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Artificial receptors for monitoring engine oil degradation
Usman Latif
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Franz Dickert
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29132.27028.364260-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Die Degradation von Ölen ist ein sehr komplexer Vorgang. Hierbei sind eine Reihe komplizierter Stufen involviert, wie etwa der Abbau von Additiven, Cracking von langkettigen Kohlenwasserstoffen, deren Oxidation zu Säuren bzw. Estern, die Kondensation und Polymersisation von niedermolekularen Verbindungen, aber auch die Bildung von Ablagerungen und Partikeln. Neben anderen Produkten führen diese Reaktionen aufgrund der Oxidation von Aliphaten hauptsächlich zur Bildung von Karbonsäuren. Polycyclische Aromaten werden aufgrund unvollständiger Verbrennung der Grundöle gebildet. Metallionen werden durch Abrasion von den Zylinderwänden eingetragen. All diese Degradationsprodukte nehmen mit dem Alter des Öles zu. So ist z. B. neben anderen Messverfahren ein Leitfähigkeitssensor von besonderem Interesse, da so die Qualität des Öls durch eine einfache, kostengünstige Methode charakterisiert werden kann. Leitfähigkeitssensoren basieren vorzugsweise auf planaren Interdigital-Trans-ducern mit dünnen Metallelektroden, die sehr vorteilhaft für die "in-situ" Detektion von Analyten sind. Diese Sensoren lassen sich miniaturisieren, mit integrierten Schaltkreisen verbinden und generell in ein Mikrosystem integrieren. Die grundlegende Idee Interdigitaltransducer (Siebbruck: Strukturbreiten - Elektrodenbreite / Elekrodenabstand 180 µm, Durchmesser des Bauteils 7 mm; photolthographisch erzeugte Interdigitaltransducer mit Strukturbreiten von 5 µm oder 10 µm) mit synthetischen Polymeren zu kombinieren, hat sich für Leitfähigkeitssensoren als vorteilhaft erwiesen. So wurden Interdigitaltransducer mit molekular geprägten Polymeren, wie etwa Silanen mit Aminofunktionalität herangezogen. Die Schichten lassen sich mit Sol-Gel Verfahren herstellen und dienen zur Charakterisierung von Motorenölen. Die Entfernung des Templats wurde mit einem Perkin Elmer 2000 FT-IR Spektrometer mittels des ATR-Verfahrens verfolgt. Die Variation des Templats im Polymer ermöglicht die Abstimmung der sensitiven Sicht auf die Detektion der oxidierten Komponenten im degradierten Öl. Eine weitere Strategie wurden Titan / Silicium - Nanokomposite gemäß eines Sol / Gel Prozesses herangezogen. Zudem wurden geprägte TiO2 und ZrO2 Nanopartikel zur Verfolgung der Öldegradation benutzt. Ähnliche Strategien wurden mit Polyurethanen durchgeführt, wobei die Leit-fähigkeiten von beschichteten und unbeschichteten Interdigitaltransducern ver-glichen wurden. Im Falle von Carbon-Nano-Tube / Polyurethan Compositmaterialien ist die Leitfähigkeit relativ hoch und der Sensor kann vorzugsweise bei höheren Temperaturen (80°C) zwischen frischen und gebrauchten Ölen unterscheiden. The Empfindlichkeit dieser Schichten wird durch eine Erhöhung der Dicke verbessert. Die elektrischen Eigenschaften ließen sich durch das Einwirken von Lösungsmitteldämpfen und inkorporierten Ölen modifizieren. Zusätzlich verändert sich die Leitfähigkeit um bis zu 7 Zehnerpotenzen durch dir Variation der Länge der Nanoröhrchen von 5 µm auf 200 µm. Dies resultiert aus dem Verhältnis von Nanotube-Länge zum Elektrodenabstand. Weitere Detektionsmöglichkeiten haben sich mit oxidierten Röhrchen ergeben. Optimistische Perspektiven lassen sich durch Vergleich, der mit Carboxylgruppen derivatisierten Röhrchen und deren neutralisierten Produkten erwarten.
Abstract
(Englisch)
Degradation of engine oil is a very complex process. It involves a number of complicated steps like; depletion of additives, cracking of long-chain hydrocarbons, their oxidation to the respective acids and esters, condensation and polymerization of low molecular weight compounds to form sludge and contamination by various particles. Besides other degradation products, these processes result in the formation of carboxylic acids due to oxidation of aliphatic chains. Polycyclic aromatics are generated by incomplete combustion reactions of the base oil. Metal ions are formed by abrasion processes of the cylinder liner. Amount of these products increases with the age of the oil. Thus, besides other methods of metrology, a conductometric sensor is of special interest, since the oil quality can be easily characterized with a low cost procedure. Conductometric sensors are based on planar interdigital transducers with thin metal electrodes, which are very advantageous for in-situ detection of analytes. These sensors can be miniaturized, combined with integrated circuits and placed in a micro system. The fundamental idea of combining interdigital transducers (screen printing: structure widths - electrode width / electrode distance 180µm, having length of 7 mm; photolithographically generated interdigital transducers with structure widths of 5 µm or 10 µm) with synthetic polymers has proven to be an effective strategy for designing conductometric sensors. Interdigital transducers coated with molecularly imprinted inorganic polymers such as silanes with amino functional group were used. The coatings were prepared by sol-gel method and applied for monitoring the degradation of engine oil. The removal and reinclusion of template were analyzed with a ‘Perkin Elmer system 2000 FT-IR Spectrophotometer’ by using an ATR (attenuated total reflection) cell. Variation of the amount of template in aminopropyltriethoxysilane polymer allows tuning of sensitive layer for the detection of oxidized components in degraded oil. Titania-silica nanocomposite material produced by the sol-gel process is another approach to monitor the age of oil. Afterwards, imprinted titania (TiO2) and zirconia (ZrO2) nanoparticles were prepared and used as sensor coatings for oil degradation processes. Similar Strategies were performed with polyurethanes, the conductivity of coated and un-coated interdigital transducers were compared. In the case of carbon nanotubes-polyurethane composites an appreciable high conductivity is observed. The sensor can successfully differentiate between fresh and used oil samples at elevated temperature (80oC). Additionally, sensitivities of such layers were enhanced by increasing the thickness of the coating. The electrical properties were modified by the evaporation of solvent. The change in conductivities of the composites is observed by seven orders of magnitude in parallel to the variation of nano-tube lengths from 5 µm to 200 µm. This is resulting of the ratio of nano-tube to electrode distance. Further detection principles were obtained by oxidized tubes. Optimistic perspectives are revealed by comparing the carboxylic derivates and their neutralized products.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
chemical sensors conductance quartz-micro-balance artificial receptors infrared spectroscopy
Schlagwörter
(Deutsch)
Chemische Sensoren Leitfähigkeit Quarzmikrowaage künstliche Rezeptoren Infrarotspektroskopie
Autor*innen
Usman Latif
Haupttitel (Englisch)
Artificial receptors for monitoring engine oil degradation
Paralleltitel (Deutsch)
Künstliche Rezeptoren zur Verfolgung der Öldegradation
Publikationsjahr
2010
Umfangsangabe
123 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Franz Dickert
Klassifikation
35 Chemie > 35.39 Analytische Chemie: Sonstiges
AC Nummer
AC08456481
Utheses ID
12132
Studienkennzahl
UA | 091 | 419 | |
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