Способ формирования электропроводящих плёнок, селективных по отношению к содержанию влаги в воздушной среде, путём взаимодействия на поверхности оксидных стёкол водорастворимого полимера и гексацианоферрата (ii) калия

Изобретение относится к способу формирования пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде на поверхности подложек из оксидных стекол. Технический результат – увеличение электрической проводимости, повышение чувствительности к содержанию паров воды в воздушной среде и улучшение микротвердости, однородности. На подложку из оксидного стекла наносят поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид методом вытягивания из водного раствора концентрацией 5-20% масс. с постоянной скоростью 2-3*10-6 м/с. Затем поверх него с использованием метода ультразвукового распыления наносится гексацианоферрат (II) калия в количестве, обеспечивающем массовое соотношение гексацианоферрата (II) калия к поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлориду, равное 2,3±0,1:1, в результате чего образуется поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианид. 2 ил.

 

Изобретение относится к газовому анализу, а именно к датчикам контроля содержания паров воды в воздухе, в частности к формированию электропроводящей пленки на поверхности подложек из оксидного стекла. Датчик может быть использован для контроля влажности в газовых средах.

Из уровня техники известен датчик для совместного определения содержания паров воды и сероводорода в воздухе и способ его изготовления (патент РФ №2418295 от 10.05.2011). Датчик для совместного определения содержания паров воды и сероводорода в воздухе содержит диэлектрическую подложку из висмутсодержащего стекла, газочувствительный слой, электрические контакты. Подложка изготавливается из висмутсодержащего стекла состава (в % масс.): оксид висмута(III) - 70, оксид молибдена(VI) - 3-7, оксид германия(IV) - 4-17, оксид бора(III) - 6-21, а газочувствительный слой состоит из двух зон: зоны, чувствительной к содержанию паров воды, и зоны, чувствительной к содержанию сероводорода. Способ изготовления указанного датчика включает формирование на диэлектрической подложке из висмутсодержащего стекла газочувствительного слоя, состоящего из зоны, чувствительной к содержанию паров воды, и зоны, чувствительной к содержанию сероводорода, путем травления висмутсодержащего стекла в ортофосфорной кислоте с получением осадка и модифицирования осадка в обеих зонах с последующей сушкой, при этом в качестве модификатора осадка используется раствор гептамолибдата аммония.

Недостатками указанного датчика и способа его изготовления являются сложность и многостадийность изготовления, дороговизна некоторых компонентов, в частности оксида германия (IV), а также образование неоднородных областей в рецепторном слое датчика за счет аэрозольного нанесения раствора гептамолибдата аммония.

Также из уровня техники известен способ формирования многослойных нанокристаллических пленок на основе синтеза нанокристаллических оксидов и гидроксидов, отличающийся от известных тем, что синтез происходит на поверхности жидкой фазы [Патент РФ №2233791 от 10.08.2004].

Недостатком указанного способа является многостадийность процесса, что приводит к длительности и удорожанию процесса формирования многослойных нанокристаллических пленок, поскольку на первом этапе получают осадок нанокристаллических оксидов и гидроксидов, после чего модифицированный осадок подвергают тепловой, ультразвуковой и другим обработкам. Кроме этого, указанным способом сложно получить чередующиеся нанокристаллические рецепторные слои разного фазового состава контролируемой толщины.

Наиболее близким техническим решением заявленному изобретению является способ формирования пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде, включающий последовательное нанесение на поверхность оксидного стекла аэрозольным распылением поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорида и ультразвуковым распылением гексацианоферрата(III) калия при соотношении взаимодействующих компонентов 1:3 соответственно с образованием поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианидной пленки, селективной по отношению к парам воды.

Недостатками существующего способа являются использование для нанесения полимера метода аэрозольного распыления, что приводит к получению пленок с плохо контролируемой толщиной и к невозможности получения высокого уровня однородности распределения компонентов по ее поверхности и объему, что не позволяет обеспечить требуемый уровень технических характеристик рецепторного слоя.

