CN101776632A - 水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件与制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件与制作方法。它是以陶瓷玻璃为基片，其上有多对叉指金电极，在陶瓷基片和叉指金电极表面涂覆有水分散聚苯胺纳米粒子气敏薄膜。本发明制备工艺简单，条件温和，成本低，尤其适用于批量生产。所制备的气敏元件在室温条件下检测三乙胺浓度，其对于1～300ppm的三乙胺气体具有响应灵敏度高，回复性佳，响应快，线性好等特点，可用于工业、农业生产以及环境监测中的三乙胺浓度测定。

Description

水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件与制作方法

技术领域

本发明涉及一种水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件与制作方法。

背景技术

随着人类对自身健康的重视和对生态环境的关注日益加深，国民经济可持续发展战略的需求，对环境气体的监测控制提出了更高的要求。这为气体传感器的研究、开发和生产提供了机遇和挑战。高分子型气体传感器能够实现室温检测，能耗低，能够向微型化，小型化发展，已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，其价格便宜，合成简单，其具有高的导电性和可逆的氧化还原、掺杂与解掺杂特性，在气体传感器领域潜在的良好的应用前景。然而以聚苯胺为敏感材料制备的气体传感器虽然响应灵敏度高，但回复时间长，可逆性欠佳，更重要的是它一般不溶不熔，难以加工，这对于其研究和应用带来了很大的障碍。为此，制备以可加工的纳米结构聚苯胺为敏感材料的气体传感器引起了广泛的关注。这类材料一方面可以改善聚苯胺的加工性，方便地批量制备具有良好一致性的气体传感器，同时利用纳米结构带来的大的比表面积，可以促进检测气体分子的扩散渗透作用，加快响应和回复，同时提高响应灵敏度，显著提高气体传感器的响应特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对浓度在1～300ppm的三乙胺气体具有可逆响应，且灵敏度高，响应较快，可室温检测的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件与制作方法。

本发明的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件具有陶瓷基片，在陶瓷基片表面光刻和蒸发有多对叉指金电极，在叉指金电极上连接有引线，在陶瓷基片和叉指金电极的表面涂覆有气敏薄膜，气敏薄膜为水分散聚苯胺纳米粒子。

水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件的制作方法，包括以下步骤：

1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2)配置聚苯乙烯磺酸和对甲苯磺酸的水溶液，其中聚苯乙烯磺酸浓度为0.5～10毫克/毫升，对甲苯磺酸浓度为8～40毫克/毫升，将经减压蒸馏的苯胺单体加入上述水溶液中，用量为每升上述水溶液加入4～12毫升苯胺，在0～60℃下搅拌至少0.5小时，得到A水溶液，然后加入浓度为1～4摩尔/升的过硫酸铵水溶液，A水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为100∶1，搅拌混合后，静置反应至少12小时，得到聚苯乙烯磺酸与对甲苯磺酸共掺杂的水分散聚苯胺纳米粒子水溶液，作为前驱体溶液；

3)将步骤1)的陶瓷叉指金电极浸渍于前驱体溶液中0.5～2分钟，提拉取出后，20～40℃温度下干燥，将其再次浸渍于去离子水中0.5～2分钟，提拉取出后，20～40℃温度下干燥、烘干，得到水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件。

上述的陶瓷片基体表面的叉指金电极的叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。

本发明的优点是：

采用“绿色环保”途径，获得了可以在水溶液中良好分散的聚苯胺纳米粒子，这样解决了聚苯胺这种共轭导电聚合物不溶不熔，难以加工的缺点，可以方便地利用浸涂、旋涂等方法在陶瓷基片和叉指金电极表面沉积聚苯胺纳米粒子，制备电阻型薄膜气敏元件，其敏感膜与基底可保持良好的接触。

制备的水分散聚苯胺纳米粒子构成的气体敏感膜，具有巨大的比表面积，有利于检测气体分子的扩散渗透，其对三乙胺气体具有较高的灵敏度和快速响应特点；

采用浸涂等方法从溶液中将制备的水分散聚苯胺纳米粒子薄膜均匀地沉积在陶瓷基片和叉指金电极表面制备气敏元件，可大大提高气敏元件响应的一致性；

采用有机小分子酸和聚合物酸在水溶液中混合掺杂制备水分散性聚苯胺纳米粒子，过程简单环保，而且可简便地通过改变过硫酸铵氧化剂浓度与聚合温度等参数，调节气敏元件对三乙胺气体的响应灵敏度和回复性；

