Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός πολυμερικών μεμβρανών ως δεικτών pH αερολυμάτων
| datacite.contributor.RelatedPerson | Ανδρικόπουλος, Κωνσταντίνος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Μπόκιας, Γεώργιος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Βογιατζής, Γεώργιος | |
| dc.contributor.author | Καΐτσα, Ιωάννα | |
| dc.contributor.other | Kaitsa, Ioanna | |
| dc.date.accessioned | 2026-06-12T09:57:55Z | |
| dc.date.available | 2026-06-12T09:57:55Z | |
| dc.date.issued | 2026-05-28 | |
| dc.degree | masterThesis | |
| dc.description.abstract | Το πολυβενζιμιδαζόλιο (ΡΒΙ) αποτελεί ένα ετεροκυκλικό πολυμερές που χαρακτηρίζεται από έντονη απόκριση σε όξινα περιβάλλοντα, ιδιότητα η οποία απορρέει από την παρουσία ιμιδαζολικών δακτύλιων κατά μήκος της πολυμερικής αλυσίδας του. Τα άτομα αζώτου του ιμιδαζολίου λειτουργούν ως κέντρα πρόσληψης πρωτονίων, επιτρέποντας στο ΡΒΙ να υφίσταται πρωτονίωση υπό όξινες συνθήκες. Η διαδικασία αυτή συνοδεύεται από την ανάδειξη μιας νέας κορυφής στους 1567 cm-1 φάσματος Raman τηςπρωτονιωμένης ουσίας. Συνεπώς, το ΡΒΙ αποτελεί πολλά υποσχόμενο υλικό σε εφαρμογές μέτρησης pH μέσω φασματοσκοπίας Raman. Ο βαθμός πρωτονίωσης του ΡΒΙ επηρεάζεται άμεσα από τη συγκέντρωση των πρωτονίων, άρα και από το pH του περιβάλλοντος. Φασματοσκοπικές μελέτες όπως η φασματοσκοπία Raman έχουν δείξει ότι η πρωτονίωση του ΡΒΙ συνοδεύεται από χαρακτηριστικές μεταβολές στις κορυφές του φάσματος που αντιστοιχούν στις δονήσεις του ιμιδαζολικού δακτυλίου. Οι μεταβολές αυτές αποτελούν ένδειξη της αλληλεπίδρασης του πολυμερούς με τα πρωτόνια και επιβεβαιώνουν την ικανότητα της μεμβράνης να αποκρίνεται σε διακυμάνσεις της συγκέντρωσής τους. Μία από τις πλέον διαδεδομένες μεθόδους παρασκευής πολυμερικών μεμβρανών είναι η αναστροφή φάσης. Η μέθοδος περιλαμβάνει τη μετατροπή ενός αρχικά ομογενούς πολυμερικού διαλύματος από υγρή σε στερεή κατάσταση μέσω διαχωρισμού φάσεων και εν τέλει την καθίζηση του πολυμερούς προς τον σχηματισμό μεμβράνης. Η τελική δομή αυτής συνίσταται σε μία συνεχή πολυμερική μήτρα εντός της οποίας αναπτύσσεται ένα δίκτυο πόρων. Η συνηθέστερη μέθοδος για την επίτευξη αναστροφής φάσης είναι ο διαχωρισμός φάσεως μη-διαλύτη (NIPS). Κατά τη διαδικασία αυτή, το πολυμερικό διάλυμα επιστρώνεται σε γυάλινο υπόστρωμα και εμβαπτίζεται σε λουτρό πήξης το οποίο περιέχει έναν μη-διαλύτη του πολυμερούς. Η ταυτόχρονη διάχυση του διαλύτη προς το λουτρό και του μη-διαλύτη προς το εσωτερικό της επίστρωσης προκαλεί θερμοδυναμική αποσταθεροποίηση του συστήματος και πυροδοτεί την έναρξη του διαχωρισμού φάσεων. Ο ρυθμός της ανταλλαγής αυτής, σε συνδυασμό με θερμοδυναμικούς παράγοντες, οδηγεί σε διαφορετική μορφολογία μεμβράνης, με πορώδεις δομές σπογγώδους ή δακτυλοειδούς τύπου. Μία ακόμα τεχνική που δοκιμάστηκε ήταν αυτή της ηλεκτροστατικής ινοποίησης, κατά την οποία παρασκευάστηκαν νανοΐνες PBI. Το πιο αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό των ινών αυτών είναι η υψηλή αναλογία επιφάνειας προς όγκο, η οποία, σε εφαρμογές ανίχνευσης pH, συνδέεται άμεσα με τον βαθμό πρωτονίωσης του πολυμερούς. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην παρασκευή μεμβρανών ΡΒΙ μέσω της αναστροφής φάσης και της ηλεκτροστατικής ινοποίησης, με τελικό σκοπό την αξιολόγηση της καταλληλότητάς τους ως ανιχνευτές Raman του pH των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτό, πραγματοποιήθηκε έκθεση των μεμβρανών που παρασκευάστηκαν σε ρυθμιστικά διαλύματα με τιμές pH από 1 έως 4, και έπειτα καταγραφή των μεταβολών του φασματικού προφίλ τους, ορίζοντας έτσι μια γραμμική σχέση μεταξύ του pH και των εντάσεων των χαρακτηριστικών κορυφών Raman. Μέσω της βελτιστοποίησης παραμέτρων όπως η συγκέντρωση του πολυμερούς, ο τύπος μηδιαλύτη και οι συνθήκες ινοποίησης, επιδιώκεται ο έλεγχος της μορφολογίας της μεμβράνης και η μεγιστοποίηση της ευαισθησίας απόκρισής της σε όξινα περιβάλλοντα. | |
| dc.description.sponsorship | Η διατριβή πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο εφηρμοσμένης μοριακή φασματοσκοπίας (LAMS, Laboratory of Applied Molecular spectroscopy) του Ινστιτούτου Επιστημών Χημικής Μηχανικής – Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ) και χρηματοδοτήθηκε από εσωτερική επιχορήγηση του ΙΤΕ στο πλαίσιο του έργου AERO-SERS (FORTH Synergy Grant) και μέσω υποτροφίας CreteMedU. | |
