RU2688742C1 - Газочувствительный композит и способ его изготовления - Google Patents
Газочувствительный композит и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2688742C1 RU2688742C1 RU2018127259A RU2018127259A RU2688742C1 RU 2688742 C1 RU2688742 C1 RU 2688742C1 RU 2018127259 A RU2018127259 A RU 2018127259A RU 2018127259 A RU2018127259 A RU 2018127259A RU 2688742 C1 RU2688742 C1 RU 2688742C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- carbon nanotubes
- composite
- conductive
- fibers
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 39
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 38
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229920002037 poly(vinyl butyral) polymer Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 4
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 4
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 claims description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 claims description 2
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims 1
- 238000009707 resistance sintering Methods 0.000 claims 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 63
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000297 Rayon Polymers 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 2
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 2
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- ZAJAQTYSTDTMCU-UHFFFAOYSA-N 3-aminobenzenesulfonic acid Chemical compound NC1=CC=CC(S(O)(=O)=O)=C1 ZAJAQTYSTDTMCU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000026935 allergic disease Diseases 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 230000009610 hypersensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002736 nonionic surfactant Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000012667 polymer degradation Methods 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- -1 polyoxyethylene stearyl ether Polymers 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
- C08J5/0405—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres
- C08J5/043—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material with inorganic fibres with glass fibres
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B17/00—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres
- B32B17/02—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres in the form of fibres or filaments
- B32B17/04—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres in the form of fibres or filaments bonded with or embedded in a plastic substance
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0009—Forming specific nanostructures
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/24—Impregnating materials with prepolymers which can be polymerised in situ, e.g. manufacture of prepregs
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Группа изобретений относится к электронике и предназначена для получения газочувствительного материала, используемого в устройствах, преобразующих концентрацию детектируемого примесного газа в воздухе в электрический сигнал. Газочувствительный композит содержит непроводящую волокнистую матрицу и наноструктурированный проводящий материал. Матрица представляет собой мембрану, состоящую из непроводящих волокон со средним диаметром 2 мкм, средний размер пор в которой составляет 5 мкм. Мембрана выбрана стекловолоконной или полимерной фильтровальной. Наноструктурированный материал представляет собой полимерный композит, нанесенный на поверхность волокон слоем толщиной менее 50 нм, который включает одностенные углеродные нанотрубки и полимерное связующее, выбранное из поливинилового спирта, поливинилбутираля или поликарбоната. Содержание углеродных нанотрубок составляет 0,05-0,2 мас. %. Для изготовления газочувствительного композита сквозь пористую волокнистую мембрану фильтруют стабильную дисперсию углеродных нанотрубок, содержащую растворенное полимерное связующее. Дисперсию подвергают сушке. Обеспечивается упрощение способа получения газочувствительного материала; расширение арсенала детектируемых газов, уменьшение времени отклика за счет повышения скорости диффузии газов внутри материала, повышение чувствительности газовых сенсоров. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.
Description
Изобретение относится к электронике и предназначено для получения газочувствительного материала, используемого в устройствах, преобразующих концентрацию детектируемого примесного газа в воздухе в электрический сигнал. Может быть использовано в различных областях науки, техники и промышленности для обнаружения и измерения примесей различных газов в воздухе, а также для разработки газочувствительных сенсоров, предназначенных для мониторинга различных газообразных примесей в атмосфере.
При изготовлении газовых сенсоров широко используются газочувствительные материалы на основе оксидов металлов типа SnO2 [1]. Недостатками таких материалов с точки зрения их использования в малогабаритных сенсорах являются высокая рабочая температура (порядка 450°С) и, соответственно, высокое энергопотребление, а также сложность конструкции с интегрированным электронагревателем.
Известны газочувствительные полимерные композитные материалы на основе углеродных нанотрубок (УНТ), которые используются для изготовления газочувствительных сенсоров, способных работать при комнатной температуре. Газочувствительный эффект в этом случае обусловлен изменением проводимости УНТ за счет переноса электронов между УНТ и адсорбированными молекулами детектируемого газа [2-5]. Подобные материалы используются, например, для создания газовых сенсоров, сопротивление которых меняется в зависимости от концентрации детектируемого газа [6-9]. Например, известен способ получения газочувствительного композита, при котором смешивают углеродные нанотрубки с растворенным полимерным связующим и затем формируют пленки посредством нанесения полученной дисперсии на подложки с последующим удалением растворителя [9]. Недостатком таких композитных материалов является сложность получения тонких проводящих пленок с однородным распределением нанотрубок, затрудненность диффузии газов в объем пленок.
