高分子及其復(fù)合濕敏、氣敏材料的設(shè)計、制備和敏感特性.pdf

1、本論文設(shè)計制備了四種類型共七種高分子及復(fù)合高分子濕敏材料：基于聚4-乙烯基毗啶/聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(P4VP/PGMA)互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物(IPN)；基于聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯/聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PDMAEM/PGMA)互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物及其分別與聚苯胺(PANI-CSA)或聚吡咯(PPy)的復(fù)合物；聚苯乙烯磺酸鈉(NaPSS)以及聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)聚電解質(zhì)材料與多壁碳納米管復(fù)合物，和羧基改性超支化聚合物H2O。通過

2、浸涂法在金叉指電極表面涂膜，再經(jīng)過加熱處理，同時進行季銨化、交聯(lián)反應(yīng)，方便地制各互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)濕敏元件及其它濕敏元件。另外，采用氣相聚合、溶液原位生長、靜電紡絲三種方法直接制得了聚吡咯、聚吡咯/多壁碳納米管復(fù)合物以及聚吡咯復(fù)合物納米纖維氣敏材料及氣體敏感元件。使用FT-IR、UV-vis、XRD、TGA、TEM、SEM、AFM和拉曼光譜等手段表征了材料組成和形貌。研究了濕敏元件的濕敏特性以及氣敏元件對氨氣、甲醇等有機氣體的氣敏特性。討論

3、了敏感層的組成、結(jié)構(gòu)及其微觀形貌，制備工藝條件等因素對敏感元件響應(yīng)性能的影響。探討了敏感材料的濕敏或氣敏機理。 研究了制備互穿聚合物的浸涂液總濃度、浸涂液中互穿聚合物組成比例、交聯(lián)劑濃度、制備工藝(電極結(jié)構(gòu)、浸涂液陳化時間、季銨化溫度及時間、敏感層的厚度、保護膜)以及測試環(huán)境(測試溫度、頻率)等，對基于P4VP/PGMA互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)濕敏元件感濕特性的影響。與基于單一親水、疏水網(wǎng)絡(luò)或半互穿網(wǎng)絡(luò)的元件相比，制得的電阻型濕

4、敏元件，不僅在95～25％RH范圍，阻抗變化范圍10<'3>～10<'6>Ω，具有響應(yīng)快(吸濕3 s、脫濕時間21 s)，靈敏度高(10<'3>)，濕滯小(～1％RH)以及線性度好(R<'2>=0.996)等優(yōu)異的濕敏響應(yīng)特性，而且還具備良好的耐高溫高濕、耐水、耐溶劑特性。通過交流復(fù)阻抗譜分析，研究其濕敏特性并建立等效模型，其濕敏行為與典型聚電解質(zhì)濕敏材料相一致，導(dǎo)電機理主要為離子導(dǎo)電，而親疏水組分的比例是決定元件表現(xiàn)為電阻型響應(yīng)或電容

5、型響應(yīng)的關(guān)鍵。 研究了互穿聚合物的組成、制備工藝，對基于PDMAEM/PGMA IPN濕敏元件的感濕特性的影響，發(fā)現(xiàn)該元件在98～18％RH濕度范圍內(nèi)，阻抗變化范圍10<'3>～10<'7>Ω，同樣具有響應(yīng)快(吸濕4 s、脫濕20 s)，靈敏度高(～10<'4>)，濕滯小(～2％RH)等優(yōu)良的濕敏響應(yīng)特性，同時還發(fā)現(xiàn)該元件具有良好的耐水性(20 min)。同時，以該濕敏膜為基，采用聚吡咯的氣相聚合法，或涂覆可溶聚苯胺，制得了復(fù)合

6、濕敏元件。發(fā)現(xiàn)復(fù)合元件不僅基本保留了IPN濕敏元件原有的濕敏特性，而且低濕條件下的阻抗明顯降低，有利于較低濕度環(huán)境(15～30％RH)的檢測。研究了多壁碳納米管的引入對聚苯乙烯磺酸鈉、聚二甲基二烯丙基氯化銨濕敏響應(yīng)特性的影響，討論了復(fù)合物組成對其濕敏特性及其濕敏機理的影響。元件在98～20％RH范圍的阻抗隨濕度降低線性減少，為較低濕度的測量提供了基礎(chǔ)。該類復(fù)合濕敏元件的感濕行為主要受離子導(dǎo)電與本征電子導(dǎo)電兩種機理所控制。初步探討了通過端

7、基改性制備基于超支化聚酯H20的濕敏材料，及其濕敏元件的感濕特性。發(fā)現(xiàn)羧基改性超支化H20濕敏材料隨末端基的性質(zhì)和數(shù)量的不同，其表現(xiàn)出不同的濕敏特性。研究了氧化劑、摻雜劑種類和濃度以及多壁碳納米管的引入，對氣相聚合制備的聚吡咯及其納米復(fù)合物氨氣響應(yīng)特性的影響。發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管的引入可提高納米復(fù)合物對氨氣的響應(yīng)靈敏度，其對50 ppm氨氣的靈敏度高達10％，同時在很高的氨氣濃度下(12500 ppm)響應(yīng)也可回復(fù)，顯示良好的應(yīng)用前景。研究