高分子納米復(fù)合氣敏材料及氣體傳感器.pdf

1、本論文共設(shè)計(jì)制備以下五個(gè)系列共12種新型復(fù)合高分子氣敏材料：鹽酸羥胺鹽修飾多壁納米碳管(CNTs)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；Pd<'0>/CNTs,聚合物接枝多壁納米碳管及納米碳黑；不同末端基團(tuán)超支化聚合物/CNTs；聚苯胺及其復(fù)合物。采用FT-IR、NMR、GPC、TGA、TEM、SEM、UV-Vis、XPD、AFM和拉曼光譜等手段表征了其組成和結(jié)構(gòu)。通過(guò)浸涂、自組裝原位生長(zhǎng)以及靜電紡絲方法制備了氣敏元件。研究了其對(duì)甲醇、氨氣等

2、有機(jī)和無(wú)機(jī)氣體的響應(yīng)特性，討論了復(fù)合物組成及結(jié)構(gòu)、氣敏薄膜微觀結(jié)構(gòu)以及元件制備工藝等對(duì)氣敏元件響應(yīng)特性的影響，探討了復(fù)合物氣敏機(jī)理。 研究了混酸處理CNTs氣敏元件對(duì)氨氣、甲醇以及三乙胺蒸汽的響應(yīng)特性，討論了其基于p型半導(dǎo)體的氣敏機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，采用鹽酸羥胺鹽對(duì)其進(jìn)行修飾，并與PMMA復(fù)合，以浸涂法制備氣敏元件。研究了其對(duì)醇類和氨氣的響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)修飾后納米碳管表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體特性，其與PMMA復(fù)合物對(duì)甲醇有快速可逆的選擇性響

3、應(yīng)，響應(yīng)和回復(fù)時(shí)間分別約為9s和2s。提出了納米碳管經(jīng)修飾后，發(fā)生了從p型到n型半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，討論了其基于n型半導(dǎo)體的氣敏機(jī)理。 通過(guò)溶液共混，乙醇或硼氫化鈉還原的方法，制備了聚乙烯基吡咯烷酮(PVDP)/Pd<'0>/CNTs、Pd<'0>/CNTs和殼聚糖/Pd<'0>/CNTs復(fù)合氣敏材料，以浸涂法制備了氣敏元件。發(fā)現(xiàn)PVDP/CNTs復(fù)合物，在室溫下對(duì)甲醇和乙醇蒸汽的響應(yīng)靈敏度接近。而對(duì)甲醇蒸汽的響應(yīng)靈敏度(S<,甲醇>

4、)是單獨(dú)CNTs的2～5倍，PVDP/Pd<'0>/CNTs復(fù)合物的S<,甲醇>是單獨(dú)CNTs的4～10倍，而且其S<,甲醇>/<,乙醇>可達(dá)3～4倍，顯示出對(duì)甲醇蒸汽具有一定的選擇性。此外，PVDP/Pd<'0>/CNTs復(fù)合物的響應(yīng)穩(wěn)定性和重復(fù)性也較好。Pd<'0>/CNTs及殼聚糖/Pd<'0>/CNTs均可在室溫下檢測(cè)甲烷，其對(duì)2％(v/v)的甲烷氣體的響應(yīng)靈敏度分別約為5％和7.3％。 采用氮氧自由基調(diào)控的自由基活性聚

5、合法，制備了苯乙烯和4-乙烯基吡啶均聚物及共聚物接枝的納米碳管和納米碳黑氣敏復(fù)合材料，通過(guò)浸涂法制備了氣敏元件。研究了復(fù)合物對(duì)低濃度甲醇、四氫呋喃以及氯仿蒸汽的響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物對(duì)氣體的響應(yīng)與聚合物的組成結(jié)構(gòu)、氣敏膜微觀形態(tài)以及氣體性質(zhì)有關(guān)，納米碳管復(fù)合物的響應(yīng)靈敏度高于納米碳黑復(fù)合物。討論了復(fù)合物基于直接接觸及隧道效應(yīng)的導(dǎo)電機(jī)理，并提出了對(duì)于納米碳管復(fù)合物的氣敏機(jī)理為吸附氣體后聚合物的溶解膨脹，造成導(dǎo)電通道的破壞，以及納米碳管與氣體

6、之間的電荷轉(zhuǎn)移的協(xié)同作用。而納米碳黑復(fù)合物的氣敏機(jī)理僅為吸附氣體后聚合物的溶解膨脹，造成導(dǎo)電通道的破壞，而且碳黑復(fù)合物對(duì)低濃度和高濃度有機(jī)蒸汽的氣敏機(jī)理不同。采用熔融縮聚的方法制備了具有三種不同末端基團(tuán)(-OH(HBPE)、-COOH(AHPB)、-NH<,2>(HBPA))的超支化聚合物，并與CNTs復(fù)合制備了氣敏材料，通過(guò)浸涂法制備了氣敏元件。研究了復(fù)合物對(duì)甲醇、三乙胺以及乙酸蒸汽的響應(yīng)特性。復(fù)合物對(duì)氣體的響應(yīng)與超支化聚合物的末端基

7、團(tuán)密切相關(guān)，能與末端基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)的有機(jī)蒸汽具有很高的響應(yīng)靈敏度，較低的檢測(cè)限，但其響應(yīng)回復(fù)性較差。提出了超支化聚合物末端基團(tuán)與特定氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，誘發(fā)電荷轉(zhuǎn)移的氣敏機(jī)理。 通過(guò)溶液原位生長(zhǎng)、有機(jī)酸聚合摻雜以及共混摻雜等方法制備了聚苯胺及其與納米碳管復(fù)合物，通過(guò)在自組裝修飾電極上原位生長(zhǎng)、浸涂以及靜電紡絲法制備了氣敏元件，研究了其對(duì)三乙胺氣體的響應(yīng)特性。發(fā)現(xiàn)原位生長(zhǎng)聚苯胺對(duì)三乙胺蒸汽具有響應(yīng)快速，靈敏度高，回復(fù)性和重復(fù)性好，檢測(cè)