Известен также газочувствительный композит на основе УНТ и способ его изготовления, описанные в патенте US 20130230429 [10]. Газовый сенсор на основе данного материала может обеспечивать высокочувствительное детектирование газов по сдвигу резонансной частоты в цепи сенсора, обусловленному адсорбцией молекул аналита на углеродных нанотрубках. При концентрации аммиака в воздухе 100 ppm изменение резонансной частоты составляло до 300 МГц. При этом углеродные нанотрубки могут быть функционализированы для селективного детектирования одного или нескольких аналитов, являющихся загрязнителями воздушного бассейна, опасными или взрывчатыми газами. Так, для повышения чувствительности к аммиаку авторами предложен вариант модификации поли(m-аминобензолсульфокислотой), которая ковалентно связывается с нанотрубками за счет образования амидных связей. Для снижения себестоимости сенсора его функциональные компоненты изготавливаются с использованием технологий струйной печати; при этом в качестве чернил используются дисперсии углеродных нанотрубок, а в качестве подложки обычная бумага или фотобумага. К недостаткам следует отнести сложность процесса получения газочувствительного материала, поскольку для реализации процесса струйной печати функциональные чернила должны удовлетворять жестким требованиям по вязкости и скорости высыхания, а сам процесс печати является достаточно времязатратным и сопряжен с необходимостью постоянного контроля качества эжекции чернил из дюз печатающей головки.
В качестве прототипа газочувствительного композита выбран композит [11], состоящий из вискозных волокон со средним диаметром 20 мкм, которые покрыты многостенными УНТ со средним диаметром 9,5 нм. Данный материал проявляет хеморезистивные свойства при экспозиции в парах летучих органических соединений, в частности, этанола, ацетона, хлороформа и тетрагидрофурана.
В качестве прототипа способа получения нанокомпозитного материала выбран способ получения [11], заключающийся в том, что вискозные волокна модифицируют многостенными УНТ посредством погружения волокон в дисперсию нанотрубок, стабилизированных неионогенным поверхностно-активным веществом (полиоксиэтиленовый стеарил эфир), с последующей сушкой. К недостаткам следует отнести технологические трудности, связанные с необходимостью многократного нанесения композитного материала на поверхность волокон для формирования слоя достаточной толщины. Кроме того, сопротивление получаемых таким образом модифицированных волокон довольно велико (более 50000 кОм/см) и сами вискозные волокна гигроскопичны, что обуславливает нежелательную повышенную чувствительность такого материала к парам воды.
Задачей изобретения является разработка простого и экономичного способа получения газочувствительного композита, применимого для изготовления на его основе газовых сенсоров, обладающих хорошей чувствительностью и быстрым откликом при комнатной температуре.
Техническим результатом изобретения является:
- упрощение способа получения газочувствительного материала и, как следствие, повышение его экономичности;
- расширение функциональных возможностей газочувствительного материала и изготовленных на его основе газовых сенсоров - увеличение набора детектируемых газов, уменьшение времени отклика за счет повышения скорости диффузии газов внутри материала, представляющего собой пористую волокнистую среду, и повышение чувствительности газовых сенсоров на основе таких материалов.