采用有机小分子酸和聚合物酸在水溶液中混合掺杂制备水分散性聚苯胺纳米粒子，可简便地通过改变掺杂酸与单体的比例，使得制备的聚苯胺纳米粒子气敏元件对于湿度变化几乎没有响应，从而避免测定时环境湿度的干扰；

制得的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件对1～300ppm的较宽浓度范围内的三乙胺均有良好的响应灵敏度，在1～50ppm和50～300ppm的浓度范围内都体现出良好的响应线性度。此外，不论对于高浓度(200ppm)或是低浓度(25ppm)三乙胺气体，其响应都具有较好的回复性。

制得的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件对多种有机蒸汽的响应远小于对于相同浓度三乙胺气体的响应，表现出对于三乙胺气体一定的选择性；

气敏材料的合成制备过程简单，原料价格便宜；采用浸涂的方法制备元件，简便易行，元件一致性好，成品率高，适于批量生产；

本发明的湿敏元件具有体积小，低成本，使用方便等优点。叉指宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm的叉指金电极结构，以及多孔陶瓷基体可以改善气敏薄膜与电极基体的接触性，提高元件的稳定性。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、环境监测中对于三乙胺的测量与控制。

附图说明

图1是本发明的气敏元件的结构示意图；

图2是采用不同氧化剂制得的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件对三乙胺的响应灵敏度曲线。

图3是本发明的气敏元件对高浓度(200ppm)三乙胺回复性曲线；

图4是本发明的气敏元件对低浓度(25ppm)三乙胺回复性曲线；

图5是本发明的气敏元件气敏元件对1～50ppm三乙胺的响应灵敏度曲线；

图6是本发明的气敏元件对50～300ppm三乙胺的响应灵敏度曲线；

图7是本发明的气敏元件对不同气体的响应灵敏度比较；

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步说明本发明。

参照图1，本发明的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件具有陶瓷基片1，在陶瓷基片表面有多对叉指金电极2，在叉指金电极上连接有引线4，在陶瓷基片和叉指金电极表面涂覆有气敏膜3，气敏膜3为水分散聚苯胺纳米粒子。

所说的陶瓷基片表面的叉指金电极的宽度为20～200μm，叉指间隙为20～200μm。

实施例1：

1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2)配置聚苯乙烯磺酸和对甲苯磺酸的水溶液，其中聚苯乙烯磺酸浓度为0.5毫克/毫升，对甲苯磺酸浓度为8毫克/毫升。将经减压蒸馏的苯胺单体加入其中，用量为每升水溶液加入1毫升苯胺。在0℃下搅拌1小时，得到A水溶液，然后加入浓度为1摩尔/升的过硫酸铵水溶液，A水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为100∶1，继续搅拌1分钟后，静置反应12小时，得到聚苯乙烯磺酸与对甲苯磺酸共掺杂的水分散聚苯胺纳米粒子水溶液，作为前驱体溶液。

3)将步骤1)的陶瓷叉指金电极浸渍于前驱体溶液中0.5分钟，提拉取出后，40℃温度下干燥24小时。将其再次浸渍于去离子水中0.5分钟，提拉取出后，40℃温度下干燥烘干24小时，得到水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件。

实施例2：

1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2)配置聚苯乙烯磺酸和对甲苯磺酸的水溶液，其中聚苯乙烯磺酸浓度为3.12毫克/毫升，对甲苯磺酸浓度为19毫克/毫升。将经减压蒸馏的苯胺单体加入其中，用量为每升水溶液加入8毫升苯胺。在20℃下搅拌1小时，得到A水溶液，然后加入浓度为2摩尔/升的过硫酸铵水溶液，A水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为100∶1，继续搅拌1分钟后，静置反应12小时，得到聚苯乙烯磺酸与对甲苯磺酸共掺杂的水分散聚苯胺纳米粒子水溶液，作为前驱体溶液。

3)将步骤1)的陶瓷叉指金电极浸渍于前驱体溶液中1分钟，提拉取出后，40℃温度下干燥24小时。将其再次浸渍于去离子水中1分钟，提拉取出后，40℃温度下干燥烘干24小时，得到水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件。

实施例3：

1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2)配置聚苯乙烯磺酸和对甲苯磺酸的水溶液，其中聚苯乙烯磺酸浓度为10毫克/毫升，对甲苯磺酸浓度为40毫克/毫升。将经减压蒸馏的苯胺单体加入其中，用量为每升水溶液加入4毫升苯胺。在60℃下搅拌1小时，得到A水溶液，然后加入浓度为4摩尔/升的过硫酸铵水溶液，A水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为100∶1，继续搅拌1分钟后，静置反应12小时，得到聚苯乙烯磺酸与对甲苯磺酸共掺杂的水分散聚苯胺纳米粒子水溶液，作为前驱体溶液。

3)将步骤1)的陶瓷叉指金电极浸渍于前驱体溶液中2分钟，提拉取出后，40℃温度下干燥24小时。将其再次浸渍于去离子水中2分钟，提拉取出后，40℃温度下干燥烘干24小时，得到水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件。

实施例4：

1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2)配置聚苯乙烯磺酸和对甲苯磺酸的水溶液，其中聚苯乙烯磺酸浓度为8.2毫克/毫升，对甲苯磺酸浓度为30毫克/毫升。将经减压蒸馏的苯胺单体加入其中，用量为每升水溶液加入12毫升苯胺。在30℃下搅拌1小时，得到A水溶液，然后加入浓度为1摩尔/升的过硫酸铵水溶液，A水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为100∶1，继续搅拌1分钟后，静置反应12小时，得到聚苯乙烯磺酸与对甲苯磺酸共掺杂的水分散聚苯胺纳米粒子水溶液，作为前驱体溶液。

3)将步骤1)的陶瓷叉指金电极浸渍于前驱体溶液中2分钟，提拉取出后，40℃温度下干燥24小时。将其再次浸渍于去离子水中2分钟，提拉取出后，40℃温度下干燥烘干24小时，得到水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件。

图2所示是本发明所制得的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件对三乙胺的灵敏度曲线，由图可见，通过调节氧化剂过硫酸铵浓度可以改变制备的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件对三乙胺气体的响应灵敏度。

图3和图4所示是本发明制备的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件对高浓度(200ppm)和低浓度(25ppm)三乙胺气体的回复性曲线，从图可知，气敏元件对高浓度(200ppm)和低浓度(25ppm)三乙胺气体都具有好的回复性。

图5与图6是本发明制备的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件分别对1～50ppm和50～300ppm三乙胺气体的响应灵敏度曲线，从图中可知，气敏元件在1～50ppm和50～300ppm的三乙胺气体的浓度范围内都具有好的响应线性度，非常利于测定。

图7是本发明制备的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件的对于不同气体的响应灵敏度比较。从图可知气敏元件对于三乙胺气体表现出选择性。

Claims (3)

1.一种水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件，其特征在于它具有陶瓷基片(1)，在陶瓷基片表面光刻和蒸发有多对叉指金电极(2)，在叉指金电极上连接有引线(4)，在陶瓷基片和叉指金电极表面涂覆有气敏薄膜(3)，气敏薄膜为水分散聚苯胺纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件，其特征在于陶瓷基片表面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所述的水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件的制作方法，其特征在于：

1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2)配置聚苯乙烯磺酸和对甲苯磺酸的水溶液，其中聚苯乙烯磺酸浓度为0.5～10毫克/毫升，对甲苯磺酸浓度为8～40毫克/毫升，将经减压蒸馏的苯胺单体加入上述水溶液中，用量为每升上述水溶液加入4～12毫升苯胺，在0～60℃下搅拌至少0.5小时，得到A水溶液，然后加入浓度为1～4摩尔/升的过硫酸铵水溶液，A水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为100∶1，搅拌混合后，静置反应至少12小时，得到聚苯乙烯磺酸与对甲苯磺酸共掺杂的水分散聚苯胺纳米粒子水溶液，作为前驱体溶液；

3)将步骤1)的陶瓷叉指金电极浸渍于前驱体溶液中0.5～2分钟，提拉取出后，20～40℃温度下干燥，将其再次浸渍于去离子水中0.5～2分钟，提拉取出后，20～40℃温度下干燥、烘干，得到水分散聚苯胺纳米粒子气敏元件。

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