CN103435849B - 一种用于氨气检测的纤维素基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于氨气检测的纤维素基复合材料及其制备方法，该复合材料含有天然纤维素基体和粉末导电性填料；本发明采用棉纤维为基体，基体高分子链有大量的羟基，易于与极性的氨气气体形成氢键结合，从而使本发明的复合材料具有对氨气表现较强响应的气敏特性。本发明的复合材料利用天然纤维素纤维为基体，与导电性填料复合而成，在遇到氨气时复合材料的电阻会迅速发生变化。该复合材料的最终产品无毒无味，不会污染环境。本发明的复合材料还具有高稳定性和重复使用性，可为制造检测氨气的气敏元器件提供基材。

Description

一种用于氨气检测的纤维素基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及导电高分子复合材料技术领域，具体涉及一种用于氨气检测的纤维素基复合材料及其制备方法。

背景技术

以导电性填料（如碳纳米管等）填充纤维素基体所构成的气敏导电高分子复合材料，具有在较大范围内可调的导电性能、易于成型加工、成本低及对氨气响应度高等特点。其工作原理是：复合材料置于氨气气体中，气体很快进入材料内部，能够与纤维素形成氢键结合，导致纤维素与碳纳米管之间的氢键就会被破坏，取而代之的是纤维素与氨气形成分子间氢键，从而使得碳纳米管与纤维素的相互作用大大减弱，碳纳米管粒子的聚集作用增强，从而使材料的导电性能增加。当处于空气中时，氨气向外扩散，纤维素与碳纳米管重新结合，电阻迅速增大。以合成聚合物为基体的气敏材料有较低的逾渗值，从而具有良好的导电性，其力学性能较好，而以天然纤维素为基体的气敏导电复合材料鲜有报道。此外，通过导电填料改性作用，增加了导电填料与基体之间的氢键结合，从而提高材料的稳定性和重现性。

填充型气敏导电高分子复合材料的机体材料基本为非极性机体，通常只对可以使基体高分子材料溶胀或溶解的溶剂气体呈现强的气敏响应。根据负蒸气系数效应，极性气体倾向于与纤维素基体形成氢键结合，而非极性的气体则倾向于溶胀或溶解非极性高分子基体。所以，采用纤维素作为基体所得的复合材料只对极性气体（如氨气）有较大的响应性能，而对非极性的气体的响应很小。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测氨气的纤维素基复合材料及其制备方法，该复合材料具有逾渗值低，稳定性好、灵敏度高、重复使用性能优异等特性，具体技术方案如下。

一种用于氨气检测的纤维素基复合材料，其含有天然纤维素基体A和粉末导电性填料B；天然纤维素基体A和粉末导电性填料B的质量比为：16.7-66.7：1。

上述述纤维素基复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

①将粉末导电性填料经过浓硝酸处理、十二烷基磺酸钠处理后放入干燥器中备用；

②在容器中加入相当于导电性填料质量1.67×10³倍的离子液体，通入氮气并在油浴锅中加热搅拌，温度为90-105℃，之后加入纤维素基体；

③待上述物质（纤维素基体）完全溶解后，按计算量加入经步骤①处理后的粉末导电填料，继续通氮气搅拌8-10min得粘状物；

④将所得粘状物涂于玻璃电极板上，用去离子水洗去离子液体，于70-80℃抽真空干燥9-10min，得纤维素基气敏导电复合材料即所述用于氨气检测的纤维素基复合材料。

进一步的，所述的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[BMIM]Ac）、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐（[EMIM]Cl）或1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM]Ac）。

进一步的，所述玻璃电极板的电极为两根铜丝平行缠绕在长2cm、宽1cm的玻璃板上，此时电阻R=∞。

进一步的，所述的粉末导电性填料为碳纳米管，具有典型的一维结构和较大的比表面积，其直径＜2nm，长度为5-15μm，比表面积500-700m²/g，导电粉末纯度大于95%。

进一步的，所述纤维素基体为棉纤维。

本发明对纤维素基体无特殊限制，主要原料为棉纤维。本发明导电性填料一般是粉末状，如碳纳米管。使用前需要经过改性处理。

针对填充型气敏导电高分子复合材料绝大部分基体均为合成高分子或半导体金属氧化物的事实，本发明采用棉纤维为基体，基体高分子链有大量的羟基，易于与氨气形成氢键结合，从而使本发明的复合材料具有对氨气表现较强响应的气敏特性。

本发明采用将导电填料改性，增加羟基的方法，使得导电填料粒子可以更为均匀的分散于纤维素基体当中，从而有效降低了复合材料的逾渗值，使复合材料在基体力学性能无损的条件下获得优良的导电性能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明的整个制造工艺过程中不需要添加其它助剂，且基体为纤维素，所得材料无毒无味，不会对环境造成危害。

