ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АКРИЛОВОГО ГИДРОГЕЛЯ ДЛЯ СИСТЕМ ИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
85
УДК 543.42: 681.785
А. Л. ИТИН, С. Б. ЛУКИН, М. В. УСПЕНСКАЯ, В. С. СОЛОВЬЕВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АКРИЛОВОГО ГИДРОГЕЛЯ ДЛЯ СИСТЕМ ИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Приведены результаты исследований оптических свойств пленок акрилового гидрогеля, используемого в качестве чувствительного элемента в оптоэлектронных системах индикации загрязнений. Экспериментально получены спектральные характеристики и функции изменения показателей преломления пленок полимерного материала в результате его набухания в водных растворах поливалентных металлов разной концентрации при комнатной температуре. Ключевые слова: акриловый гидрогель, спектральные характеристики, показатель преломления, загрязнители, набухание, сорбция.
Полимерные технологии находят широкое применение при изготовлении легко воспроизводимых и недорогих микросистем, используемых в сенсорных системах. Такие оптические сенсоры обеспечивают получение информации о химическом составе среды (раствора), с которой взаимодействует чувствительный элемент сенсора, и позволяют не только устанавливать связи между составом вещества и параметрами, характеризующими его свойства, но и использовать выявленные закономерности для разработки способов определения концентрации примесей без отбора анализируемой пробы.
Для химической индикации в оптических сенсорах в качестве селективного слоя могут использоваться полимерные материалы. В настоящее время существует ряд коммерчески доступных полимеров, имеющих достаточный диапазон изменения химических и физических характеристик, а также обладающих нетоксичностью, механической прочностью и оптической прозрачностью в выбранном диапазоне, что обусловливает возможность построения на их основе оптоэлектронных систем контроля состава веществ. Благодаря легкости, с которой оптические элементы могут быть смоделированы и обработаны [1], возможна их интеграция в таких системах.
При сравнении доступных полимеров, используемых в создании химических сенсоров, можно выделить гидрофильные материалы, которые обеспечивают в полимерной матрице свойства, сравнимые с водной средой [2]. В таких материалах частицы могут свободно диффундировать в объем всей полимерной матрицы, что позволяет создавать сенсор с повышенной чувствительностью.
К подобным материалам можно отнести акриловые гидрогели, которые имеют высокую степень влагоудержания и являются чувствительными даже к незначительным изменениям окружающей среды, т.е. ионному составу и водородному показателю среды. Именно поэтому материалы на основе сшитых акриловых сополимеров, способных поглощать различные
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 7
86 А. Л. Итин, С. Б. Лукин, М. В. Успенская, В. С. Соловьев
жидкости (воду, солевые растворы, кровь и пр.), находят широкое применение в разных от-
раслях промышленности и в таких областях, как медицина, сельское хозяйство, строительст-
во и др. [3—6].
В настоящей статье представлены результаты исследований оптических свойств влаго-
поглощающих полимерных пленок акрилового гидрогеля, полученного радикальной полиме-
ризацией натриевой соли акриловой кислоты и акриламида в водной среде при температуре
процесса 40 °С в течение 2,5 ч. Соотношение мономеров составляло 70:30, доля сшивающего
агента N, N′-метиленбисакриламида — 0,2 масс. % от общей массы мономеров. Синтезированные полимеры были помещены в дистиллированную воду для удаления
золь-фракции. Значение равновесной степени набухания полученных материалов определя-
лось стандартным гравиметрическим методом [7].
Для исследования показателя преломления (п) пленок акрилового гидрогеля использо-
вался рефрактометр Leica Abbe Mark II Plus с диапазоном измерения п = 1,32…1,70 и погрешностью ±1·10–4.
Были исследованы зависимости изменения показателя преломления акрилового поли-
мера от концентрации (С) ионов хрома и кобальта, используемых в окружающем водном рас-
творе в качестве загрязнителя. Образцы помещались на определенное время (t
УДК 543.42: 681.785
А. Л. ИТИН, С. Б. ЛУКИН, М. В. УСПЕНСКАЯ, В. С. СОЛОВЬЕВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АКРИЛОВОГО ГИДРОГЕЛЯ ДЛЯ СИСТЕМ ИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Приведены результаты исследований оптических свойств пленок акрилового гидрогеля, используемого в качестве чувствительного элемента в оптоэлектронных системах индикации загрязнений. Экспериментально получены спектральные характеристики и функции изменения показателей преломления пленок полимерного материала в результате его набухания в водных растворах поливалентных металлов разной концентрации при комнатной температуре. Ключевые слова: акриловый гидрогель, спектральные характеристики, показатель преломления, загрязнители, набухание, сорбция.
Полимерные технологии находят широкое применение при изготовлении легко воспроизводимых и недорогих микросистем, используемых в сенсорных системах. Такие оптические сенсоры обеспечивают получение информации о химическом составе среды (раствора), с которой взаимодействует чувствительный элемент сенсора, и позволяют не только устанавливать связи между составом вещества и параметрами, характеризующими его свойства, но и использовать выявленные закономерности для разработки способов определения концентрации примесей без отбора анализируемой пробы.
Для химической индикации в оптических сенсорах в качестве селективного слоя могут использоваться полимерные материалы. В настоящее время существует ряд коммерчески доступных полимеров, имеющих достаточный диапазон изменения химических и физических характеристик, а также обладающих нетоксичностью, механической прочностью и оптической прозрачностью в выбранном диапазоне, что обусловливает возможность построения на их основе оптоэлектронных систем контроля состава веществ. Благодаря легкости, с которой оптические элементы могут быть смоделированы и обработаны [1], возможна их интеграция в таких системах.
При сравнении доступных полимеров, используемых в создании химических сенсоров, можно выделить гидрофильные материалы, которые обеспечивают в полимерной матрице свойства, сравнимые с водной средой [2]. В таких материалах частицы могут свободно диффундировать в объем всей полимерной матрицы, что позволяет создавать сенсор с повышенной чувствительностью.
К подобным материалам можно отнести акриловые гидрогели, которые имеют высокую степень влагоудержания и являются чувствительными даже к незначительным изменениям окружающей среды, т.е. ионному составу и водородному показателю среды. Именно поэтому материалы на основе сшитых акриловых сополимеров, способных поглощать различные
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 7
86 А. Л. Итин, С. Б. Лукин, М. В. Успенская, В. С. Соловьев
жидкости (воду, солевые растворы, кровь и пр.), находят широкое применение в разных от-
раслях промышленности и в таких областях, как медицина, сельское хозяйство, строительст-
во и др. [3—6].
В настоящей статье представлены результаты исследований оптических свойств влаго-
поглощающих полимерных пленок акрилового гидрогеля, полученного радикальной полиме-
ризацией натриевой соли акриловой кислоты и акриламида в водной среде при температуре
процесса 40 °С в течение 2,5 ч. Соотношение мономеров составляло 70:30, доля сшивающего
агента N, N′-метиленбисакриламида — 0,2 масс. % от общей массы мономеров. Синтезированные полимеры были помещены в дистиллированную воду для удаления
золь-фракции. Значение равновесной степени набухания полученных материалов определя-
лось стандартным гравиметрическим методом [7].
Для исследования показателя преломления (п) пленок акрилового гидрогеля использо-
вался рефрактометр Leica Abbe Mark II Plus с диапазоном измерения п = 1,32…1,70 и погрешностью ±1·10–4.
Были исследованы зависимости изменения показателя преломления акрилового поли-
мера от концентрации (С) ионов хрома и кобальта, используемых в окружающем водном рас-
творе в качестве загрязнителя. Образцы помещались на определенное время (t