Технический результат достигается тем, что в газочувствительном композите, содержащем непроводящую волокнистую матрицу и наноструктурированный проводящий материал, непроводящая матрица представляет собой пористую волокнистую мембрану, состоящую из непроводящих волокон со средним диаметром 2 мкм, средний размер пор в которой составляет 5 мкм, а проводящий материал представляет собой полимерный композит, нанесенный на поверхность волокон слоем толщиной менее 50 нм, который включает одностенные углеродные нанотрубки с содержанием от 0,05 до 0,2 масс. % и полимерное связующее, выбранное из группы полимерных материалов, обеспечивающих получение стабильных дисперсий углеродных нанотрубок, которые обладают достаточной агломерационной устойчивостью.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления газочувствительного композита, заключающемся в формировании проводящего материала на основе углеродных нанотрубок на поверхности непроводящих волокон, образующих пористую волокнистую мембрану с вышеуказанными параметрами, фильтруют стабильную дисперсию углеродных нанотрубок, содержащую растворенное полимерное связующее, выбранное из группы полимерных материалов, обеспечивающих получение стабильных дисперсий углеродных нанотрубок. При этом мембрану с нанесенной на волокна смесью затем подвергают сушке при температуре от 40 до 60°С, вследствие чего на поверхности волокон образуется тонкий слой проводящего материала толщиной менее 50 нм, в котором существует туннельная проводимость между углеродными нанотрубками. При этом в качестве полимерного связующего используют поливиниловый спирт или поливинилбутираль или поликарбонат. При этом используют стекловолоконную или полимерную фильтровальную мембрану из непроводящих волокон.
В предложенном способе изготовления газочувствительного композита формируют тонкий слой (менее 50 нм) проводящего композитного материала на основе одностенных УНТ на поверхности непроводящих волокон. При этом сами непроводящие волокна образуют пористую газопроницаемую мембрану со средним размером пор 5 мкм и средним диаметром волокон 2 мкм. В результате в тонком проводящем слое на поверхности волокон формируется одномерная проводящая структура из УНТ. Причем проводимость композита возникает до момента соприкосновения УНТ друг с другом. В таком наноструктурированном проводящем слое с нанометровыми расстояниями между УНТ механизм проводимости определяется туннелированием электронов, что позволяет значительно повысить газочувствительность композита, поскольку вероятность туннелирования электронов экспоненциально зависит от величины потенциального барьера между УНТ, который изменяется при адсорбции газа. Необходимые для туннелирования размеры зазоров между УНТ определяются содержанием УНТ в проводящем слое. Формирование одномерной проводящей структуры из УНТ определяется толщиной проводящего слоя (менее 50 нм). Проводимость композита можно целенаправленно изменять, варьируя содержание УНТ от 0,05 до 0,2 масс. % и тип полимерного связующего, выбранного из группы полимерных материалов, обеспечивающих получение стабильных дисперсий углеродных нанотрубок, которые обладают достаточной агломерационной устойчивостью.
Содержание УНТ в композите от 0,05 до 0,2 масс. % обеспечивает получение композита с ориентировочным сопротивлением в диапазоне от 1 кОм до 1 МОм. Нижний предел сопротивления выбирается из условия содержания УНТ ниже перехода металл-диэлектрик в композите, т.е. отсутствия металлической проводимости и существования туннельной проводимости между УНТ в композите, а верхний предел ограничен соображениями удобства для применения данного композита в качестве газочувствительного материала в газовых сенсорах.
Для изготовления газочувствительного композита сквозь мембрану площадью от 1 до 10 см2, состоящую из непроводящих волокон, фильтруют стабильную дисперсию углеродных нанотрубок, содержащую растворенное полимерное связующее. При этом мембрана должна быть устойчива к растворителю фильтруемой дисперсии. Затем мембрану с нанесенной на волокна смесью подвергают сушке при температуре от 40 до 60°С, вследствие чего на поверхности волокон образуется тонкий слой проводящего материала толщиной менее 50 нм, в котором существует туннельная проводимость между углеродными нанотрубками. Диапазон сушки 40-60°С обеспечивает удаление растворителя без деградации полимера. В качестве мембраны можно использовать стекловолоконную мембрану или мембраны из непроводящих полимерных волокон.
