CC BY
3ВКВ0-2023 СТЕНДОВЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ КИСЛОТНОГО ЗОЛЬ-ГЕЛЬ
СИНТЕЗА ДИОКСИДА КРЕМНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ВОЛОКОННОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА-РЕФРАКТОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО С РЕАЛИЗАЦИЕЙ ЭФФЕКТА ВЕРНЬЕ
12 2 12 1* Кондратьев М.В. 12, Жикина Л.А. 2, Минкин А.М. Медведева Н.А. 1
1 «Пермский государственный национальный исследовательский университет», г. Пермь 2 Пермская научно-производственная приборостроительная компания, г. Пермь * E-mail: nata-kladova@yandex.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-480-481
Золь-гель технология широко применяется для получения наночастиц диоксида кремния, которые используются в качестве антиотражающих, защищающих и соединяющих слоев. Наночастицы диоксида кремния образуются в результате кислотного гидролиза тетраэтоксисилана в водно-спиртовых растворах [1]:
Si(OEt)4 + 4H2O ^ Si(OH)4 + 4EtOH (1)
Si(OH)4^ SiO2+2H2O при T>100°C (2)
Продолжающиеся реакции поликонденсации в коллоидном растворе приводят к росту частиц диоксида кремния до наступления точки гелеобразования. В настоящее время исследования кинетики золь-гель систем обычно выполняются путем определения размера частиц методом динамического светорассеяния через промежутки времени [2]. Однако, данный метод имеет недостатки, так как при отборе проб примеси могут проникнуть в исследуемую среду, а в случае высокой запыленности помещения, в котором проводят анализ, результаты могут быть недостоверными. В таком случае исследования кинетики золь-гель систем непосредственно в растворе будут иметь абсолютные преимущества перед периодическими измерениями в виду непрерывного мониторинга и отсутствия необходимости отбора проб.
В то же время известно, что волоконно-оптические датчики обладают рядом преимуществ такими как невосприимчивость к электромагнитному излучению, невысокая стоимость, малые габаритные размеры, коррозионная стойкость, точность, дистанционное подключение, мониторинг в режиме реального времени и быстрый отклик на внешнее воздействие [3]. Волоконно-оптические датчики, используемые для исследования концентраций веществ зачастую основаны на интерферометрах Маха-Цендера [4], Майкельсона [5], Фабри-Перо [6]. Среди них интерферометрические сенсоры на основе интерферометра Фабри-Перо особенно привлекательны благодаря своей малой перекрестной чувствительности и чрезвычайно малому форм-фактору.
Для получения анализа интерферометра Фабри-Перо возможно использовать простой спектральный метод, который имеет множество недостатков и на практике не используется. Модификацией данного метода является слежение за спектром волоконно-оптического датчика на эффекте Вернье, который представляет собой наложение двух интерферометрических сигналов с формированием огибающей (см. Рис. 1).
Эффект Вернье возникает при параллельном соединении двух интерферометров, например, Фабри-Перо, с различающимися свободными спектральными диапазонами, которые определяются длиной оптического пути интерферометров.
Эффект Вернье повышает разрешающую способность волоконно-оптических датчиков, что позволяет использовать его для детектирования незначительных изменений показателя преломления исследуемой среды [7].
Таким образом, целью данного исследования является формирование датчика на основе эффекта Вернье и исследование кинетики кислотного золь-гель синтеза диоксида кремния.
-IS
-20
-22-
В
1 -24-
1 -26-
1
-2а-
-30-
-32-
—Сумма двух ИФЕ — Огноающая
1475 1500 1525 Длина волны, нм
Рис. 1. Формирование эффекта Вернье: наложение интерферерометрических сигналов соединенных параллельно
ВКВ0-2023- СТЕНДОВЫЕ
Датчик на основе эффекта Вернье смонтировали, как показано на Рис. 2, с использованием оптоволоконного разветвителя на 3 дБ, который параллельно соединяет два интерферометра Фабри-Перо. В эксперименте датчик на основе эффекта Вернье подключали к анализатору сигналов Astro A320 (ООО "Инверсия-С", Россия). Предварительно исследовали систему H20:C2H5OH с помощью датчика на основе эффекта Вернье, сравнили результаты с известными значениями. Затем для исследования кинетики золь-гель системы на основе компонентов ТЭ0С:Н20:C2H50H определили показатель преломления и сравнили с теоретическим значением, полученным математически по известной формуле Лоренца-Лоренца. Результаты сравнения представлены в Таблице 1.
Таблица 1. Сравнение экспериментальных и теоретических значений показателя преломления
исследуемых систем
Теоретическое значение показателя преломления системы H20:C2H5OH Экспериментальное значение показателя преломления системы H2OCH5OH Теоретическое значение показателя преломления системы ТЭ0С:Н20:C2H50H Экспериментальное значение показателя преломления системы ТЭ0С:Н20:C2H50H
1,344 1,349 1,352 1,369
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что оптоволоконный датчик на основе двух интерферометров Фабри-Перо, формирующих эффект Вернье, является превосходной заменой лабораторных исследований кинетики коллоидных систем.
Литература
1. Brinker C.J., et al., Academic Press, 908 (1990)
2. Kesmez O., et al., Journal of Non-Crystalline Solids 357(16-17), 3130-3135 (2011)
3. Gholamzadeh B, et. Al., IJECE 2(6), 1107-1117 (2008)
4. Liao C., et al., Micromachines 10(11), 741 (2019)
5. Hu X., et al., Sensors and Actuators B: Chemical 370, 132467 (2022)
6. Pevec S., et al., Sensors 23(4), 1905 (2023)
7. Chen Y., et al., Sensors 22(7), 2694 (2022)
Рис. 2. Принципиальная схема оптоволоконного