Техническим результатом заявленного изобретения является возможность получения тонких пленок заданной толщины и массы, с оптимальным соотношением взаимодействующих компонентов, что обеспечивает увеличение величины отклика (электрическая проводимость), повышение чувствительности к содержанию паров воды в воздушной среде и улучшение технических характеристик пленки (микротвердость, однородность).

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного технического решения поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид (далее - ПДМПХ) наносится на диэлектрическую подложку путем вытягивания из его водного раствора концентрацией 5-20% масс. с постоянной скоростью 2-3*10-6 м/с, а вместо гексацианоферрата (III) калия с использованием метода ультразвукового распыления наносится гексацианоферрат (II) калия, обладающий существенно меньшей константой устойчивости в водном растворе, что позволяет получить более однородную пленку, обладающую улучшенными техническими характеристиками.

Установленное в процессе эксперимента оптимальное соотношение масс гексацианоферрата (II) калия к ПДМПХ, необходимое для образования поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида (далее - ПДМПЦ), составляет 2,3±0,1:1.

Преимуществом данного способа является возможность обеспечения заданной толщины пленки путем изменения концентраций раствора ПДМПХ при установленной скорости вытягивания подложки (фиг. 1). Метод позволяет обеспечить более однородное распределение компонентов в объеме слоя пленки и улучшение ее технических характеристик.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Используют водный раствор ПДМПХ с концентрацией полимера 10% масс. Гексацианоферрат (II) калия массой 10 г разбавляют 300 мл дистиллированной воды.

Подготовка подложки: на очищенное оксидное стекло крепят токопроводящим клеем медные электроды на расстоянии 1 см. Изготовленную подложку высушивают при комнатной температуре не менее 4 часов.

Нанесение раствора ПДМПХ на подложку осуществляют методом вытягивания подложки с постоянной скоростью в пределах 2-3*10-6 м/с из раствора полимера. Полученная зависимость толщины пленки от концентрации ПДМПХ в растворе при скорости вытягивания 2,5*10-6 м/с представлена на фиг. 1. Для ультразвукового распыления раствора гексацианоферрата (II) калия используют бытовой ультразвуковой распылитель жидкости марки Wellton DHU-445. Время нанесения гексацианоферрата (II) калия на пленку из ПДМПХ для достижения массового соотношения гексацианоферрата (II) калия к ПДМПХ 2:1 составляет 31 минуту.

Подложку из оксидного стекла с нанесенной модифицированной пленкой полимера высушивают в лабораторных условиях 24 часа, после чего полученная гетероструктура пригодна к использованию в качестве сенсорного элемента.

Пример 2.

Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 1, за исключением времени ультразвукового нанесения гексацианоферрата (II) калия, которое составляет 37 минут. Массовое соотношение компонентов гексацианоферрата (II) калия и ПДМПХ в этом случае составляет 2,3:1, что соответствует теоретически рассчитанному.

Пример 3.

Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 1, за исключением времени ультразвукового нанесения гексацианоферрата (И) калия, которое составляет 43 минуты. Таким образом, в этом случае массовое соотношение компонентов гексацианоферрата (II) калия и ПДМПХ составляет 2,5:1.

Образцы, полученные с разными массовыми соотношениями компонентов гексацианоферрата (II) калия и ПДМПХ, внешне сильно различаются. Образец с соотношением 2:1 после просушивания имеет однородную целостную пленку светло-желтого цвета с белыми вкраплениями. Однако при контакте с парами воды происходит деградация пленки, связанная с взаимодействием паров воды с элементами ее структуры.

Образец с соотношением 2,3:1 после просушивания имеет однородную целостную пленку лимонно-желтого цвета. Состояние пленки при контакте с парами воды не меняется. У пленки не наблюдается ухудшение ее технических характеристик в течение нескольких месяцев.

Образец с соотношением 2,5:1 имеет также целостную однородную пленку ярко желтого цвета. Такой цвет говорит о преобладании в пленке гексацианоферрата (II) калия. Пленка устойчива к парам воды. Однако пленка кристаллизуется и теряет свою целостность в течение двух недель.

Измерение микротвердости пленок проводят на микротвердомере ПМТ-3. По результатам измерения микротвердости проведена оценка однородности рецепторных слоев в соответствии с ГОСТ 8.531-2002 ГСИ. «Стандартные образцы состава монолитных и дисперсных материалов. Способы оценивания однородности».

