پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر
فصلنامه علمی - پژوهشی

طراحی و ساخت حسگر بر پایه کامپوزیت پلی(الکتیک اسید)/نانولوله کربنی به منظور شناسایی بخارات آلی فرار

نویسنده

پیام ملاعباسی

دانشگاه اصفهان

چکیده
در سال­های گذشته، مطالعات بسیاری در زمینه شناسایی و تشخیص ترکیبات آلی فرار صورت گرفته ­است. شناسایی این ترکیبات فرار در صنایع متعددی مانند کنترل آلودگی هوا، کنترل کیفیت هوا، بسته­ بندی مواد غذایی، کنترل کیفیت مواد غذایی، تشخیص بیماری­ها، کشاورزی و... مورد توجه قرار گرفته ­است. با وجود این پژوهش­ها حساسیت و انتخاب ­پذیری حسگرهای شناسایی ترکیبات فرار نیازمند بهبود می­ باشند. در این پژوهش لایه حساس کامپوزیت پلیمری رسانا بر پایه پلی (لاکتیک اسید) به عنوان ماتریس و نانولوله­ های کربنی به عنوان فاز رسانای پراکنده جهت شناسایی بخارات آلی فرار تهیه شده است. برای این منظور فیلم متخلخل کامپوزیتی به کمک روش جدایی فازی القایی خشک توسط ضدحلال آماده گردیده است. در این ساختار از حلال کلروفرم (با دمای جوش پایین و فراریت بیشتر) و ضدحلال اتانول (با دمای جوش بالاتر و فراریت کم­تر) استفاده شده است. ساختار به­ دست آمد جهت شناسایی بخارات متانول، تولوئن و کلروفرم مورد بررسی قرار گرفته است. ساختار و مورفولوژی کامپوزیت متخلخل تهیه شده توسط تست­های میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آزمون اندازه­ گیری سطح ویژه سه نقطه ­ای (BET) مورد مطالعه و بررسی گرفتند. نتایج بدست آمده نشان می­دهد که فرآیند جدایی فازی القایی منجر به تشکیل ساختار متخلخل با مورفولوژی سلول باز شده است. میزان سطح ویژه بدست آمده برای فیلم کامپوزیت پلیمری تهیه شده برابر با 3/22 m2gr-1 می­باشد که در مقایسه با نمونه ­های متراکم نشان دهنده افزایش چشم­گیر میزان سطح ویژه می­باشد. نتایج تست بخار نشان دهنده بهبود چشم­گیر پاسخ نمونه­ های متخلخل در مقایسه با نمونه­ های متراکم می­ باشد. به طوری که نمونه متراکم در مقابل غلظت 100 ppm از بخار تولوئن هیچ پاسخی نشان نمی­دهد در حالی­که نمونه متخلخل در مقابل همان غلظت پاسخی در حدود 14/0 % نشان می­دهد. علت این مساله را می­توان به افزایش سطح ویژه لایه حساس و بهبود ضریب نفوذ مولکول­های بخار و افزایش امکان دسترسی آن­ها به سایت­های فعال حسگر دانست. همچنین روند پاسخ و انتخاب­پذیری حسگر به­دست آمده در مقابل بخارات هدف براساس پارامترهای ترمودینامیکی مانند پارامتر برهم­کنش فلوری-هاگینز و پارامتر حلالیت هنسن مورد مطالعه قرار گرفته است

کلیدواژه‌ها

کامپوزیت پلیمری رسانا
پلی (لاکتیک اسید)
حسگر شناسایی گاز
جدایی فازی القایی توسط ضدحلال
ترکیبات آلی فرار

موضوعات

عنوان مقاله English

Based Detector a of Development and Design for Composite CNT)/Acid Lactic(Poly on Compounds Organic Volatile of Detecti

نویسنده English

Payam Molla-Abbasi
University of Isfahan
چکیده English

Research subject: In recent years, there are so many attractions in the field of effective detection and discrimination of volatile organic compounds (VOCs). Detection of VOCs compounds, are very important in many applications and industries such as air pollution control, air quality control, food packaging, food quality control, disease diagnostic, agriculture etc. The sensitivity and selectivity of the prepared sensors to detect of VOCs needs to improve.