本发明采用离子液体溶解纤维素的方法，溶解纤维素，使得材料具有较高的电导率，将碳纳米管改性，增加了其表面的羟基，与纤维素充分混合，从而增加了填料与基体间的相容性，改善了导电性填料与纤维素基体间的相互作用，最终达到改善复合材料气敏响应灵敏度和稳定性的目的。

本发明的复合材料对氨气表现出较高灵敏性，而且具有高稳定性和重复使用性。

以下通过实例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1a~图1d分别为不同纤维素基含量的复合材料（实施例1-4）在氨气中的响应曲线，其中相对电阻（瞬时电阻R/初始电阻R₀）表征复合材料的气敏响应表现，测试温度为30℃。

具体实施方式

以下结合实例和附图对本发明的实施做进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

实施例1~4的配比如表1，其制备方法具体步骤如下：

①将碳纳米管（直径2nm，长度15μm，比表面积700m²/g，纯度为95%）经过浓硝酸在120℃加热回流4h，再将其置于十二烷基磺酸钠-乙醇（十二烷基磺酸钠质量分数为4%）溶液中70℃下加热搅拌90min，最后用蒸馏水洗涤至中性后放入干燥器中备用；

②将1g离子液体置于试管中，按计算量加入0.02g的棉纤维（每次取1/10,分批加入），通入氮气并在油浴锅中加热搅拌，温度为100℃；

③待上述棉纤维完全溶解（约1h）后加入0.0006g经步骤①处理过的导电性填料，继续通氮气搅拌10min；

④将所得粘状物涂于玻璃电极板上，用去离子水洗去离子液体，于80℃抽真空干燥10min，得复合材料。

按上述步骤共制作4组该复合材料，其中棉纤维的质量(相对于导电性填料质量的倍数)分别为16.7、33.3、50.0、66.7。

表2为复合材料（实施例1-4）在氨气气体中气敏响应-恢复时间，图1a~图1d分别为不同纤维素含量的复合材料（实施例1-4）在氨气中的响应表现，测试温度为30℃。

表1纤维素基复合材料组成配方*

*本表实施例中基体纤维素A所用原料为棉纤维（聚合度为4050），导电填料B为碳纳米管（纯度＞95%）

表2含不同纤维素质量的复合材料（实施例1-4）在氨气中的响应-恢复时间比较*

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					响应恢复时间（s）	235	200	248	230

*此处响应-恢复时间为该材料在氨气和空气中其电阻分别达到稳定所用时间之和。

从上述例子可知，以离子液体[BMIm]Cl为溶剂成功制备了用于检测氨气的纤维素基复合材料。碳纳米管含量在逾渗阈值附近时，该复合材料对氨气表现出了良好的敏感性和重复使用性能，并且在纤维素含量为碳纳米管的33.3倍时，响应恢复时间最短，其他实施例时间相差不大。不同于非极性聚合物基气敏导电复合材料，纤维素/碳纳米管复合材料对氨气表现出典型的负蒸汽系数效应。该复合材料的最终产品无毒无味，不会污染环境。本发明的复合材料对氨气表现出很强的灵敏性，而且具有高稳定性和重复使用性，可为制造检测氨气的气敏元器件提供基材。

Claims (5)

1.一种制备纤维素基复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤：

①将粉末导电性填料经浓硝酸处理、十二烷基磺酸钠处理后放入干燥器中备用；所述的粉末导电性填料为碳纳米管，具有典型的一维结构和较大的比表面积，其直径＜2nm，长度为5-15μm，比表面积500-700m²/g，粉末导电性填料纯度大于95%；

②在容器中加入相当于导电性填料质量1.67×10³倍的离子液体，通入氮气并在油浴锅中加热搅拌，温度为90-105℃，之后加入天然纤维素基体；天然纤维素基体和粉末导电性填料的质量比为：16.7-66.7：1；

③待天然纤维素基体完全溶解后，按计算量加入经步骤①处理后的粉末导电填料，继续通氮气搅拌8-10min得粘状物；

④将所得粘状物涂于玻璃电极板上，用去离子水洗去离子液体，于70-80℃抽真空干燥9-10min，得纤维素基气敏导电复合材料即用于氨气检测的纤维素基复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（[BMIM]Ac）、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐（[EMIM]Cl）或1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM]Ac）。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述玻璃电极板的电极为两根铜丝平行缠绕在长2cm、宽1cm的玻璃板上，此时电阻R=∞。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤①所述经浓硝酸处理的条件为：100-120℃加热冷凝回流3.5-4h，硝酸质量分数为60%；所述经十二烷基磺酸钠处理的条件为：温度60-70℃，pH=7，时间为90-100min，十二烷基磺酸钠质量分数为4%。

5.由权利要求1所述方法制得的一种用于氨气检测的纤维素基复合材料，其特征是含有天然纤维素基体和粉末导电性填料；天然纤维素基体和粉末导电性填料的质量比为：16.7-66.7：1。