Относительная погрешность методики измерения микротвердости не превышает 0,03.

Величина микротвердости пленки с соотношением 2:1 составляет 52,4 Н/мм2, неоднородность 2,8%. Величина микротвердости пленки с соотношением 2,3:1 составляет 58,1 Н/мм2, неоднородность 2,1%. Величина микротвердости пленки с соотношением 2,5:1 составляет 57,4 Н/мм2, неоднородность 2,4%. Наиболее высокие величины микротвердости пленок и показатели их однородности наблюдаются при массовом соотношении компонентов гексацианоферрата (II) калия и ПДМПХ, равном 2,3:1.

Пленка, полученная по способу, изложенному в патенте РФ №2541715 от 20.02.2015 (прототип), имеет величину микротвердости 56,6 Н/мм2, неоднородность 2,5%.

Для измерения электрической проводимости используют иммитансометр Е7-8 (ПО «Калибр», Белоруссия). С целью построения градуировки, отражающей зависимость удельной проводимости рецепторного слоя от содержания влаги в рабочем объеме измерительного устройства, применяют растворы 15-60%-ной массовой концентрации серной кислоты, содержание паров воды над поверхностью которых известно и табулировано (3,78-21,32 г/м3).

Сенсорный элемент устанавливают в зажимах иммитансометра и измеряют его электрическую проводимость. Аналитическим сигналом служит изменение электрической проводимости пленки при изменении содержания паров воды над растворами серной кислоты известных концентраций. При соотношениях компонентов гексацианоферрата (И) калия и ПДМПХ, равных 2:1 и 2,5:1, зависимости проводимости от концентрации паров воды в воздушной среде имеют ярко выраженный экспоненциальный характер. При соотношении компонентов гексацианоферрата (II) калия и ПДМПХ, равном 2,3:1 (фиг. 2, кривая 1), зависимость проводимости от содержания паров воды в воздушной среде меняется по степенному закону, что говорит о протекании адсорбции на поверхности пленки и ее селективности по отношению к парам воды (фиг. 2). Кривая 2 на фиг. 2 соответствует зависимости удельной электропроводности прототипа (патент РФ №2541715 от 20.02.2015) от содержания паров воды в воздушной среде.

Оценка чувствительности рецепторного слоя проведена по логарифмическим зависимостям удельной электрической проводимости от содержания паров воды над растворами серной кислоты. Рассчитанная величина чувствительности рецепторного слоя по отношению к содержанию влаги в заявляемом варианте составляет 0,53, а чувствительность пленки, полученной по техническому решению, изложенному в прототипе (патент РФ №2541715 от 20.02.2015), составляет 0,42, что существенно ниже, чем в предлагаемом способе формирования электропроводящей пленки.

Результатом является формирование на поверхности подложки из оксидных стекол рецепторного слоя в виде однородной электропроводящей пленки, обеспечивающей более высокие значения аналитического сигнала (электрическая проводимость) и чувствительность пленки к содержанию паров воды в воздухе, а также технических характеристик, обеспечивающих устойчивость пленки к воздействию окружающей среды.

Способ формирования пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде на поверхности подложек из оксидных стекол, содержащих поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианид, характеризующийся тем, что поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид наносится на подложку из оксидного стекла методом вытягивания из его водного раствора концентрацией 5-20% масс. с постоянной скоростью 2-3*10-6 м/с, поверх него с использованием метода ультразвукового распыления наносится гексацианоферрат (II) калия в количестве, обеспечивающем массовое соотношение гексацианоферрата (II) калия к поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлориду, равное 2,3±0,1:1, в результате чего образуется поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианид.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления газовых датчиков и применяется для получения газочувствительного материала, который выполнен на основе диоксида титана, нанесенного на сапфировую подложку, и предназначен для регистрации содержания микропримесей оксида углерода и кислорода.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания довзрывных концентраций метана в атмосферном воздухе, и может быть использовано в угольной, металлургической, коксохимической и атомной промышленности, а также в автомобильной промышленности.

