طراحی و ساخت حسگرهای گازی کامپوزیت رسانای پلی (وینیل الکل)/گرافن: تنظیم حساسیت به منظور شناسایی ترکیبات آلی فرار

Design and development of PVA/ Graphene composite gas sensors: Tuning of the sensitivity to detect of VOCs

  • جزئیات
  • خلاصه پژوهش
  • تعریف مسئله
  • اهمیت و ضرورت
  • اهداف
  • توضیحات تکمیلی
  • حمایت‌های موردنیاز
  • فایل‌های پیوست
  • پیام‌ها
  • حامیان پیشنهادیه
:   توسعه ای
:  
کارشناسی ارشد
مهندسی شیمی
مهندسی پلیمر - صنایع پلیمر
:   12 ماه
:   1397/11/20

نیاز به شناسایی و اندازه گیری غلظت انواع ترکیبات گازی و بخارات متصاعد شده از ترکیبات شیمیایی مختلف در زمینه های مختلفی نظیر صنایع بهره برداری و انتقال گاز، صنایع غذایی، تولید مواد دارویی و بهداشتی، تصفیه آلاینده های آب، تشخیص بیماری ها و ...پژوهشگران را به این امر واداشته تا تجهیزاتی فراهم آورند تا بتوان به کمک آن ها در کوتاه ترین زمان ممکن و با دقت بسیار زیاد به این مهم دست یابند. در راستای این امر انواع متنوعی از سیستم های شناسایی گاز و حسگرهای بخار تولید و بهینه شده اند. یکی از انواع این حسگرها، حسگرهای گاز مبتنی بر کامپوزیت های پلیمری رسانا هستند که به دلیل ویژگی های مطلوب کمّی آن ها شامل: زمان پاسخ مناسب، قدرت تفکیک خوب، حساسیت به انواع گازها و بخارات، پاسخ خطی و ... استفاده از آن ها و تلاش برای بهبود عملکرد آن ها در شناسایی و اندازه گیری غلظت گاز و بخارات در دو دهه اخیر افزایش فراوانی داشته است. این گرایشات به ویژه در تحقیقات گروه مؤسسه تکنولوژی کالیفرنیا (Caltech) و گروه پلاستیک های هوشمند (Smart plastic group) از فرانسه بسیار قابل ملاحظه است. اصول کار این حسگرها بر اساس تغییر در هدایت الکتریکی کامپوزیت پلیمری حاوی یک فاز رسانا در اثر برهم کنش با آنالیت (بخار یا گاز هدف) می باشد. این تغییر رسانایی الکتریکی در اثر جذب مولکول های آنالیت بر روی لایه حساس کامپوزیتی حسگر، متورم شدن ماتریس پلیمری، و در نهایت افزایش فاصله بین ذرات رسانا اتفاق می افتد، که این تغییر مقاومت با استفاده از یک مدار الکتریکی و یک سیستم الکترونیکی مناسب اندازه گیری می شود. در نهایت میزان این تغییر مقاومت الکتریکی در لایه حساس به عنوان معیاری از پاسخ حسگر در برابر آنالیت مورد نظر مورد ارزیابی قرار می گیرد. مسأله و چالش اساسی در این گونه حسگرها دست یابی به پاسخ های سریع و هم چنین شدت پاسخ مناسب و قابل اندازه گیری به غلظت های اندک گاز هدف است. از آن جا که دسترسی به چنین پاسخ هایی نیازمند جذب انتخابی آنالیت بر روی سایت های حساس حسگر می باشد، اعتقاد بر این است که اصلاح سطحی نانوذرات رسانا متناسب با گروه گازهای هدف با انواع گروه های عاملی حجیم تأثیر بسزایی در بهبود پاسخ حسگر خواهد داشت. اصلاح ساختار نانوذرات رسانا موجب پراکندگی بهتر فاز رسانا و جلوگیری از اتصالات بیش از حد آن در ماتریس پلیمر خواهد شد، که این امر منجر به پاسخ های سریعتر حسگر در مقابل گاز هدف می شود. از طرف دیگر این اصلاحات باعث ایجاد سایت های فعال بیشتر برای جذب بهتر مولکول های آنالیت روی مولکول های آرایه پلیمری (برهم کنش بهتر بین آنالیت و پلیمر) خواهد شد. از طرف دیگر بررسی دقیق مکانیسم پاسخ این دسته از حسگرها و تعیین پارامترهای ترمودینامیکی موثر بر پاسخ نهایی امکان طراحی لایه حساس متناسب با گروه آنالیت مورد نظر را فراهم می نماید. به منظور دستیابی به این اهداف، در این پژوهش از پلی وینیل الکل (PVA) به عنوان ماتریس پلیمری و از صفحات گرافن (Graphene) به عنوان فاز رسانا در ساخت کامپوزیت پلیمری استفاده می گردد. پس از اصلاح سطحی نانوذرات با استفاده از پیکریک اسید و تهیه کامپوزیت به روش محلولی ، لایه حساس مورد نظر به روش فیلم سازی قطره ای تهیه شده و سپس پاسخ های آن در معرض بخارات آلی قطبی نظیر الکل ها اندازه گیری می شود.

