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COLLANA TRL7 - NANOTUBI DI CARBONIO PER LA RILEVAZIONE INCENDI

Autore Gianfranco Rocchi | Chief Communication Officer | 19 Febbraio 2021 |

La prevenzione e il controllo degli incendi passa attraverso il rilevamento precoce. Al momento, i sensori di rilevamento incendio comunemente utilizzati rilevano parametri caratteristici dell'ambiente antincendio e convertono segnali non elettrici come gas, temperatura e fiamma in segnali elettrici.

Con lo sviluppo della tecnologia dei materiali negli ultimi anni, in particolare lo sviluppo della tecnologia nanotubi in carbonio (CNT), è emerso un nuovo sensore di rilevamento incendio. Nell’articolo di Xiao, Weng, Ge e Huang dell’università di Chengdu, in Cina che potete trovare in bibliografia, e di cui qui riportiamo una sintesi, viene esaminato il progresso della ricerca dei CNT nei sensori di rilevazione incendi.

 

Nel 1991, Iijima ha scoperto per la prima volta i nanotubi in carbonio; questi sono strutture cave composte da fogli di grafene ed hanno buone proprietà elettriche, fisiche, chimiche e meccaniche. L'aggiunta di ossidi metallici e polimeri al CNT può modificare la loro struttura e produrre effetti di tunneling quantistico, che migliora la capacità di trasporto elettronico, rendendoli il cuore di sensori ad elevata selettività e sensibilità.

 

Nella fase iniziale dell'incendio, i composti principali nel fumo della pirolisi sono prodotti di combustione incompleta, come CO, idrocarburi gassosi e liquidi, particelle di carbonio, alcoli, aldeidi , chetoni e altre sostanze chimiche e  prodotti di combustione completi come CO2 e H2O. Poiché l'umidità dell'aria ha una grande influenza sul contenuto di vapore acqueo e anche il contenuto di CO2 nell'aria è normalmente elevato, questi composti generalmente non vengono presi come oggetto di rilevamento incendio. Pertanto, la CO è considerata il gas caratteristico per la rilevazione precoce degli incendi.

Il tradizionale sensore di CO a semiconduttore utilizza il principio del cambiamento di conduttività del semiconduttore causato dall'adsorbimento e dal desorbimento delle molecole di gas sulla superficie dei materiali semiconduttori per rilevare la concentrazione di gas. Tuttavia, questo tipo di sensore ha una scarsa selettività dei gas e una scarsa stabilità.

 

Nel 2000, Kong e altri hanno scoperto che il CNT ha buone proprietà di rilevamento del gas.

I nanotubi in carbonio grazie ad una particolare configurazione elettronica dei legami tra gli atomi diventano estremamente sensibili ai gas, che vengono adsorbiti dai siti attivi sulla superficie dei CNT, alterando la loro nuvola di elettroni, producendo un cambiamento della conduttività del sensore. Tuttavia, la capacità di adsorbimento dei CNT è molto limitata in quantità e tipologia (si riduce a gas fortemente riducenti e ossidanti, come O2, NO2, NH3, SO2, e così via.

 

Molti gas tossici e gas serra, come CO e CO2, non possono essere adsorbiti da CNT. Pertanto, al fine di rilevare più tipi di gas, è necessario migliorare i nanotubi.

I principali metodi di miglioramento includono drogaggio – con elementi non metallici, con metalli inorganici e ossidi di metallo.

Componendo diverse tecniche di drogaggio e di realizzazione di nanotubi si sono raggiunte sensibilità del centesimo di parte per milione per CO e intervalli di misurazione di 5–45 ppm oltre a tempi di risposta delle decine di secondi. I sensori di gas basati sulla CNT hanno attirato molta attenzione anche a causa della loro bassa temperatura di esercizio oltre che del limite minimo di rilevamento.

 

I CNT reagiscono però anche alle radiazioni rendendoli utili per rilevare varie sorgenti di radiazioni, come quelle delle fiamme. La variazione di temperatura causata dall'irraggiamento della luce produce segnali elettrici (resistenza, corrente o tensione) in combinazione a quello generato, per effetto fotoelettrico, dall'assorbimento di fotoni. La luce ultravioletta che colpisce i nanotubi consente il desorbimento delle molecole di ossigeno sulla superficie, modificando la resistenza dei nanotubi.

 

I CNT hanno caratteristiche di basso consumo energetico, alta sensibilità, alta stabilità e ampio intervallo di temperature operative. La misura della temperatura del sensore si basa sulle caratteristiche di una serie di fenomeni fisici, quali espansione di volume, variazione della pressione del gas, variazione della suscettibilità magnetica, tensione di giunzione del diodo e scambio di resistenza, generazione di termocoppie e così via. I sensori basati su CNT utilizzano questi fenomeni fisici per rilevare i cambiamenti di temperatura ambientale.

Anche nel caso della rilevazione della temperatura le varianti tecnologiche sono molte e si possono adattare a diversi impieghi; a titolo d’esempio, nel 2018, Sarma et al. Hanno realizzato un sensore di temperatura a film sottile su substrato di Si mediante deposizione chimica da vapore di film di CNT con Ni come catalizzatore. L'intervallo di misurazione della temperatura del sensore era di 22-200 ° C e la sensibilità era di 1,03 × 10 −3 / ° C.

 

Le prospettive di sviluppo del sensore di rilevamento incendi a nanotubi di carbonio sono estremamente promettenti ma ancora nella fase di sviluppo. I principali problemi da risolvere riguardano:

  • i metodi di sintesi dei nanotubi, in modo da migliorare il tempo di risposta e la sensibilità del sensore;
  • ridurre il tempo di recupero del sensore per raggiungere lo scopo di un utilizzo ripetuto
  • la comprensione ancora insoddisfacente del meccanismo di rilevamento del sensore;
  • la capacità anti-interferenza del sensore.

Per risolvere questi problemi, dovranno essere ottimizzati i processi di preparazione, distribuiti gli ossidi metallici e altri droganti in modo più uniforme sulla parete dei CNT, chiariti i meccanismi di rilevazione ed esplorate le reazioni elettrochimiche tra le molecole di gas e drogantin

 

Bibliografia

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2020.588521/full

 

 

note sull'autore

Gianfranco Rocchi è curatore del digital content marketing di Mozzanica&Mozzanica Srl; con una formazione accademica in storia economica, ha una esperienza di oltre quindici anni nella consulenza aziendale relativamente ai sistemi di gestione aziendale e della salute e sicurezza sul lavoro. È stato inoltre autore di contenuti per la televisione ed il podcasting.

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