Research approach: A conductive polymer composite sensitive layer based on poly (lactic acid) as polymer matrix and multiwall carbon nanotubes as conductive filler was prepared to detect of volatile organic compounds (VOCs). For this purpose the porous sensitive layer was prepared by non-solvent induced phase separation (NIPS) method. In this structure, chloroform (low boiling point temperature) was used as the solvent and ethanol (high boiling point temperature) was used as a non-solvent. The sensitive layer was used to detect of toluene, methanol, and chloroform. The structure and morphology of synthesized layer was investigated by means of scanning electron microscopy (SEM) and BET test.

Main results: The investigation indicated that the phase separation method induced the open cell morphology into the conductive composite. The BET results showed that the specific surface area of composite increased to 22.3 m2/gr. The experimental results showed that the response properties of porous layers was improved dramatically in comparison with dense layers. It was related to the increase of specific surface area of polymer composite and therefore the increase of diffusion coefficient of analyte molecules into the polymer matrix. Finally the sensitivity and selectivity of porous sensitive layers was investigated based on Flory-Huggins interaction parameter.

کلیدواژه‌ها English

Conductive Polymer Composites (CPC)
Poly (Lactic Acid) (PLA)
Gas Detector
Non-solvent Induced Phase Separation (NIPS)
Volatile Organic Compounds (VOCs)
[1] E. Danesh, S.R. Ghaffarian, P. Molla-Abbasi, Non-Solvent Induced Phase Separation As A Method For Making High-Performance Chemiresistors Based On Conductive Polymer Nanocomposites, Sensors And Actuators B: Chemical, 155 (2011) 562-567.
[2] J. Gardner, Bartlett, Philip N, Sensors And Sensory Systems For An Electronic Nose, 1991.
[3] P. Molla-Abbasi, M. Shabanian, A Bulky Aromatic Functional Polyimide Composite As A Sensitive Layer For The Detection Of Organic Compound Biomarkers, Iranian Polymer Journal, 28 (2019) 203-211.
[4] M.C. Lonergan, E.J. Severin, B.J. Doleman, S.A. Beaber, R.H. Grubbs, N.S. Lewis, Array-Based Vapor Sensing Using Chemically Sensitive, Carbon Black−Polymer Resistors, Chemistry Of Materials, 8 (1996) 2298-2312.
[5] B.J. Doleman, M.C. Lonergan, E.J. Severin, T.P. Vaid, N.S. Lewis, Quantitative Study Of The Resolving Power Of Arrays Of Carbon Black−Polymer Composites In Various Vapor-Sensing Tasks, Analytical Chemistry, 70 (1998) 4177-4190.
[6] B. Kumar, M. Castro, J.-F. Feller, Tailoring The Chemo-Resistive Response Of Self-Assembled Polysaccharide-Cnt Sensors By Chain Conformation At Tunnel Junctions, Carbon, 50 (2012) 3627-3634.
[7] J. Lu, B. Kumar, M. Castro, J.-F. Feller, Vapour Sensing With Conductive Polymer Nanocomposites (Cpc): Polycarbonate-Carbon Nanotubes Transducers With Hierarchical Structure Processed By Spray Layer By Layer, Sensors And Actuators B: Chemical, 140 (2009) 451-460.
[8] P. Molla-Abbasi, S.R. Ghaffarian, E. Dashtimoghadam, Wrapping Carbon Nanotubes By Biopolymer Chains: Role Of Nanointerfaces In Detection Of Vapors In Conductive Polymer Composite Transducers, Polymer Composites, (2015) N/A-N/A.