اصول کار حسگرهای کامپوزیت پلیمری رسانا بر اساس تغییر در هدایت الکتریکی کامپوزیت پلیمری حاوی یک فاز رسانا در اثر برهم کنش با آنالیت (بخار یا گاز هدف) می باشد. این تغییر رسانایی الکتریکی در اثر جذب مولکول های آنالیت بر روی لایه حساس کامپوزیتی حسگر، متورم شدن ماتریس پلیمری، و در نهایت افزایش فاصله بین ذرات رسانا اتفاق می افتد، که این تغییر مقاومت با استفاده از یک مدار الکتریکی و یک سیستم الکترونیکی مناسب اندازه گیری می شود. در نهایت میزان این تغییر مقاومت الکتریکی در لایه حساس به عنوان معیاری از پاسخ حسگر در برابر آنالیت مورد نظر مورد ارزیابی قرار می گیرد. مسأله و چالش اساسی در این گونه حسگرها دست یابی به پاسخ های سریع و هم چنین شدت پاسخ مناسب و قابل اندازه گیری به غلظت های اندک گاز هدف است. از آن جا که دسترسی به چنین پاسخ هایی نیازمند جذب انتخابی آنالیت بر روی سایت های حساس حسگر می باشد، بنابراین اصلاح سطحی نانوذرات با گروه های عاملی مناسب و متنوع می تواند این امر را محقق کند.

استفاده از حسگرها به عنوان ابزاری جهت شناسایی محرک­های محیطی همواره مورد توجه بوده است. در این بین حسگرهای شناسایی گاز و بخار در صنایع مختلف از جمله نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع کشاوررزی، پزشکی، صنایع نظامی و ... به عناوین مختلف مورد توجه بوده است. با تمام تلاش­های صورت گرفته در سال­های اخیر در زمینه حسگرهای شناسایی بخار کامپوزیت رسانای پلیمری، پارامترهای عملکردی این حسگرها مانند زمان پاسخ، حساسیت، انتخاب­پذیری ودوام از آن­چه مطلوب صنعت است فاصله دارد. ضمن اینکه مکانیسم دقیق پاسخ و عوامل موثر بر هرکدام از این پارامترها هنوز به صورت دقیق مشخص نگردیده­است. اهمیت این پژوهش در راستای بهبود پارامترهای عملکردی این حسگرها و شناخت دقیق­تر از مکانیسم پاسخ می­باشد. نتایج این­گونه تحقیقات یه صورت پیوسته و مدون می­تواند امکان طراحی و ساخت حسگر مناسب به­منظور استفاده در صنایع مختلف خصوصا صنایع نفت، گاز و پتروشیمی جهت شناسایی محل نشتی، غلظت و نوع گاز را فراهم بیاورد و کشور را در این زمینه از واردات محصولات مشابه بی­ نیاز بگرداند.

1.طراحی و ساخت سامانه تولید بخار و اندازه گیری پاسخ حسگر

2. اصلاح ساختار گرافن به منظور ایجاد گروه های عاملی متناسب با نوع آنالیت مورد بررسی

3.بررسی نقش پلیمر و گروه های عاملی بر پارامترهای عملکردی حسگر تولید شده

4. بررسی مکانیسم پاسخ در لایه حساس حسگر سنتز شده

 

 

 

 

حامیان پیشنهادیه:

بدون حامی