Способ получения электропроводящих пленок на поверхности оксидных стекол для определения содержания влаги в воздушной среде

Изобретение относится к изготовлению подложки из оксидного стекла для определения содержания паров воды в воздушной среде. На поверхность подложки путем ее подъема в горизонтальном положении с постоянной скоростью, варьируемой от 4⋅10-5 до 9⋅10-5 м/с, из водного раствора взаимодействующих компонентов: полимера, такого как поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид (ПДМПХ), и модификатора – гексацианоферрата(II) калия наносят пленку поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида (ПДМПЦ). Содержание ПДМПХ в растворе составляет от 0,2 до 0,5 мас.%, при соблюдении массового соотношения модификатор:полимер, равного (2,3±0,1):1. Изобретение обеспечивает увеличение отклика (удельная электрическая проводимость), микротвердости, однородности и чувствительности пленки к содержанию паров воды в воздушной среде, а также увеличение срока годности полученной гетероструктуры. 4 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к газовому анализу, а именно к изготовлению датчиков 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.

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 поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида для определения содержания паров воды в воздушной среде [патент РФ №2541715 от 20.02.2015], 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 формирования пленки являются плохо контролируемая толщина электропроводящего слоя и недостаточный уровень однородности распределения компонентов по поверхности и объему пленки в результате использования метода аэрозольного распыления модификатора на полимер, 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 полимер и модификатор, что обеспечивает увеличение отклика (удельная электрическая проводимость), микротвердости, однородности и чувствительности пленки к содержанию паров воды в воздушной среде, а также увеличение срока годности гетероструктуры, приготовленной изложенным способом.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного технического решения формирование слоя поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида (ПДМПЦ) на поверхности диэлектрической подложки из оксидного стекла осуществляется путем подъема ее в горизонтальном положении из водного раствора взаимодействующих компонентов: полимера, такого как поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид (ПДМПХ), и модификатора, такого как гексацианоферрат(II) калия, на поверхность с постоянной скоростью, варьируемой от 4⋅10-5 до 9⋅10-5 м/с, и варьируемым содержанием ПДМПХ в растворе от 0,2 до 0,5% мас. Установленное в процессе эксперимента оптимальное массовое соотношение модификатора к полимеру составляет (2,3±0,1):1, что соответствует взаимодействию одного звена полимера с одной молекулой модификатора (мольное соотношение 1:1).

Преимуществом данного способа является одностадийность процесса получения модифицированной пленки на поверхности подложки и возможность обеспечения заданной толщины пленки путем изменения количества ПДМПХ в реакционном объеме при постоянной скорости вытягивания подложки (фигура 1), а также при изменении скорости ее вытягивания из раствора взаимодействующих компонентов с определенным содержанием ПДМПХ (фигура 2). Метод позволяет обеспечить более однородное нанесение модифицированного полимера (ПДМПЦ) на поверхность диэлектрической подложки из оксидного стекла и улучшить технические характеристики рецепторного слоя.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Готовят водные растворы ПДМПХ и гексацианоферрата(II) калия объемами по 15 мл каждый. При этом содержание модификатора (гексацианоферрата(II) калия) и полимера (ПДМПХ) в их растворах соответствует условию их массового соотношения при взаимодействии как 2,3:1, что соответствует стехиометрии реакции - мольному соотношению 1:1.

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

Нанесение ПДМПЦ на подложку осуществляют методом вытягивания подложки в горизонтальном положении с постоянной скоростью ((4-9)⋅10-5 м/с) из водного раствора, где происходит реакция взаимодействия полимера ПДМПХ и модификатора гексацианоферрата(II) калия. Полученная зависимость толщины пленки от содержания ПДМПХ в объеме реакции при скорости вытягивания 6⋅10-5 м/с представлена на фигуре 1.

Подложку из оксидного стекла с нанесенной модифицированной пленкой водонерастворимого полимера (ПДМПЦ) высушивают в лабораторных условиях в течение 24 часов, после чего полученная гетероструктура пригодна к использованию в качестве сенсорного элемента.

Пример 2

Все технологические условия получения пленок совпадают с приведенными в примере 1, за исключением массы навески гексацианоферрата(II) калия. Массовое соотношение компонентов гексацианоферрата(II) калия к ПДМПХ в этом случае составляет 2,0:1.

Пример 3

Все технологические условия получения пленок совпадают с приведенными в примере 1, за исключением массы навески гексацианоферрата(II) калия. Массовое соотношение компонентов гексацианоферрата(II) калия к ПДМПХ в этом случае составляет 2,5:1.

Образцы с разными массовыми соотношениями реагирующих компонентов гексацианоферрата(II) калия и ПДМПХ внешне сильно различаются. Образец с массовым соотношением модификатор:полимер, равным 2,0:1, после просушивания представляет собой однородную целостную пленку светло-желтого цвета с белыми вкраплениями. Однако при контакте с парами воды происходит деградация пленки, связанная, по-видимому, с взаимодействием паров воды с элементами ее структуры.

Образец с массовым соотношением модификатор:полимер, равным 2,3:1, после просушивания имеет на подложке 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 массовым соотношением модификатор:полимер, равным 2,5:1, после просушивания представляет собой также целостную однородную пленку ярко-желтого цвета на подложке из оксидного стекла. Такой цвет говорит о наличии в пленке избыточного количества модификатора - гексацианоферрата(II) калия. Пленка устойчива к парам воды. Однако при комнатной температуре пленка кристаллизуется и теряет свою целостность в течение двух недель.

Измерение микротвердости пленок проводили на микротвердомере ПМТ-3М. По результатам измерения величины микротвердости проведена оценка однородности рецепторных слоев в соответствии с ГОСТ 8.531-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Стандартные образцы состава монолитных и дисперсных материалов. Способы оценивания однородности». Относительная погрешность методики измерения величины микротвердости пленок не превышает 0,03.

Для пленки с массовым соотношением гексацианоферрата(II) калия к ПДМПХ, равным 2,0:1, величина микротвердости составляет 54±2 Н/мм2, величина характеристики однородности в относительных единицах - 0,022. Пленки с массовым соотношением модификатора к полимеру, равным 2,3:1, имеют значение величины микротвердости 62±2 Н/мм2, а величину характеристики однородности в относительных единицах - 0,015. Величина микротвердости пленки с массовым соотношением модификатора к полимеру, равным 2,5:1, составляет 58±2 Н/мм2, величина характеристики однородности в относительных единицах - 0,019. Наибольшее значение величины микротвердости и наименьшая величина характеристики однородности наблюдаются у модифицированных пленок, полученных при взаимодействии гексацианоферрата(II) калия и ПДМПХ в массовом соотношении, равном 2,3:1. Поскольку в этом случае величина относительной погрешности, определяющая характеристику однородности, существенно меньше погрешности методики выполнения измерений, образец в соответствии с ГОСТ 8.531-2002 может считаться однородным.

Пленка, полученная способом, изложенным в прототипе [патент РФ 2541715 от 20.02.2015], имеет величину микротвердости 57 Н/мм2 и характеристику однородности в относительных единицах 0,03.

Для измерения электрической проводимости используют иммитансометр Е7-8 (ПО «Калибр», Республика Беларусь). Значения электрической проводимости пленок приводили к ее удельной величине, учитывая расстояние между контактами и площадь поперечного сечения рецепторного слоя (1=1 см, S=2,5⋅10-3 см2). Для построения градуировочной зависимости удельной электрической проводимости рецепторного слоя от содержания влаги в рабочем объеме измерительного устройства применяют растворы серной кислоты с содержанием 15-60% мас., для которых табулированы значения содержания паров воды над их поверхностью (3,78-21,32 г/м3).

Сенсорный элемент закрепляют в зажимах иммитансометра и измеряют электрическую проводимость. Аналитическим сигналом служит изменение электрической проводимости пленки при изменении содержания паров воды над растворами серной кислоты с известными концентрациями. Для пленок, полученных при массовом соотношении компонентов модификатор:полимер, равном 2,0:1 и 2,5:1, зависимости удельной электрической проводимости от содержания паров воды в воздушной среде имеют ярко выраженный экспоненциальный характер. Для пленки, полученной при массовом соотношении реагирующих компонентов модификатор:полимер, равном 2,3:1, (фигура 3, кривая 1) зависимость удельной электрической проводимости от содержания паров воды в воздушной среде меняется по степенному закону, что указывает на адсорбционный механизм происходящего гетерогенного процесса на поверхности модифицированной пленки (фигура 2). Кривая 2 на фигуре 3 соответствует зависимости удельной электропроводимости 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 с известной концентрацией. Рассчитанная величина чувствительности рецепторного слоя по отношению к содержанию влаги в заявляемом варианте составляет 0,62, 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 получения электропроводящей пленки.