[9] A.K. Sharma, A. Mahajan, R. Bedi, S. Kumar, A. Debnath, D. Aswal, Non-Covalently Anchored Multi-Walled Carbon Nanotubes With Hexa-Decafluorinated Zinc Phthalocyanine As Ppb Level Chemiresistive Chlorine Sensor, Applied Surface Science, 427 (2018) 202-209.
[10] X. Wang, Y. Li, J. Pionteck, Z. Zhou, W. Weng, X. Luo, Z. Qin, B. Voit, M. Zhu, Flexible Poly (Styrene-Butadiene-Styrene)/Carbon Nanotube Fiber Based Vapor Sensors With High Sensitivity, Wide Detection Range, And Fast Response, Sensors And Actuators B: Chemical, 256 (2018) 896-904.
[11] A. Bouvree, J.-F. Feller, M. Castro, Y. Grohens, M. Rinaudo, Conductive Polymer Nano-Biocomposites (Cpc): Chitosan-Carbon Nanoparticle A Good Candidate To Design Polar Vapour Sensors, Sensors And Actuators B: Chemical, 138 (2009) 138-147.
[12] P. Molla-Abbasi, S. Ghaffarian, Decoration Of Carbon Nanotubes By Chitosan In A Nanohybrid Conductive Polymer Composite For Detection Of Polar Vapours, Rsc Advances, 4 (2014) 30906-30913.
[13] P. Molla‐Abbasi, S. Reza Ghaffarian, E. Dashtimoghadam, Wrapping Carbon Nanotubes By Biopolymer Chains: Role Of Nanointerfaces In Detection Of Vapors In Conductive Polymer Composite Transducers, Polymer Composites, 37 (2016) 2803-2810.
[14] H. Qi, J. Liu, J. Pionteck, P. Pötschke, E. Mäder, Carbon Nanotube–Cellulose Composite Aerogels For Vapour Sensing, Sensors And Actuators B: Chemical, 213 (2015) 20-26.
[15] H. Matsuyama, M. Nishiguchi, Y. Kitamura, Phase Separation Mechanism During Membrane Formation By Dry‐Cast Process, Journal Of Applied Polymer Science, 77 (2000) 776-783.
[16] H. Matsuyama, M. Teramoto, T. Uesaka, Membrane Formation And Structure Development By Dry-Cast Process, Journal Of Membrane Science, 135 (1997) 271-288.
[17] H. Matsuyama, M. Tachibana, T. Maki, M. Teramoto, Light‐Scattering Study On Porous Membrane Formation By Dry‐Cast Process, Journal Of Applied Polymer Science, 86 (2002) 3205-3209.
[18] M. Castro, B. Kumar, J.F. Feller, Z. Haddi, A. Amari, B. Bouchikhi, Novel E-Nose For The Discrimination Of Volatile Organic Biomarkers With An Array Of Carbon Nanotubes (Cnt) Conductive Polymer Nanocomposites (Cpc) Sensors, Sensors And Actuators B: Chemical, 159 (2011) 213-219.
[19] S. Nag, A. Sachan, M. Castro, V. Choudhary, J. Feller, Spray Layer-By-Layer Assembly Of Poss Functionalized Cnt Quantum Chemo-Resistive Sensors With Tuneable Selectivity And Ppm Resolution To Voc Biomarkers, Sensors And Actuators B: Chemical, 222 (2016) 362-373.
[20] E. Danesh, F. Molina-Lopez, M. Camara, A. Bontempi, A.V. Quintero, D. Teyssieux, L. Thiery, D. Briand, N.F. De Rooij, K.C. Persaud, Development Of A New Generation Of Ammonia Sensors On Printed Polymeric Hotplates, Analytical Chemistry, 86 (2014) 8951-8958.
[21] B. Kumar, J.-F. Feller, M. Castro, J. Lu, Conductive Bio-Polymer Nano-Composites (Cpc): Chitosan-Carbon Nanotube Transducers Assembled Via Spray Layer-By-Layer For Volatile Organic Compound Sensing, Talanta, 81 (2010) 908-915.
[22] C.M. Hansen, Hansen Solubility Parameters: A User's Handbook, Crc Press, 2007.
[23] B. Kumar, M. Castro, J.-F. Feller, Poly (Lactic Acid)–Multi-Wall Carbon Nanotube Conductive Biopolymer Nanocomposite Vapour Sensors, Sensors And Actuators B: Chemical, 161 (2012) 621-628.

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما