Металлополимерный электропроводящий материал для датчиков в экологическом мониторинге

Изобретение относится к области электрохимического анализа растворов, а именно к методике изготовления ионоселективного электрода для прямой потенциометрии. Композиционный электрод может найти применение в производственном, экологическом и медицинском контроле водных растворов на содержание ионов никеля. Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик датчиков на соответствующие ионы: повышение предела чувствительности, стабильность показаний, длительность непрерывного использования, существенное упрощение и удешевление технологии изготовления. Сущность изобретения: в качестве основы чувствительного элемента композиционного материала для датчиков используется композиционный металлополимерный электропроводящий материал, содержащий ультрадисперсные частицы никеля в матрице полистирола, полученный путем нанесения ультрадисперсных частиц никеля химическим восстановлением на поверхности гранул полистирола с последующим горячим прессованием. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электрохимических методов анализа растворов, в частности к способу изготовления электродов для потенциометрии. Композиционный электрод преимущественно используется при производственном и экологическом контроле воды (водных растворов) на содержание ионов Ni²⁺.

Существует много различных методик для определения содержания ионов Ni²⁺ в растворах (Пешкова В.М., Савостина В.М. Аналитическая химия никеля. - М.: Наука, 1966), которые на сегодняшний день не претерпели значительных изменений.

Недостатком данных методик является: необходимость использования дорогостоящего оборудования, сложность предварительной подготовки пробы для анализа, большая трудоемкость при проведении анализа.

Целью настоящего изобретения является создание твердотельного ионочувствительного электрода из композиционного материала, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками: стабильностью показаний, длительностью непрерывного использования, существенным упрощением и удешевлением технологии изготовления.

Технический результат: повышение предела чувствительности, повышение эксплуатационных характеристик, упрощение и удешевление технологии изготовления композиционного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в качестве основы чувствительного элемента используется не сам металл, а композиционный электропроводящий материал, содержащий ультрадисперсные частицы никеля в матрице полистирола, полученные путем нанесения частиц никеля химической металлизацией на поверхность гранул полистирола с последующим горячим прессованием.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой показана конструкция композиционного электрода, где 1 - проводник из медной проволоки, 2 - корпус, 3 - медная пластинка, 4 - индий-галлиевый сплав, 5 - таблетка композиционного материала, 6 - резиновая прокладка.

В качестве чувствительного элемента индикаторного электрода используется композиционный материал типа Ni/полистирол. Композиционный электрод был изготовлен следующим образом. Таблетка композита 5 вставлялась в тефлоновую трубку 2. Для предотвращения попадания раствора на внутреннюю поверхность композита швы герметизировались резиновой прокладкой 6. К внутренней поверхности композиционного образца крепился проводник 1. Для уменьшения контактного сопротивления места контакта обрабатывались индий-галлиевым сплавом 4.

Процесс металлизации полимеров состоит из следующих основных стадий: травление, сенсибилизация, активация, химическая металлизация.

При изготовлении композиционного материала была использована технология, приведенная в (М.Шалкаускас, А.Вашкялис. Химическая металлизация пластмасс. - М.: Химия, 1977).

Пример. Для изготовления композитов Ni/полистирол проводилось травление гранул полистирола в смеси серной и азотной кислот. Для этого понадобилось 20 мл серной и 20 мл азотной кислоты. В полученную смесь помещали 10 г гранул полистирола и выдерживали в течение 30 минут.

Затем гранулы полистирола промывались дистиллированной водой.

Отфильтрованные и промытые гранулы высушивались в сушильном шкафу.

Затем проводилось сенсибилизирование гранул полистирола в 100 мл раствора следующего состава: 50 г/л SnCl₂; 50 мл/л HCl (конц.) в течение 30 минут. Следует установить оптимальное количество Sn (II), которое должно оставаться на поверхности после сенсибилизирования, что способствует равномерному покрытию поверхности полимера. Гранулы полистирола промывались горячей дистиллированной водой, что значительно увеличивает количество оставшихся на поверхности продуктов, так как в этих условиях гидролиз протекает быстрее и полнее.