Для обнаружения изменения качества работы и дальнейшей оценки срока годности сенсорных гетероструктур, полученных при массовом соотношении модификатор:полимер, равном 2,3:1, согласно ГОСТ Ρ 50779.45-2002 «Статистические методы. Контрольные карты кумулятивных сумм. Основные положения», проводили анализ во времени: в течение 5 месяцев измеряли влажность воздушной среды над растворами серной кислоты с известными концентрациями. На фигуре 4 представлены результаты измерения показателя качества пленки (удельной электрической проводимости) через равные промежутки времени. Величина аналитического сигнала за указанный период уменьшилась на 6 мкмСм/см (3%), в то время как погрешность методики измерения удельной электрической проводимости даже при доверительной вероятности 0,90 составляет 15 мкмСм/см.

Таким образом, стабильность электропроводящей пленки, полученной по предлагаемому способу, превышает 5 месяцев, а стабильность пленки, полученной по техническому решению, изложенному в прототипе [патент РФ №2541715 от 20.02.2015], не достигает 3 месяцев.

Результатом является способ получения рецепторного слоя на поверхности подложки из оксидных стекол в виде однородной электропроводящей пленки, который обеспечивает возможность получения пленок контролируемой толщины, более высокие значения аналитического сигнала (удельной электрической проводимости), большую чувствительность пленки к содержанию паров воды в воздухе, а также улучшение технических параметров, характеризующих устойчивость пленки к воздействию окружающей среды: микротвердости, однородности, стабильности.

Способ получения пленок поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида (ПДМПЦ) на поверхности диэлектрической подложки из оксидного стекла для определения содержания паров воды в воздушной среде, отличающийся тем, что формирование слоя ПДМПЦ на поверхности подложки осуществляется путем подъема ее в горизонтальном положении из водного раствора взаимодействующих компонентов: полимера, такого как поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид (ПДМПХ), и модификатора, такого как гексацианоферрат(II) калия, на поверхность с постоянной скоростью, варьируемой от 4⋅10-5 до 9⋅10-5 м/с, и варьируемым содержанием ПДМПХ в растворе от 0,2 до 0,5 мас.% при соблюдении массового соотношения модификатор:полимер, равного (2,3±0,1):1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdSe)0,85(CdTe)0,15 и подложки, которой служит электродная площадка 2 пьезокварцевого резонатора 3.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания аммиака. Датчик состоит из полупроводникового основания (1), выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (GaAs)0,75 (ZnSe)0,25, и подложки, которой служит электродная площадка (2) пьезокварцевого резонатора (3).

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.

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 стеклянному контейнеру из боросиликатного стекла. Технический результат – повышение устойчивости к отслаиванию, повреждению, повышение прочности стеклянного контейнера.
Изобретение относится к производству цветных стеклянных изделий. Технический результат – повышение адгезии цветного покрытия к поверхности стеклоизделий и прочности готовых изделий.

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.

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 стеклянным контейнерам. Технический результат – повышение стойкости к механическим повреждениям и расслоению. Стеклянный контейнер содержит стеклянную основу, имеющую внутреннюю поверхность и наружную поверхность. Внутренняя поверхность стеклянной основы характеризуется коэффициентом расслоения, меньшим или равным 10, и пороговой величиной диффузионной способности более примерно 16 мкм2/ч при температуре, меньшей или равной 450°С. На наружную поверхность нанесено теплостойкое покрытие, являющееся термостабильным при температуре, по меньшей мере, 260°С в течение 30 минут. 14 з.п. ф-лы, 34 пр., 8 табл., 67 ил.

Изобретение относится к изготовлению подложки из оксидного стекла для определения содержания паров воды в воздушной среде. На поверхность подложки путем ее подъема в горизонтальном положении с постоянной скоростью, варьируемой от 4⋅10-5 до 9⋅10-5 мс, из водного раствора взаимодействующих компонентов: полимера, такого как поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид, и модификатора – гексацианоферрата калия наносят пленку поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида. Содержание ПДМПХ в растворе составляет от 0,2 до 0,5 мас., при соблюдении массового соотношения модификатор:полимер, равного :1. Изобретение обеспечивает увеличение отклика, микротвердости, однородности и чувствительности пленки к содержанию паров воды в воздушной среде, а также увеличение срока годности полученной гетероструктуры. 4 ил., 3 пр.

Наверх