Чувствительный элемент для идентификации газообразных веществ

 

Изобретение относится к измерительной и индикаторной технике. Чувствительный элемент представляет собой пористый материал (ткань, пористая бумага, кремниевые фильтры), в который внесены мелкодисперсные фрагменты пленки, состоящей из смеси двух проводящих полимеров: полисиланоанилина и полианилина, где процентное содержание полианилина не превышает 40% от общей массы пленки. Достигается повышение стойкости к отравлению, упрощение изготовления чувствительного элемента и возможность использования его без измерительной аппаратуры.

Изобретение относится к измерительной и индикаторной технике и может быть использовано как в измерительных устройствах, так и без них, в качестве визуального индикатора для контроля окружающей среды, измерения концентраций и нахождения течей вредных и дорогостоящих газов, контроля герметичности изделий, содержащих вредные химические вещества, и других устройства, применяемых в метрологии, в сельском хозяйстве, различных отраслях промышленности, в научных исследованиях.

Известно устройство, по технической сущности близкое к изобретению - сенсор для анализа газообразных веществ (патент РФ N 2088914, кл. G 01 N 27/30, 1997).

Конструктивно сенсор представляет собой диэлектрическую подложку (ситалл, сапфир, окисленный кремний) с нанесенными на нее взаимопроникающими гребенчатыми электродами. В качестве материалов электродов используются золото, платина, хром.

На гребенчатые электроды наносится из раствора мономеров анилина и силаноанилина методом электрополимеризации пленка, состоящая из двух проводящих полимеров - полисиланоанилина и полианилина в соотношении 9:1. Полученная пленка может быть модифицирована различными химическими добавками. Работа такого сенсора основана на протекании обратимых окислительно- восстановительных реакций и других взаимодействий в чувствительном слое пленки, в ходе которых меняется проводимость и другие электрофизические параметры.

Недостатками такого сенсора являются: быстрая "отравляемость" при длительном воздействии больших концентраций агрессивных газообразных веществ, сложный метод синтеза, в котором необходимо жестко контролировать процентное содержание полисиланоанилина и анилина 9:1, изготовление специальной подложки с гребенчатыми электродами с использованием ряда сложных технологических операций, невозможность использования сенсора даже без простой измерительной аппаратуры, точностные характеристики для более сложного анализа газообразных веществ.

Указанные недостатки устраняются заменой диэлектрической подложки с взаимопроникающими гребенчатыми электродами на пористые материалы, использующиеся в качестве матрицы для нанесенного на нее чувствительного материала. Например: фильтровальная бумага, нетканая ткань и другие материалы, обладающие относительной инертностью по отношению к агрессивным веществам.

Применяемый способ электрополимеризации дает возможность использовать полоску пористого материала в качестве электрода, пропитанного смесью двух мономеров с модифицирующими добавками, делая ее тем самым проводящей. Таким образом, полимеризация проходит в порах материала, и образующаяся полимерная пленка срастается с самим материалом и прочно там удерживается.

Проведенный нами анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволяет установить, что нами не обнаружены аналоги вышеразрабатываемого устройства. Выявленный аналог позволяет определить совокупность соответственных по отношению к усматриваемому нами техническому результату отличительных признаков для заявляемого объекта изобретения.

Принцип действия патентуемого чувствительного элемента основан на протекании обратимых окислительно-восстановительных реакций и других взаимодействий в чувствительном слое, в ходе которых изменяется цвет и прозрачность всего чувствительного элемента.

Процесс изготовления чувствительного элемента происходит следующим образом. Полоску пористого материала (например, белой капроновой ткани) пропитывают солянокислым раствором анилина и силаноанилина, при необходимости с модифицирующими добавками, и опускают в гальваническую ванну с таким же по составу раствором, каким пропитан сам материал. Материал выполняет роль одного из электродов, в котором происходит рост пленки в режиме циклирования при потенциалах относительно противоэлектрода (который может быть выполнен из графита, золота, платины и других стойких материалов) от -1,8 до +5,4В. Пленка полианилина частично отслаивается в раствор. Таким образом, полианилин не превышает 40% от общей массы пленки, состоящей из смеси проводящих полимеров - полисиланоанилина и полианилина. Оставшийся полианилин не ухудшает характеристики чувствительного элемента, так как с него снимаются не электрофизические параметры, а спектрально-цветовые, которые во много раз стабильнее. При этом содержание полианилина в пленке отлично от 10%.

Разработаны методы получения и изготовлены чувствительные элементы на NH₃, Cl₂, SO₂, H₂S, HCI, HF, NO_x, O₂, O₃, CO, CO₂, пары воды, предельные и непредельные углеводороды, спирты.

Пример 1. Определение хлора в воздухе. Смесь из двух проводящих полимеров - полисиланоанилина и анилина, модифицированных бромидами калия и натрия, наносится на белую капроновую ткань с размерами 50x10x1 мм. Цвет ткани при этом становится слегка голубоватым. При взаимодействии чувствительного слоя с Cl₂ происходит обратимая химическая реакция с обратимым изменением цвета (голубой-коричневый). Чем больше концентрация Cl₂, тем ярче происходит окрашивание. Данный способ позволяет находить течь и грубо оценивать концентрацию газа, имея эталон сравнения, без использования измерительной аппаратуры.

Пример 2. Определение концентрации паров соляной кислоты. Аналогичная смесь из двух полимеров, как и в примере 1, только модифицированная анионным комплексом [CuCl₄] ^2-, наносится на полоску фильтровальной бумаги 10x10x0,5 мм, которая помещается в оптическую ячейку между светодиодом и фотодиодом. Свет от светодиода (посторонний свет в ячейку не проникает) проходит через чувствительный элемент и попадает на фотодиод, который преобразует световой сигнал в электрический. Пары HCl, попадающие в ячейку через специальный газозаборник, вступают в обратимую химическую реакцию с чувствительным слоем, в ходе которой также обратимо изменяется пропускная способность света чувствительного элемента, а следовательно, и электрический сигнал с фотодиода, который таким образом связан с концентрацией HCl.

Формула изобретения

Чувствительный элемент для идентификации газообразных веществ, включающий матрицу с нанесенным на нее чувствительным материалом, в качестве которого используется смесь проводящих полимеров полисиланоанилина и полианилина, модифицированных различными химическими добавками, отличающийся тем, что в качестве матрицы для проводящих полимеров могут применяться различные пористые материалы, устойчивые к агрессивным химическим средам, а содержание полианилина в смеси не превышает 40% и отлично от 10%.