Изобретение относится к аналитической химии пищевых продуктов и может быть использовано для установления фальсификации молока водой. Способ предусматривает использование детектирующего устройства типа «электронный нос», матрицу которого формируют на основе четырех пьезосенсоров резонансного типа.

Изобретение относится к пищевой промышленности хлебобулочных и кондитерских изделий. Способ предусматривает использование детектирующего устройства «электронный нос» на основе массива из 8 пьезосенсоров с базовой частотой колебаний 10-15 МГц, электроды которых модифицируют покрытиями, чувствительными к спиртам, углекислому газу, для чего на электроды наносят пленки из ацетоновых и толуольных растворов, а также из хлороформной суспензии углеродных нанотрубок с общей массой каждого покрытия после удаления растворителя 4–10 мкг; регистрируют в режиме реального времени сигналы массива пьезосенсоров в виде площади «визуального отпечатка» (S(τ)); для этого взвешивают 2 пробы сухих пекарных дрожжей, переносят анализируемые пробы в пробоотборники, добавляют предварительно нагретую до 37 °С дистиллированную воду и перемешивают получившиеся растворы, далее измерения проводят следующим образом: через 5 мин газовым шприцем отбирают равновесную газовую фазу над одной пробой водной суспензии дрожжей, вкалывают в ячейку детектирования и фиксируют в течение 1 мин сигналы пьезосенсоров и S1(5), после очистки ячейки детектирования и пьезосенсоров в течение 1-2 мин повторно через 5, 10 и 15 мин отбирают по 1 см3 РГФ и фиксируют S1(10), S1(15), S1(20), через 10 минут от момента перемешивания проб во второй пробоотборник с водной суспензией дрожжей вводят раствор сахарозы, через 5 и 10 мин отбирают 1 см3 РГФ над пробой, фиксируют сигналы массива сенсоров и S2(15), S2(20) и рассчитывают изменения площадей «визуальных отпечатков» сигналов массива сенсоров для 15-й и 20-й минуты измерения (∆S(15) = S2(15) – S1(15), ∆S(20) = S2(20) – S1(20)), отражающие различия в общем содержании летучих веществ в РГФ над пробами при активации сухих дрожжей водой и сахарозой; для оценки качества сухих дрожжей рассчитывают показатель качества дрожжей (ПКД) как разность площадей «визуальных отпечатков» на 20-й и 15-й минуте измерения (ПКД = ∆S(20) - ∆S(15)), отражающий изменение содержания легколетучих веществ в РГФ над пробой дрожжей в процессе активации их сахарозой, если ПКД меньше 0 ± 50, делают вывод о низком качестве дрожжей.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении газовых сенсоров. Предложен способ изготовления газовых сенсоров, содержащих корпус, установленную в нем на основании двухслойную наноструктуру ZnO-ZnO:Cu, точечные контакты, соединенные с выводами корпуса, помещенными в изолятор и штуцер, обеспечивающий контакт детектируемого газа с чувствительным элементом.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака, и может быть использовано для экологического мониторинга.

Использование: для получения возможности измерения содержания метана в азоте в широком диапазоне температур и концентраций при одновременном контроле работоспособности электрохимической ячейки в процессе измерений.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей кислорода.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей аммиака. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и технологичности изготовления датчика.

