Příprava a charakterizace nanokompozitních tenkých vrstev pro senzory par organických rozpouštědel

Ing. Rostislav Slobodian

Doctoral thesis

Preparation and characterization of nanocomposite thin films for sensors of organic solvent vapours

Abstract:

Nanofillers based on carbon, such as graphene, carbon black, and carbon fibres, are used for composite production. Nowadays, multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) are a widely applicable material, mainly in the fields of polymer electronics and sensors. The utilization of carbonaceous nanofillers in various sensors like pressure, deformation, motion, or sensors to detect organic compound vapours is broadly reported. Although their sensitivity is high, most applications for sensing organic vapours suffer from low selectivity. Entangled MWCNTs buckypaper structures may serve as a reference of its kind. The study presents a new method for preparing nanocomposite-based chemiresistive sensors for volatile organic compounds (VOCs). Ethanol, acetone, toluene, and heptane were selected as representative VOCs differing in polarity and hydrophobicity. The transducing layer of the sensors is made from an elastomeric matrix and carbonaceous nanofillers and deposited on substrates patterned by interdigitated electrodes. Carbon nanotubes were found to be the most suitable of the fillers considered in the first stage of the research. Three nanocomposite materials with comparable resistivity were prepared from elastomeric copolymers with MWCNTs filler. Styrene-isoprene-styrene copolymer, ethylene-octene copolymer, and thermoplastic polyurethane were chosen as the polymer matrices. These samples manifested comparable sensitivity and better selectivity than the previously studied buckypaper. Examples of potential applications such as an integrated electronic device, "electronic nose" and a sensing microstrip antenna were demonstrated. In the next step of the research, various strategies have been adopted and employed to enhance the performance of the sensors. Spin coating was found to be the best thin film preparation technology, whereas surface plasma treatment did not yield any improvement. The introduction of graphene nanoplatelets (GNPs) as a next filler and styrene-butadiene-styrene copolymer as the next matrix allowed the preparation of VOC sensors with giant response and selectivity. The superior sensor properties were explained using Hansen solubility parameters (HSP). The main advantages of the HSP approach, i.e. simplicity, explanatory and predictive power, were proven also in this study. Moreover, it enables a rational design of new sensors based on solvent-polymer-filler interactions, thus announcing a new class of HSP-based sensors.

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.

Keywords

Mnohostěnné uhlíkové nanotrubice, grafenové nanodestičky, elastomer, kopolymerní nanokompozit, snímání organických par, nanotechnologie, chemiresistivní plynový senzor, Hansenovy parametry rozpustnosti

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 3. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 16. 5. 2024

Tomas Bata University in Zlín

Tomas Bata University in Zlín

Doctoral programme / field:
Nanotechnology and Advanced Materials / Nanotechnology and Advanced Materials