο διαλύτης που επιλέχθηκε δεν ήταν το νερό όπως συνηθίζεται αλλά το ακετονιτρίλιο και ακολουθήθηκε μία καινοτόμος διαδικασία σύνθεσης. Πιο συγκεκριμένα, αντί του ανθρακικού νατρίου ως καταλύτη, έγινε χρήση καρβαμικού αμμωνίου ως καταλύτη αλλά υπό μορφή κλίνης και ακολούθησε κατόπιν ξήρανση σε συμβατικό φούρνο. Τέλος, οι αερογέλες που παρασκευάσθηκαν κονιοποιήθηκαν (όποτε αυτό κρίθηκε αναγκαίο) και αναμείχθηκαν με κοινό κονίαμα. Τα δείγματα που παρασκευάσθηκαν τοποθετήθηκαν σε ειδικά καλούπια διαστάσεων 4cm×4cm×1cm και μετά το πέρας της ωρίμανσης τους, το οποίο ηματοδοτήθηκε από την παύση απώλειας μάζας τους, τοποθετήθηκαν σε ειδική ιδιοκατασκευή για την μέτρηση του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητάς τους. Για την εξαγωγή της τελικής τιμής του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας των δειγμάτων προηγήθηκε βαθμονόμηση με θερμομονωτικά υλικά (όπως το πολυστυρένιο) που χρησιμοποιήθηκαν ως υλικά αναφοράς.