CN103235010A - 水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件及其制备方法 - Google Patents

水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件及其制备方法，它是在叉指金电极上涂覆一层水分散聚苯胺/碳纳米管复合敏感薄膜。其气体敏感薄膜是由聚苯胺和碳纳米管的复合物所组成。该方法制备工艺简单，条件温和，适用于批量生产。所制备的气敏元件对氨气具有测量范围宽，响应灵敏度高，恢复性佳，线性好，在室温下检测等优点，可广泛应用于工农业生产过程中及大气环境中氨气浓度的室温精确测量。

Description

水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件及其制备方法。
背景技术
近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。由于有机高分子敏感材料具有材料丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容、在常温下工作，能够向微型化、小型化发展等优点，已成为研究的热点，引起各国科学家的广泛关注和重视。聚苯胺作为一种典型的导电高分子材料，价格便宜，具有高的导电性和可逆的氧化还原、掺杂与解掺杂特性，以聚苯胺为敏感材料制备的气体传感器响应灵敏度高，选择性比较好，在气体传感器领域具有良好的应用前景，发展迅速。然而，聚苯胺气体传感器也有其缺点，如回复时间长，可逆性欠佳，而且聚苯胺加工性能差，这些都限制了对其进一步的研究和实际应用。为此，制备可以加工的聚苯胺复合材料为敏感材料的气体传感器引起了人们的关注。将聚苯胺与碳纳米管进行复合制备可水分散的聚苯胺/碳纳米管复合材料，以其作为敏感材料制备的气体传感器可以结合聚苯胺和碳纳米管(大的比表面积，高电导率)的优点，加快响应和回复，同时提高响应灵敏度。 
发明内容
本发明的目的是提供一种水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件及其制备方法。 
本发明的水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件在叉指金电极上连接有引线，在叉指金电极表面涂覆有气敏薄膜，气敏薄膜为聚苯胺和碳纳米管的复合物。 
水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件的制作方法，包括以下步骤： 
1清洗叉指金电极，烘干备用。 
2配置聚苯乙烯磺酸的水溶液，其中聚苯乙烯磺酸的分子量为8000-100000，浓度为0.5～10mg/mL。将碳纳米管在上述水溶液中超声分散10～60min，再将经减压蒸馏过的苯胺单体加入上述聚苯乙烯磺酸和碳纳米管的混合水分散液中，用量为每升水溶液中加入碳纳米管20～500mg，苯胺4～25mL，搅拌0.5～2h，得到A水溶液。然后加入浓度为1～5mol/L的过硫酸铵水溶液，A水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为150∶1～50∶1，在0～5℃搅拌混合反应 5～12h，得到水分散聚苯胺/碳纳米管复合材料的水溶液。 
3将步骤2)聚苯胺/碳纳米管复合材料的水溶液旋涂于叉指电极表面，干燥后形成敏感膜，制成气敏传感器，敏感膜的厚度为2～50nm。 
上述叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。 
本发明具有以下优点： 
1)采用绿色环保途径，获得了水分散性好的聚苯胺/碳纳米管复合材料，解决了聚苯胺难以加工的缺点，可以方便的利用旋涂等方法在叉指金电极表面覆盖一层聚苯胺/碳纳米管复合薄膜，制备电阻型薄膜气敏元件。 
2)所制备的水分散聚苯胺/碳纳米管复合材料是通过在聚苯乙烯磺酸修饰的碳纳米管表面原位聚合苯胺得到的，而不是简单的物理共混。聚苯乙烯磺酸不仅能够改善聚苯胺/碳纳米管复合材料的水分散性能，还可以充当聚苯胺的掺杂剂，诱导苯胺的聚合发生在碳纳米管表面，可以得到稳定均一的聚苯胺/碳纳米管复合材料水分散液，因而明显改善了聚苯胺与碳纳米管的复合性能，提高了气敏元件的一致性、稳定性和成品率。 
3)制备的水分散聚苯胺/碳纳米管复合材料构成的气体敏感膜，具有大比表面积，厚度比较薄，有利于检测气体的扩散渗透，对氨气具有较高的灵敏度和快速响应。 
4)采用旋涂法制备气敏元件，简便易行，便于控制厚度，元件一致性好，成品率高，适于批量生产。 
本发明的气敏元件具有体积小，成本低，使用方便等优点，可广泛应用于工业生产、环境监测中对于氨气的检测。 
具体实施方式
实施例1： 
1清洗叉指金电极，烘干备用。 
2配置聚苯乙烯磺酸的水溶液，其中聚苯乙烯磺酸的分子量为80000，浓度为2mg/mL。将碳纳米管在上述水溶液中超声分散30min，再将经减压蒸馏过的苯胺单体加入上述聚苯乙烯磺酸和碳纳米管的混合水分散液中，用量为每升水溶液中加入碳纳米管100mg，苯胺15mL，搅拌1h，得到A水溶液。然后加入浓度为2.5mol/L的过硫酸铵水溶液，A水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为100∶1，在0～5℃搅拌混合反应8h，得到水分散聚苯胺/碳纳米管复合材料的水溶液。 
3将步骤2)聚苯胺/碳纳米管复合材料的水溶液旋涂于叉指电极表面，干燥后形成敏感膜，制成气敏传感器，敏感膜的厚度为2～50nm。 

Claims (3)

1.一种水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件，其特征在于：在叉指金电极上连接有引线，在叉指金电极表面涂覆有气敏薄膜，气敏薄膜为聚苯胺和碳纳米管的复合物。
2.根据权利要求1所述的一种水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件，其特征在于叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。
3.根据权利要求1所述的一种水分散聚苯胺/碳纳米管复合电阻型薄膜气敏元件的制作方法，其特征在于：
1)清洗叉指金电极，烘干备用。
2)配置聚苯乙烯磺酸的水溶液，其中聚苯乙烯磺酸的分子量为8000-100000，浓度为0.5～10mg/mL。将碳纳米管在上述水溶液中超声分散10～60min，再将经减压蒸馏过的苯胺单体加入上述聚苯乙烯磺酸和碳纳米管的混合水分散液中，用量为每升水溶液中加入碳纳米管20～500mg，苯胺4～25mL，搅拌0.5～2h，得到A水溶液。然后加入浓度为1～5mol/L的过硫酸铵水溶液，A水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为150∶1～50∶1，在0～5℃搅拌混合反应5～12h，得到水分散聚苯胺/碳纳米管复合材料的水溶液。
3)将步骤2)聚苯胺/碳纳米管复合材料的水溶液旋涂于叉指电极表面，干燥后形成敏感膜，制成气敏传感器，敏感膜的厚度为2～50nm。
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