專利名稱：一種枝狀納米結構聚苯胺氣敏傳感器的制備方法
技術領域：
本發明屬于傳感器技術領域，涉及一種利用靜電紡絲方法制備的納米纖維作為模板、原位聚合制備枝狀納米結構聚苯胺同軸纖維氣敏傳感器的方法，特別是一種枝狀納米結構聚苯胺氣敏傳感器的制備方法。
背景技術：
氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器，在環境、衛生食品、工農業生產、醫療軍事以及公共安全等許多領域有著廣泛的應用前景。目前，常見的氣敏傳感器多為氧化物半導體型，其特點是通過對氧化物半導體進行離子摻雜來改善傳感器性能，測試時需要高溫加熱到300°C左右，因此，這類傳感器通常需要附設加熱元件，導致其結構復雜且功耗較大。導電聚合物既具有化學氧化還原活性、金屬和無機半導體的電學和光學等特性，又具有聚合物密度小、柔韌性和加工性較好等優點，在有機光電子器件和電化學器件等領域中已引起人們廣泛的研究興趣，以導電聚合物為基底的氣敏傳感器，如聚苯胺、聚吡咯、聚(3，4-二氧乙基噻吩)氣敏傳感器等，由于具有工作溫度低、功耗低等特點，也越來越受到關注，中國專利(申請號200510049518. 5)公開了一種經離子摻雜、可在室溫下工作的聚吡咯氣敏傳感器，并給出了傳感器對濃度為IOOppm氨氣的響應曲線。在眾多導電聚合物材料中，聚苯胺由于具有原料便宜、合成簡便、耐高溫及環境溫度性好、有較高的電導率、物理化學性能良好等優點而得到廣泛關注，中國專利(專利號ZL 201020156403. 2)公開了一種教學實驗裝置，用于介紹和演示導電聚苯胺薄膜和納米結構的導電機理、濕敏傳感和光電導性能；但同時聚苯胺也具有某些導電聚合物材料熔點高、難溶、加工成型困難的缺點，不易于加工應用；為了解決聚苯胺作為氣敏傳感器應用面臨的困難，人們正在尋求研究一種利用靜電紡絲法制備的納米纖維作為模板或基底，原位聚合制備枝狀納米結構聚苯胺同軸纖維氣敏傳感器的加工技術，該技術可以同時提高導電聚苯胺傳感器的氣敏傳感性能和力學性能。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求探索一種具有高比表面積納米結構聚苯胺氣敏傳感器的制備方法，采用聚苯胺包裹層的表面自組裝技術，形成類似于珊瑚觸角的枝狀納米結構，以增加待測氣體與傳感器的接觸面積，使傳感器的靈敏度和響應速度得到顯著提高，采用同軸復合結構提高柔韌性等力學性能。為了實現上述目的，本發明制備納米結構聚苯胺氣敏傳感器的步驟為先用靜電紡絲方法制備絕緣高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)納米纖維；再將PMMA納米纖維作為反應模板或基底浸入磺基水楊酸摻雜的聚苯胺反應液，利用原位聚合法在PMMA納米纖維表面包裹一層導電聚苯胺，通過控制反應時間、聚合溫度、苯胺單體與摻雜劑摩爾比的反應條件，在聚苯胺包裹層表面自組裝形成枝狀納米結構，得到與待測氣體接觸面積大(相較于傳統氣敏膜和膠片)的同軸結構聚苯胺纖維。
本發明所述的反應液配制為用0. 02摩爾的苯胺、0. 02摩爾的過硫酸氨(氧化劑)、0. 01摩爾的磺基水楊酸(摻雜劑)和100毫升的去離子水配成聚苯胺反應液；所述的反應時間為6 7小時，苯胺單體與摻雜劑的摩爾比為2 1。本發明與現有技術相比，磺基水楊酸摻雜的聚苯胺氣敏傳感器的可在常溫下工作，結構較為簡單且功耗較小；制備方法簡單且成本較低；傳感器的力學性能較好，不容易破碎；聚苯胺同軸纖維外層所包裹的聚苯胺呈珊瑚觸角狀的枝狀結構，增加與氣體接觸的表面積，提高氣敏傳感器的靈敏度和響應速度。


圖1為本發明涉及的制備方法原理步驟示意框圖。圖2為本發明制備的同軸纖維掃描電鏡SEM照片。圖3為本發明涉及的同軸纖維對不同濃度氨氣的響應曲線圖。