Набор детектируемых газов для данного композита определяется взаимодействием молекул газа с используемой полимерной матрицей, а не с УНТ, и может широко варьироваться в зависимости от типа полимерного связующего. Покрытие непроводящих волокон тонким проводящим наноструктурированным слоем посредством фильтрования заданного количества дисперсии углеродных нанотрубок является простой технологической операцией. Этот способ изготовления требует меньше материала по сравнению со способом, описанным в прототипе. За счет высокопористой структуры композита диффузия газа в его объем происходит намного быстрее, чем в сплошной полимерной пленке, содержащей УНТ. При этом по сравнению с другими газочувствительными материалами также обеспечивается большая площадь интерфейса газовая среда/нанокомпозит. За счет одномерного характера транспорта носителей заряда в проводящем слое на поверхности волокон электрическое сопротивление композита сильнее, чем в трехмерных структурах, зависит от высоты потенциальных барьеров между УНТ, которые изменяются под влиянием адсорбции газа. Поэтому этот композит перспективно использовать в качестве газочувствительного материала для изготовления газовых датчиков (сенсоров) с повышенной чувствительностью. По значению сопротивления сенсора с помощью предварительной калибровки определяют концентрацию детектируемого газа.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Способ осуществляют следующим образом. Через пористую волокнистую мембрану площадью 7 см2 фильтруют 5 мл стабильной водной дисперсии углеродных нанотрубок с концентрацией 0,001 масс. % и концентрацией поливинилового спирта (ПВС) со стабилизирующими добавками 0,006 масс. %. Затем мембрану с нанесенной на волокна смесью подвергают сушке при температуре 50°С, вследствие чего на поверхности волокон образуется тонкий слой проводящего материала толщиной менее 50 нм, в котором существует туннельная проводимость между углеродными нанотрубками. Содержание УНТ в композите 0,06 масс. % определяет сопротивление образца композита 168 кОм, которое соответствует туннельной проводимости между УНТ в композите и в то же время удобно для применения данного композита в качестве газочувствительного материала в газовых сенсорах. На Фигурах 1, 2 приведены изображения микроструктуры газочувствительного композита с разным увеличением, полученные с помощью растрового электронного микроскопа. Этим способом был изготовлен образец размером 10×4×1 мм3 из стекловолоконной мембраны с нанесенным на волокна проводящим слоем на основе смеси УНТ-ПВС толщиной менее 50 нм. Для проведения измерений на противоположных концах изготовленного образца серебряной пастой формировались контактные площадки. Подача детектируемого газа, в качестве которого был использован аммиак с концентрацией 100 ppm в воздухе, приводила к быстрому отклику при комнатной температуре (Фигура 3).
Пример 2. Используется аналогичный примеру 1 способ получения, в котором используется стабильная водная дисперсия углеродных нанотрубок с концентрацией 0,004 масс. % и концентрацией ПВС со стабилизирующими добавками 0,024 масс. %. Содержание УНТ в композите 0,2 масс. % определяет сопротивление образца композита 2,1 кОм, которое соответствует туннельной проводимости между УНТ в композите.
Пример 3. Способ осуществляют следующим образом. Через пористую волокнистую мембрану площадью 7 см2 фильтруют 5 мл стабильной дисперсии на основе углеродных нанотрубок с концентрацией УНТ 0,002 масс. % и концентрацией поливинилбутираля со стабилизирующими добавками 0,018 масс. %. В качестве дисперсионной среды используют изопропиловый спирт.
Пример 4. Способ осуществляют следующим образом. Через пористую волокнистую мембрану площадью 7 см2 фильтруют 5 мл стабильной дисперсии на основе углеродных нанотрубок с концентрацией УНТ 0,002 масс. % и концентрацией поликарбоната 0,008 масс. %. В качестве дисперсионной среды используют хлорбензол.
Таким образом, газовые сенсоры на основе газочувствительного композита с пористой волокнистой матрицей могут обладать хорошей чувствительностью и быстрым откликом при комнатной температуре; кроме того, они могут быть изготовлены простым и экономичным способом.
Источники информации
1. Mark A. Andio, Paul N. Browning, Patricia A. Morris, Sheikh A. Akbar. Comparison of gas sensor performance of SnO2 nanostructures on microhotplate platforms. Sensors and Actuators В 165 (2012) 13-18.
2. US Patent Application 20120111093. Method for detecting an analyte gas using a gas sensor device comprising carbon nanotubes.