После сенсибилизирования проводилась активация гранул полистирола в 100 мл раствора следующего состава: 0,01 г/л PdCl₂; 0,02 мл/л HCl (конц.) в течение 30 минут. Сущность процесса активирования, проводимого на сенсибилизированной поверхности, заключается в том, что вследствие реакции с осажденным на поверхность восстановителем на ней оседает каталитически активный металл в виде коллоидных частиц или малорастворимых соединений, которые восстанавливаются при помещении такой поверхности в раствор химической металлизации. Металлические частицы активатора служат каталитическими центрами, на которых начинается восстановление металла.

Металлизация (никелирование) гранул полистирола проводилась в растворе, состав которого приведен в таблице.

Таблица - Состав раствора химического никелирования
Компоненты и режим процесса	Количество	Классификация
NiCl2×6H2O, г/л	45	ч.д.а. ГОСТ 4525-65
NaH2PO2×H2O, г/л	20	ч.д.а. ГОСТ 200-76
Na3С6Н5O7×2Н2O, г/л	45	ч.д.а. ГОСТ 22280-76
NH4Cl, г/л	50	хч. ГОСТ 3773-60
рН	8-8,5
t, °С	85
Скорость осаждения, мкм/ч	10

В основе метода химической металлизации лежит реакция взаимодействия ионов металла с растворенным восстановителем, в результате на каталитически активную поверхность оседает слой металла. Для протекания реакции восстановления необходимо присутствие сильного и активного восстановителя.

Растворы химического никелирования содержат соль двухвалентного никеля, восстановитель, различные добавки. Восстановление никеля гипофосфитом является автокаталитическим процессом, т.е. никель катализирует реакцию восстановления, и поэтому при определенных условиях реакция идет лишь на требуемой поверхности, а в объеме раствора никель не восстанавливается.

Металлизированные гранулы полистирола загружались в обогреваемую пресс-форму и нагревались до 140°С, выдерживались в течение 5 минут при давлении 10 атмосфер и охлаждались без снятия давления. В результате получено готовое изделие - таблетка цилиндрической формы, из которой был изготовлен электрод (фиг.1). Обогреваемая пресс-форма представляет собой стальную каленую матрицу, обработанную по пятому классу точности (сталь 45 ХВ и ХВГ).

Проводилось определение электродных характеристик композиционного электрода на основе Ni/полистирол для серии стандартных растворов NiCl₂ с концентрациями: 1·10^-1 M, 1·10^-2 M, 1·10^-3 M, 1·10^-4 M, 1·10^-5 M, 1·10^-6 М, 1·10^-7 М, приготовленных методом последовательных разбавлений. Растворы заливались в ячейку, перемешивались магнитной мешалкой около 3-5 минут, после ее остановки снимались показания прибора ЭВ-74.

Перед проведением измерений электрод Ni/полистирол выдерживался сутки в 0,1М растворе NiCl₂ и после каждого измерения опускался в 1н. раствор соляной кислоты, а затем промывался дистиллированной водой и сушился фильтровальной бумагой. После измерения электроды тщательно промывались дистиллированной водой, затем аккуратно сушились фильтровальной бумагой.

На основании произведенных измерений был построен график зависимости электродного потенциала (Е, мВ) композиционного электрода от логарифма активности (lg а) ионов Ni²⁺ в растворах NiCl₂ (фиг.2), с концентрациями от 0,1 М до 10^-7 М.

Экспериментальные данные показывают, что электрод на основе Ni/полистирол не требует предварительной подготовки исследуемой пробы, время отклика не превышает 4 минут, обладает высокой чувствительностью и позволяет легко улавливать ионы Ni даже при концентрации 10^-6-10^-7 моль/л за счет образования поверхностного комплекса Ni/полистирол.

Композиционный материал, полученный методом химического никелирования гранул полистирола, является перспективным электродным материалом для создания ионоселективных электродов для определения ионов никеля в водных растворах. Все вышесказанное позволяет дать положительный ответ на вопрос по поводу возможности применения композиционных электродов на основе Ni/полистирол в качестве чувствительных датчиков в экологическом мониторинге.

Металлополимерный электропроводящий материал для датчиков в экологическом мониторинге, отличающийся тем, что в качестве основы используется металлополимерный электропроводящий материал, содержащий ультрадисперсные частицы никеля в матрице полистирола, полученные химическим осаждением частиц никеля на поверхность гранул полистирола с последующим горячим прессованием.