Příprava a charakterizace nanokompozitních tenkých vrstev pro senzory par organických rozpouštědel

Abstract

Nanoplniva na bázi uhlíku, jako jsou grafen, saze a uhlíková vlákna, jsou stale více používaná při výrobě kompozitů. V dnešní době jsou mnohostěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNT) široce využívaným materiálem především v oblasti polymerní elektroniky a senzorů. Uvádí se mnoho příkladů použití uhlíkatých nanoplniv v různých senzorech veličin, jako jsou tlak, deformace, pohyb nebo senzory k detekci par organických sloučenin. Přestože jejich citlivost bývá vysoká, většina aplikací pro snímání koncentrace par organických látek trpí nízkou selektivitou. Zapletené struktury MWCNTs ve formě buckypaperu mohou posloužit jako svého druhu reference. Předložená studie představuje novou metodu přípravy chemirezistivních senzorů na bázi nanokompozitů pro těkavé organické sloučeniny (VOC). Ethanol, aceton, toluen a heptan byly vybrány jako reprezentativní VOC lišící se polaritou a hydrofobicitou. Převodní vrstva senzorů je vyrobena z elastomerní matrice a uhlíkových nanoplniv a nanesena na substrátech opatřených interdigitálními elektrodami. Jako nejvhodnější z plniv uvažovaných v první fázi výzkumu byly shledány uhlíkové nanotrubice. Z elastomerních kopolymerů a MWCNTs jako plniva byly připraveny tři nanokompozitní materiály se srovnatelným odporem. Jako polymerní matrice byly zvoleny styren-isopren-styrenový kopolymer, ethylen-oktenový kopolymer a termoplastický polyuretan. Tyto vzorky vykazovaly srovnatelnou citlivost a lepší selektivitu než dříve studovaný buckypaper. Jako příklad možné aplikace bylo demonstrováno integrované elektronické zařízení, "elektronický nos" a snímací mikropásková anténa. V dalším kroku výzkumu byly přijaty a použity různé strategie pro zlepšení výkonu senzorů. Bylo zjištěno, že rotační potahování je nejlepší technologií přípravy tenkého filmu, zatímco plazmové opracování povrchu nepřineslo žádné zlepšení. Zavedení grafenových nanodestiček (GNP) jako dalšího plniva a styren-butadienstyrenového kopolymeru jako další matrice umožnilo přípravu VOC senzorů s obrovskou odezvou a selektivitou. Vynikající vlastnosti senzoru byly vysvětleny pomocí Hansenových parametrů rozpustnosti (HSP). Hlavní výhody přístupu HSP, tedy jednoduchost, vypovídací schopnost a prediktivní schopnost, se osvědčily i v této studii. Navíc tento přístup umožňuje racionální návrh nových senzorů založených na interakcích rozpouštědlo-polymer-plnivo, čímž představuje novou třídu senzorů na bázi HSP.