Газовая чувствительность полимерных композитов с углеродными нанотрубками

Внедрение: 2017 г.

Одним из новых направлений развития современных технологий является химический анализ с использованием мультисенсорных газоаналитических систем, называемых «электронный нос». Эти системы, как правило, строятся на основе массива сенсоров, характеризующихся чувствительностью к широкому набору или целому классу анализируемых веществ (аналитов). Цель представленной работы [1] заключается в исследовании газовой чувствительности гибридного сенсорного массива, содержащего полимерные композитные сенсоры на основе полисилоксанов, модифицированных электропроводным наполнителем в виде технического углерода и нанотрубок DEALTOM. Многослойные углеродные нанотрубки (MУНТ, multi-wall carbon nanotubes, MWCNT) марки DEALTOM представляют собой наномасштабные углеродные нитевидные образования цилиндрической формы с внутренним каналом. Внутренний диаметр нанотрубок составляет 13,3 нм. 

В сенсорный массив входили 8 полимерных композитных сенсоров, которые среди других резистивных сенсоров можно рассматривать как узкоселективные. Структурные формулы мономерных звеньев этих полимеров приведены на рисунке 1. Электропроводным наполнителем композитов служили MУНТ марки DEALTOM, а также технический углерод марки П267‑Э с размерами частиц 20…25 нм.

Рисунок 1. Структурные формулы мономерных звеньев полимеров.

ПК-сенсоры изготавливали в двух видах:

• пленочные хеморезисторы – нанесение на подложку из слюды раствора соответствующего композита в толуоле, с предварительным вакуумным напылением на нее электродов и контактных площадок из Ag;
• полимерные композитные пеллисторы (бусины) – погружение в раствор соответствующего композита в толуоле двух проводников, фиксированных на расстоянии 0,1 мм фторопластовой прокладкой.

Оба способа изготовления завершались сушкой готовых сенсоров на воздухе. Структура пленочных сенсоров показана на рисунке 2. Сенсорный массив был дополнен сенсорами с широкой чувствительностью: одним термокаталитическим сенсором и двумя металл-оксидными сенсорами с различающейся рабочей температурой. Сенсорный массив был размещен в измерительной ячейке, продуваемой воздушным насосом. Хроматографическая калибровка проб была проведена на газовом хроматографе «Хромос ГХ‑1000».

Рисунок 2. Структура пленочных полимерных композитных хеморезисторов.

Для сбора и обработки аналоговых данных от сенсорного массива был использован измерительный модуль E14‑140, работавший под управлением программы LGraph2.

Прикладная программа анализа сенсорных сигналов была разработана авторами данной работы специально для решения ряда задач. Наиболее важная из этих задач – идентификация образца пробы. Она решается обработкой полученной выборки сигналов всех сенсоров массива с помощью искусственной нейронной сети. Сеть имела структуру однослойного персептрона с назначением каждому из аналитов своего нейрона, уровень выходного сигнала которого должен после обучения сети соответствовать концентрации аналита в пробе. Количество входов сети соответствовало произведению числа сенсоров в массиве на число точек в дискретной кинетической выборке сигналов каждого сенсора. Задача идентификации могла решаться в режиме on-line. Критерием аналитической эффективности системы служила средняя квадратичная ошибка, вычисляемая по разнице между истинными значениями концентраций и показаниями газоанализатора.

Характерной особенностью полимерных нанокомпозитов является перколяционный характер их электропроводности. При достижении пороговой концентрации проводящего наполнителя (порога перколяции или протекания) проводимость нанокомпозита резко увеличивается. На рисунке 3 представлены примеры экспериментальных данных с откликами гибридного сенсорного массива на пробы различающихся полярностью аналитов (н‑гексан и этанол), полученные с помощью измерительного модуля E14‑140 под управлением программы LGraph2. Номера кривых на рисунках соответствуют номерам сенсоров.

Рисунок 3. Отклик сенсорного массива на н‑гексан (слева); отклик сенсорного массива на этанол (справа).

Источник:
Скутин Е.Д., Подгорный С.О., Подгорная О.Т., Коляничев Н.С., Катков А.А. Газовая чувствительность полимерных композитов с углеродными нанотрубками // Динамика систем, механизмов и машин. – 2017. – Т. 5, № 2. – С. 208‑214.

Разработчик: Скутин Е.Д., Подгорный С.О., Подгорная О.Т., Коляничев Н.С., Катков А.А. (Омский гос. технический университет)