3. US Patent Application 20080142361. Carbon nanotube gas sensor and method of manufacturing the same.
4. EP Application EP 1887347. Gas sensor using carbon natotubes.
5. US Patent Application 20110163296. CNT-based sensors: devices, processes and uses thereof.
6. M. Joshi, R. P Singh. Studies of CNT and polymer based gas sensor, Sensors & Transducers Journal 122 (2010) 66-71.
7. US Patent Application 20110303882. Polymer composites having highly dispersed carbon nanotubes.
8. US Patent Application 60/895573. Highly dispersed carbon nanotubes polymer composites and methods for forming.
9. C. Pandis, V. Peoglos, A. Kyritsis, P. Pissis. Gas sensing properties of conductive polymer nanocomposites. Procedia Engineering 25 (2011) 243-246.
10. US Patent Application US 20130230429 A1, 2013-09-05. Highly sensitive standoff gas sensing using carbon nanotubes and integrated wireless devices.
11. Haisong Qi, Jianwen Liu, and Edith 
. Smart cellulose fibers coated with carbon nanotube networks. Fibers 2 (2014) 295-307.
Claims (4)
1. Газочувствительный композит, содержащий непроводящую волокнистую матрицу и наноструктурированный проводящий материал, отличающийся тем, что непроводящая матрица представляет собой пористую волокнистую мембрану, состоящую из непроводящих волокон со средним диаметром 2 мкм, средний размер пор в которой составляет 5 мкм, а проводящий материал представляет собой полимерный композит, нанесенный на поверхность волокон слоем толщиной менее 50 нм, который включает одностенные углеродные нанотрубки и полимерное связующее, выбранное из группы полимерных материалов, обеспечивающих получение стабильных дисперсий углеродных нанотрубок, которые обладают достаточной агломерационной устойчивостью, причем содержание одностенных углеродных нанотрубок в газочувствительном композите составляет от 0,05 до 0,2 мас. %, при котором существует туннельная проводимость между нанотрубками.
2. Способ изготовления газочувствительного композита по п. 1, заключающийся в формировании композитного проводящего слоя на основе углеродных нанотрубок на поверхности непроводящих волокон, отличающийся тем, что сквозь пористую волокнистую мембрану, состоящую из непроводящих волокон со средним диаметром 2 мкм, средний размер пор в которой составляет 5 мкм, фильтруют стабильную дисперсию углеродных нанотрубок, содержащую растворенное полимерное связующее, выбранное из группы полимерных материалов, обеспечивающих получение стабильных дисперсий углеродных нанотрубок, которые обладают достаточной агломерационной устойчивостью, которую затем подвергают сушке, причем сформированный слой проводящего материала имеет толщину менее 50 нм.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего используют поливиниловый спирт, или поливинилбутираль, или поликарбонат.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что используют стекловолоконную или полимерную фильтровальную мембрану из непроводящих волокон.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018127259A RU2688742C1 (ru) | 2018-07-25 | 2018-07-25 | Газочувствительный композит и способ его изготовления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018127259A RU2688742C1 (ru) | 2018-07-25 | 2018-07-25 | Газочувствительный композит и способ его изготовления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2688742C1 true RU2688742C1 (ru) | 2019-05-22 |
Family
ID=66637021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018127259A RU2688742C1 (ru) | 2018-07-25 | 2018-07-25 | Газочувствительный композит и способ его изготовления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2688742C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115678029A (zh) * | 2022-10-27 | 2023-02-03 | 陕西科技大学 | 一种Z-67/MXene纳米复合材料、制备方法及应用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA200701505A1 (ru) * | 2005-01-13 | 2008-02-28 | Синвеншен Аг | Композиционный материал и способ его изготовления |
| US20130126069A1 (en) * | 2010-11-24 | 2013-05-23 | Kwj Engineering, Inc. | Printed Gas Sensor |
| RU2490738C2 (ru) * | 2007-11-27 | 2013-08-20 | Мария СТРЕММЕ | Композитные материалы, включающие внутренне-проводящий полимер, и способ, и устройства |