具體實施例方式下面通過實施例并結合附圖做進一步說明。實施例1:本實施例的第一步靜電紡絲法制備聚甲基丙烯酸甲酯PMMA納米纖維，選用已有的靜電紡絲裝置，配制質量百分比為17wt%的PMMA紡絲溶液(1.7克PMMA(分子量為350，000),4. 15克四氫呋喃，4. 15克二甲基甲酰胺)；靜電紡絲裝置的發射極(針頭，內直徑0.6毫米)與接收極(鋁箔)之間的距離為12厘米，紡絲電壓為10至14千伏，將靜電紡絲制備的PMMA無紡布纖維轉移到鏤空的塑料片上并用雙面膠固定，作為制備同軸聚苯胺纖維的模板；第二步在PMMA納米纖維表面原位聚合生成聚苯胺納米結構，用0. 02摩爾的苯胺、0. 02摩爾的過硫酸氨(氧化劑)、0. 01摩爾的磺基水楊酸(摻雜劑)和100毫升的去離子水配成聚苯胺反應液，將第一步中制備的PMMA纖維浸入反應液中，浸泡反應時間為6 7小時，將樣品從反應液中取出，用去離子水漂洗50 80秒后取出，再將樣品放入烘箱中在70°C下烘干10 20分鐘，即制得所需磺基水楊酸摻雜的納米結構聚苯胺同軸纖維氣敏傳感器樣品；圖2給出了同軸纖維的掃描電鏡SEM照片，從圖中可以清楚看到同軸纖維的表面自組裝形成了聚苯胺枝狀納米結構。實施例2:本實施例為本發明制備的同軸纖維氣敏傳感器對氨氣的傳感性能測試將枝狀納米結構聚苯胺同軸纖維樣品用銅線和銀膠接好電極放入氣敏測試裝置中，接入電阻測量儀器和電源；測量前，先向氣敏測試裝置充入氮氣，充分排除裝置中的其他氣體，待樣品電阻穩定后再向裝置中充入待測氣體氨氣；樣品測量電壓為4伏，氨氣充放氣周期為240秒，其中充氣和放氣各120秒；充氣時，關閉氮氣，充入氨氣；放氣時，關閉氨氣，充入氨氣；如此反復幾個周期，同時用計算機記錄樣品電阻R與初始電阻Rtl的電阻比值R/禮隨時間的變化曲線，即得枝狀納米結構聚苯胺同軸纖維的氣敏傳感器的響應曲線，如圖3所示；從圖中可以看出，當氨氣濃度為30ppm時，傳感器的電阻已經有明顯變化，電阻比值R/R。可以達到1. 3，響應時間很短，約為10秒左右。
權利要求
1.一種枝狀納米結構聚苯胺氣敏傳感器的制備方法，其特征在于先用靜電紡絲方法制備絕緣高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯或PMMA納米纖維；再將PMMA納米纖維作為反應模板或基底浸入磺基水楊酸摻雜的聚苯胺反應液，利用原位聚合法在PMMA納米纖維表面包裹一層導電聚苯胺，通過控制反應時間、聚合溫度、苯胺單體與摻雜劑摩爾比的反應條件，在聚苯胺包裹層表面自組裝形成枝狀納米結構，得到與待測氣體接觸面積大的同軸結構聚苯胺纖維。
2.根據權利要求1所述的枝狀納米結構聚苯胺氣敏傳感器的制備方法，其特征在于所述的反應液配制為用0. 02摩爾的苯胺、0. 02摩爾的過硫酸氨或稱氧化劑、0. 01摩爾的磺基水楊酸或稱摻雜劑和100毫升的去離子水配成聚苯胺反應液；所述的反應時間為6 7小時，苯胺單體與摻雜劑的摩爾比為2 1。
全文摘要
本發明屬于傳感器技術領域，涉及一種枝狀納米結構聚苯胺氣敏傳感器的制備方法，先用靜電紡絲方法制備絕緣高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)納米纖維；再將PMMA納米纖維作為反應模板或基底浸入磺基水楊酸摻雜的聚苯胺反應液，利用原位聚合法在PMMA納米纖維表面包裹一層導電聚苯胺，通過控制反應時間、聚合溫度、苯胺單體與摻雜劑摩爾比的反應條件，在聚苯胺包裹層表面自組裝形成枝狀納米結構，得到與待測氣體接觸面積大的同軸結構聚苯胺纖維；其結構簡單且功耗小；制備方法簡單且成本低；傳感器力學性能好，不易破碎；聚苯胺同軸纖維外層所包裹的聚苯胺呈珊瑚觸角狀的枝狀結構，增加與氣體接觸表面積，傳感器靈敏度和響應速度高。
文檔編號D06M15/61GK102561042SQ20121000522
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者唐成春, 孫彬, 張紅娣, 李蘋, 王文修, 陳曉宇, 黃蓉, 龍云澤 申請人:青島大學