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.

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложено устройство и способ для обнаружения целевых биомолекул с использованием вышеуказанного устройства. Устройство включает установленную на электронепроводящей опоре и подсоединенную к электрической цепи посредством электродов электропроводящую мембрану с иммобилизованным на ней компонентом биологического распознавания, источник напряжения и устройство контроля сопротивления. Способ включает подачу образца текучей среды на мембрану, контроль сопротивления мембраны, при котором, если сопротивление больше порогового сопротивления, происходит выдача сигнала об обнаружении целевой биомолекулы. Изобретения обеспечивают высокоспецифичное и быстрое обнаружение целевой биомолекулы. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 21 ил., 5 табл., 3 пр.
Наверх