| dc.description.translatedabstract | Polybenzimidazole (PBI) is a heterocyclic polymer characterized by a strong response to acidic environments, a property that arises from the presence of imidazole rings along its polymer chain. The nitrogen atoms of the imidazole groups act as proton accepting sites, enabling PBI to undergo protonation under acidic conditions. This process is accompanied by the emergence of a characteristic new peak at 1567 cm-1 in the Raman spectrum of the protonated compound. Consequently, PBI is considered a promising material for pH sensing applications through Raman spectroscopy. The degree of protonation of PBI is directly influenced by the proton concentration and therefore by the pH of the surrounding environment. Spectroscopic studies, such as Raman spectroscopy, have shown that protonation of PBI is accompanied by characteristic changes in the spectral peaks associated with vibrations of the imidazole ring. These changes indicate the interaction of the polymer with protons and confirm the membrane’s ability to respond to fluctuations in proton concentration. One of the most widely used methods for the preparation of polymeric membranes is phase inversion. This method involves the transformation of an initially homogeneous polymer solution from a liquid to a solid state through phase separation, ultimately leading to polymer precipitation and membrane formation. The final structure consists of a continuous polymer matrix within which a porous network develops. The most common method for achieving phase inversion is non-solvent induced phase separation (NIPS). In this process, the polymer solution is cast onto a glass substrate and immersed in a coagulation bath containing a non-solvent for the polymer. The simultaneous diffusion of the solvent out into the bath and the non-solvent into the polymer coating causes thermodynamic destabilization of the system and triggers phase separation. The rate of this exchange, together with thermodynamic factors, leads to different membrane morphologies, including porous sponge-like or finger-like structures. Another technique investigated was electrospinning, through which PBI nanofibers were fabricated. The most notable characteristic of these fibers is their high surface-areato-volume ratio, which, in pH sensing applications, is directly associated with the degree of protonation of the polymer. This thesis focuses on the fabrication of PBI membranes through phase inversion and electrospinning, with the goal of evaluating their suitability as Raman sensors of the pH of atmospheric aerosols. To achieve this, the prepared PBI membranes were exposed to buffer solutions with pH values ranging from 1 to 4, and the resulting changes in their Raman spectral features were recorded. A linear correlation between pH and the intensity ratios of two characteristic Raman bands was established. By optimizing parameters such as polymer concentration, non-solvent type and electrospinning conditions, the study aims to control membrane morphology and maximize its sensitivity and responsiveness in acidic environments. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/31920 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | Attribution 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject | Πολυμερικές μεμβράνες | |
| dc.subject | Πολυβενζιμιδαζόλιο | |
| dc.subject | Αισθητήρες pH | |
| dc.subject | Ατμοσφαιρικά αερολύματα | |
| dc.subject | Αναστροφή φάσης | |
| dc.subject | Ηλεκτροστατική ινοποίηση | |
| dc.subject | Φασματοσκοπία Raman | |
| dc.subject.alternative | Polymer membranes | |
| dc.subject.alternative | Polybenzimidazole | |
| dc.subject.alternative | pH sensors | |
| dc.subject.alternative | Atmospheric aerosols | |
| dc.subject.alternative | Phase inversion | |
| dc.subject.alternative | Electrospinning | |
| dc.subject.alternative | Raman spectroscopy | |
| dc.title | Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός πολυμερικών μεμβρανών ως δεικτών pH αερολυμάτων | |
| dc.title.alternative | Development and characterization of polymeric membranes as aerosol pH indicators |