Properties of multifunctional polymers – carbon black composite vapor

Abstract

In this work the electrical properties of vapor detectors, formed from composites of conductive carbonblack and insulating organic multifunctional polymers having metal ions complexing ability, were investigated. The new composites are tailored to produce increased sensitivity toward specific classes of analyte vapors. Resonant frequency shift of a Quartz Crystal Microbalance (QCM) and dc resistance measurements have been also performed simultaneously on polymer-carbon black composite materials. For comparison purpose, poly(vinyl chloride) (PVC) with di(2-ethylhexyl)phthalate (DOP), a traditional low molecular weight plasticizer, is used as a representative of the behaviour of a traditional composite vapor detector. These new detectors showed an enhanced sensitivity upon exposure to acetic acid and amines vapors; the performances of our systems are 103 times higher than those of a traditional composite vapor detector. Moreover the extent of such responses is beyond that expected by mass uptake upon exposure to the same vapors and cannot be attributed solely to differences in polymer/gas partition coefficients. In this respect, several different chemical factors determine the dc electrical response of this system: in our opinion changes in polymer conformation during the adsorption process also play a significant role. The effects of the temperature on the electric resistance of the vapor detectors have also been studied. These materials showed a discontinuity in the temperature dependence of their resistance, and this discontinuity provided a simple method for determining the Tg of the composites. Досліджено електричні властивості детекторів парів на основі композиту провідної сажі та ізоляційних органічних полімерів з йонами металів комплексоутворюючої дії. Створено нові композиційні матеріали для забезпечення підвищеної чутливості до конкретних класів аналізованої пари. Одночасно проведені вимірювання резонансної частоти зсуву кварцекристалічних мікроваг (QCM) і опору постійного струму для композитного матеріалу полімер-сажа. Для порівняння використаний традиційний низькомолекулярний пластифікатор полі(вінілхлорид)(PVC) з ді(2-етилгексіл)фталатом (DOP), який використовується у традиційному композитному детекторі парів. Нові детектори показали підвищену чутливість до дії оцтової кислоти і парів амінів; показники нової системи в 103 разів кращі за традиційні композитні детектори парів. Крім того, така чутливість виходить поза межі очікуваної при масовому поглинанні при дії на ту ж пару і не може бути віднесена виключно до відмінностей полімер/газового коефіцієнту розділу. В зв’язку з цим, декілька різних хімічних чинників визначають електричний відгук постійного електроструму цієї системи: в зміни в конформації полімеру в процесі адсорбції також відіграють значну роль. Вивчено вплив температури на електричний опір детекторів парів. Нові матеріали показали скачок (різку зміну) залежності температури від їх опору, і цей скачок забезпечує простий метод визначення температури склування композитів.