Επίδραση των διαφόρων νανο-ενισχύσεων στη μηχανική συμπεριφορά κοίλων ινών για διαχωρισμό αερίων

Abstract

Τρία από τα πιο σημαντικά προβλήματα του Πλανήτη μας είναι η αυξανόμενη κατανάλωσης ενέργειας, τα φθίνοντα αποθέματα καθαρού νερού και η αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος. Η τεχνολογία των μεμβρανών φαίνεται να είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία με λύσεις γι’ αυτά τα σημαντικά θέματα, καθώς μέσω αυτών μπορεί να διαχωριστεί το νερό από ξένα σωματίδια και να επιτευχθεί καθαρισμός του, γεγονός που θα οδηγήσει σε μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και της μόλυνσης του Πλανήτη μακροπρόθεσμα.Στην παρούσα Διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε πειραματική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς μεμβρανών τύπου κοίλης ίνας συν-πολυϊμιδίου (P84) και της επίδρασης που έχει η προσθήκη σε διαφορετικές περιεκτικότητες των Πολυφλοιϊκών Νανο-Σωλήνων Άνθρακα – ΠΝΣΑ (multi-wall carbon nanotubes – MWCNTs). Αρχικά κατασκευάστηκαν στο Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ‘Δημόκριτος’ κοίλες ίνες πολυμερικής και ανθρακοποιημένης μήτρας με διαφορετικές ενισχύσεις σε ΠΝΣΑ. Οι κοίλες ίνες υπεβλήθηκαν σε μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού και κάμψης τριών σημείων και αποτιμήθηκαν οι μηχανικές τους ιδιότητες.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη των ΠΝΣΑ αύξησαν το μέτρο ελαστικότητας των ινών. Η αύξηση του μέτρου ελαστικότητας ήταν γραμμική με την αύξηση του ποσοστού ενίσχυσης των ΠΝΣΑ μέχρι την περιεκτικότητα των 4.0 κ.β% ΠΝΣΑ. Η εφελκυστική αντοχή των κοίλων ινών αυξήθηκε με την προσθήκη των ΠΝΣΑ, ωστόσο η ολκιμότητά τους μειώθηκε σημαντικά. Τα αποτελέσματα των ανθρακοποιημένων κοίλων ινών έδειξαν ότι με την διαδικασία της πυρόλυσης το μέτρο ελαστικότητας των ινών αυξήθηκε κατά περίπου 400% σε σύγκριση με τις αντίστοιχες πολυμερικές που δεν υποβλήθησαν σε πυρόλυση. Η προσθήκη των ΠΝΣΑ στην ανθρακοποιημένη μήτρα είχε σχεδόν το ίδιο αποτέλεσμα με την πολυμερική μήτρα P84, δηλαδή σχεδόν γραμμική αύξηση του μέτρου ελαστικότητας με την αύξηση της περιεκτικότητας των ΠΝΣΑ και ταυτόχρονη ψαθυροποίησή τους.

This present work investigates the effect of the addition of various MWCNTs concentration in polyimide hollow fiber membranes for gas separation; their performance and their mechanical properties will be analyzed. Polymeric BTDA-TDI/MDI (P84) co-polyimide hollow-fiber membranes were prepared using the dry/wet spinning technique, which is based on a phase-inversion method. The hollow fibers after their production stage should exhibit selectivity and permeability as well as increased mechanical as thermal properties for gas separation. The concept of the present work is to use MWCNTs as filler material. Four different types of hollow fibers were produced with different MWCNTs concentration on the polyimide matrix, namely 1, 2, 4 wt% and without nano-reinforcement. The mechanical tests were performed under tensile and three point bending tests. It was found that the addition of MWCNTs essentially increased the tensile and flexural modulus of elasticity; the enhancement in strength properties was not obvious and the results are discussed by taking into account the gas separation performance of the fibers.