| WO2014009913A1 (en) * | 2012-07-12 | 2014-01-16 | Università degli Studi di Salerno | Carbon nanomaterials based real time radiation dosimeter |
| RU2567625C2 (ru) * | 2010-04-21 | 2015-11-10 | Хексел Корпорейшн | Композитный материал для структурных применений |
-
2018
- 2018-07-25 RU RU2018127259A patent/RU2688742C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA200701505A1 (ru) * | 2005-01-13 | 2008-02-28 | Синвеншен Аг | Композиционный материал и способ его изготовления |
| RU2490738C2 (ru) * | 2007-11-27 | 2013-08-20 | Мария СТРЕММЕ | Композитные материалы, включающие внутренне-проводящий полимер, и способ, и устройства |
| RU2567625C2 (ru) * | 2010-04-21 | 2015-11-10 | Хексел Корпорейшн | Композитный материал для структурных применений |
| US20130126069A1 (en) * | 2010-11-24 | 2013-05-23 | Kwj Engineering, Inc. | Printed Gas Sensor |
| WO2014009913A1 (en) * | 2012-07-12 | 2014-01-16 | Università degli Studi di Salerno | Carbon nanomaterials based real time radiation dosimeter |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| HAISONG QI et al., Smart cellulose fibers coated with carbon nanotube networks, Fibers, 2014, N 2, pp. 295-307. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115678029A (zh) * | 2022-10-27 | 2023-02-03 | 陕西科技大学 | 一种Z-67/MXene纳米复合材料、制备方法及应用 |
| CN115678029B (zh) * | 2022-10-27 | 2023-11-24 | 陕西科技大学 | 一种Z-67/MXene纳米复合材料、制备方法及应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Najeeb et al. | Organic thin‐film capacitive and resistive humidity sensors: a focus review | |
| KR102034608B1 (ko) | 맥신을 이용한 케미레지스터 가스센서 및 이의 제조 방법 | |
| Turkani et al. | A highly sensitive printed humidity sensor based on a functionalized MWCNT/HEC composite for flexible electronics application | |
| Rianjanu et al. | Quartz crystal microbalance humidity sensors integrated with hydrophilic polyethyleneimine-grafted polyacrylonitrile nanofibers | |
| Jung et al. | Enhanced humidity-sensing response of metal oxide coated carbon nanotube | |
| Qi et al. | Carbon nanotube–cellulose composite aerogels for vapour sensing | |
| Lee et al. | WO 3 nanonodule-decorated hybrid carbon nanofibers for NO 2 gas sensor application | |
| Zhang et al. | Recent progress in carbon nanotube-based gas sensors | |
| Tang et al. | Conductive polymer nanowire gas sensor fabricated by nanoscale soft lithography | |
| Imran et al. | Electrospun one-dimensional nanostructures: a new horizon for gas sensing materials | |
| Song et al. | Characterization of electrospun ZnO–SnO2 nanofibers for ethanol sensor | |
| US10247689B2 (en) | Low concentration ammonia nanosensor | |
| Wang et al. | Flexible chemiresistor sensors: Thin film assemblies of nanoparticles on a polyethylene terephthalate substrate | |
| Aria et al. | Ethanol sensing properties of PVP electrospun membranes studied by quartz crystal microbalance | |
| WO2005010480A2 (en) | Sensor device utilizing carbon nanotubes | |
| Yaseen et al. | Preparation of titanium carbide reinforced polymer based composite nanofibers for enhanced humidity sensing | |
| Han et al. | Chemical sensing using electrospun polymer/carbon nanotube composite nanofibers with printed-on electrodes | |
| Kanaparthi et al. | Solvent-free fabrication of paper based all-carbon disposable multifunctional sensors and passive electronic circuits | |
| Tang et al. | PHEMA functionalization of gold nanoparticles for vapor sensing: Chemi-resistance, chemi-capacitance and chemi-impedance | |
| RU2688742C1 (ru) | Газочувствительный композит и способ его изготовления | |
| WO2001013087A2 (en) | Sensors and sensor arrays of conducting and insulating composites and methods of use thereof | |
| US20080236251A1 (en) | Chemical Sensing Apparatuses, Methods and Systems | |
| Choo et al. | Effect of chemical treatment and intrinsic resistance on the humidity sensitivity of pencil graphite sensing material coated on paper substrate | |
| Vedala et al. | Effect of PVA functionalization on hydrophilicity of Y-junction single wall carbon nanotubes | |
| Zampetti et al. | Effects of temperature and humidity on electrospun conductive nanofibers based on polyaniline blends |