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений. Способ характеризуется тем, что применяются два сенсора на основе пьезокварцевых резонаторов (ПКР) объемных акустических волн с базовой частотой колебания 10,0 МГц, на электроды которых наносят пленки из насыщенного раствора фторида калия в ацетоне, для чего электроды опускают в насыщенный раствор фторида калия в ацетоне и выдерживают в течение 10 и 5 с, после удаления свободного растворителя в течение 10 мин при температуре t = 100°C , наносятся фазы фторида калия массой 4,0 и 1,0 мкг соответственно, выдерживают их 2 мин для установления стабильности исходной частоты колебания каждого сенсора QUOTE (Гц), предварительно анализируемую твердую фазу массой 1 – 5 г измельчают, жидкую фазу объемом 10 QUOTE отбирают и выдерживают в бюксе с полиуретановой пробкой в течение 20 и 10 мин соответственно, анализируемые газовую смесь или равновесные пары над твёрдыми, жидкими пробами объемом 5 QUOTE отбирают газовым шприцем и инжектируют в ячейку детектирования со скоростью 1 QUOTE , при этом вещества взаимодействуют с покрытиями из фторида калия и изменяются частоты колебания обоих сенсоров, фиксируют частоту колебаний сенсора с массой пленки 4,0 мкг через 30 с после инжекции паров QUOTE (Гц) и для сенсора с массой пленки 1,0 мкг через 60 с после инжекции QUOTE (Гц), по полученным данным рассчитывают для каждого сенсора изменение частот колебаний относительно исходной и, если соотношение изменений частот колебаний сенсоров с массой пленок соответственно 4,0 и 1,0 мкг составляет 1,2 ± 0,3, то делают вывод о присутствии в газовой смеси паров моноэтаноламина.

Стекло // 2602594
Изобретение относится к стеклам с оптически прозрачным покрытием, которые применяются в строительстве, дизайне помещений и на транспорте. Технический результат - повышение коэффициента светопропускания в видимой части спектра за счет преобразования в видимый свет ультрафиолетовой составляющей падающего на стекло света.
Изобретение относится к способу производства стеклоизделий с покрытием. Технический результат изобретения заключается в повышении адгезии со стеклом, снижении коэффициента трения, повышении прочности изделий.

Изобретение относится к облицовочным керамическим и стеклянным плиткам, покрытым с их тыльной стороны полимерной пленкой. .
Изобретение относится к применению водомасляных эмульсий для отделки или улучшения стеклянных поверхностей, в частности внешних поверхностей стеклянной тары. .
Изобретение относится к стекольной промышленности, а именно к разделительным и защитным материалам для транспортирования и хранения листового стекла. .

Изобретение относится к поверхностной обработке стекла нанесением покрытий из жидкой фазы, а именно к технологии получения тонирующих покрытий на изделиях из закаленного стекла, и может быть использовано при изготовлении тонированного, свето- или теплоотражающего закаленного стекла, применяемого в автомобильной, строительной промышленности, а также при нанесении декоративных рисунков на изделия из закаленного стекла.

Изобретение относится к поверхностной обработке стекла, нанесением покрытий из жидкой фазы, а именно к пленкообразующим растворам на основе алкоксидов металлов для получения цветных металлооксидных покрытий и может быть использовано при изготовлении тонированного стекла большого формата, при нанесении декоративных покрытий, рисунков на керамические изделия.
Изобретение относится к декорированию и росписи твердых материалов, в частности к получению декоративных покрытий на стекле, пластмассе, дереве, металле и других материалах.
Изобретение относится к производству цветных стеклянных изделий. Технический результат – повышение адгезии цветного покрытия к поверхности стеклоизделий и прочности готовых изделий. Способ производства цветных стеклоизделий включает следующие этапы: подготовку сырья, составление шихты, варку стекломассы, формование изделий и их последующее охлаждение. На этапе охлаждения, при достижении поверхностью стеклоизделий температуры 80°С, на нее наносят состав, полученный путем ультразвукового смешения следующих компонентов: коллоидной полимерной основы, одностенных углеродных нанотрубок (ОНТ) и пищевого красителя заданного цвета. При этом содержание ОНТ в составе составляет от 0,005% до 0,2% от его общей массы, а содержание пищевого красителя - от 0,04% до 10% соответственно.

Изобретение относится к способу формирования пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде на поверхности подложек из оксидных стекол. Технический результат – увеличение электрической проводимости, повышение чувствительности к содержанию паров воды в воздушной среде и улучшение микротвердости, однородности. На подложку из оксидного стекла наносят поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид методом вытягивания из водного раствора концентрацией 5-20 масс. с постоянной скоростью 2-3*10-6 мс. Затем поверх него с использованием метода ультразвукового распыления наносится гексацианоферрат калия в количестве, обеспечивающем массовое соотношение гексацианоферрата калия к поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлориду, равное 2,3±0,1:1, в результате чего образуется поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианид. 2 ил.

Наверх