CN101799441A - 水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件及其制作方法，它是以陶瓷为基片，其上有多对叉指金电极，在陶瓷基片和叉指金电极表面涂敷有水分散纳米聚苯胺的湿敏薄膜，湿敏薄膜为水分散纳米聚苯胺与聚乙烯醇复合高分子湿敏材料。该湿敏元件在宽的湿度范围，特别是在较低湿度环境下均具有阻抗值适中，灵敏度高，线性度好，响应快，回复性佳，稳定性强，在室温下检测等特点，可广泛应用于工农业生产过程、仓储、大气环境监测对于环境湿度精确测量与控制。

Description

水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件及其制作方法。

背景技术

湿度在人类生产和生活中起到十分重要的作用，而湿度传感器则是检测湿度的最常用而有效的方法。目前商品化的湿度传感器主要有无机陶瓷半导体型和有机高分子型。而高分子型湿度传感器以其响应特性好，测量范围宽，稳定性好，可室温检测，易于集成化，小型化批量生产，价格低廉等优点，已成为湿度传感器的主流。其中高分子电阻型湿度传感器制备非常简便，性能良好，且易于集成于系统中实现湿度的测量和控制，是湿度传感器研究和发展的重点之一。然而，这类传感器多采用传统的线型高分子电解质作为敏感材料，它们在低湿环境下由于离子迁移困难，电导率低，导致其电阻过高难以测定，给其测量低湿环境带来较大困难，也在一定程度上阻碍了其进一步推广应用。为此，需要对于高分子湿度敏感材料进行修饰改性，以及与具有良好本征导电能力的导电高分子等材料复合，以提高其在低湿环境下的导电性，扩大检测范围，实现在低湿环境下对湿度的灵敏检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种在检测湿度范围内，特别是在低湿环境下具有阻抗值适中、灵敏度高、线性度好、响应快、湿滞小，可室温检测的水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件及其制作方法。

本发明的水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件，具有陶瓷基体，在陶瓷基体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，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜，湿敏薄膜为水分散纳米聚苯胺与聚乙烯醇复合高分子湿敏材料。

水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件的制作方法，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)配置浓度为0.1～1.0毫克/毫升的聚苯乙烯磺酸的水溶液，将经减压蒸馏的苯胺加入其中，用量为每升上述水溶液加入4～45毫升苯胺，在0～40℃下搅拌至少1小时，然后加入浓度为0.05～0.2毫克/毫升过硫酸铵的水溶液，聚苯乙烯磺酸水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为1∶1～3，搅拌混合后，静置至少12小时，用丙酮沉淀，抽滤，用丙酮洗涤，室温下真空干燥，得到水分散的聚苯胺纳米粒子；

3)将步骤2)制得的聚苯胺纳米粒子配置成浓度为30毫克/毫升的水溶液，并与浓度为30毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液混合，聚苯胺纳米粒子的水溶液与聚乙烯醇水溶液的体积比为1∶4～4∶1，制得前驱体溶液；

4)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，40℃温度下干燥烘干，得到水分散纳米聚苯胺高分子电阻型湿敏元件。

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。

本发明的优点在于：

1)聚苯胺具有结构多样性，可逆的氧化还原，掺杂解掺杂特性，以及环境稳定性等特点，易于实现复合改性从而赋予其各种各样的功能。通过聚苯乙烯磺酸诱导掺杂聚合，制备具有水分散特性的聚苯胺湿敏材料，将其与聚乙烯醇复合，利用聚苯胺良好的本征导电性，可明显增加复合物在低湿环境下的导电能力，有利于降低电阻，尤其是在低湿环境下的电阻，从而解决低湿环境下湿敏元件阻抗过高难以测定的问题。

2)所制备的水分散纳米聚苯胺湿敏材料，具有纳米结构的特点，体现出巨大的比表面积，利于环境中水分子的吸附和脱附，从而使其具有较快的吸湿和脱湿响应速度，响应时间较短；

3)所制备的水分散纳米聚苯胺与聚乙烯醇复合高分子湿敏材料，一方面在其中具有聚苯乙烯磺酸作为掺杂剂，可在不同湿度环境下体现出的离子导电特性，从而体现出较高的响应灵敏度；而同时导电高分子聚苯胺材料的存在，使其在低湿环境下的也体现出良好的本征电子导电能力。这使得湿敏材料在包括低湿环境在内的很宽的湿度范围内具有较高的感湿灵敏度，而且低湿下电阻阻值不会过大而难以测定。

4)所制备的水分散纳米聚苯胺与聚乙烯醇复合高分子湿敏材料，其中聚乙烯醇具有一定的吸水性，但相比于带有电荷的聚苯乙烯磺酸和聚苯胺，其与水分子的作用明显减弱，这使得复合电阻型湿敏膜中吸附的水分子更容易脱附，从而其湿滞明显减小。

5)湿敏材料的合成制备过程简单，原料价格便宜，适合于批量生产；

6)制备的聚苯胺具有水分散特性，解决了其通常不溶不熔难以加工的问题。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；

7)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，以及陶瓷基体可以改善湿敏薄膜与电极基体的接触性，提高元件的稳定性。该湿敏元件可广泛应用于工农业生产过程，仓储，大气环境监测时对于环境湿度精确测量与控制。

附图说明

图1是本发明的湿敏元件的结构示意图；

图2是水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件的湿滞曲线。

图3是不同聚苯乙烯磺酸与苯胺的摩尔比例制得的湿敏元件的湿敏响应特性曲线；

图4是聚苯乙烯磺酸与苯胺的摩尔比例为6制得的湿敏元件的响应时间曲线；

图5是聚苯乙烯磺酸与苯胺的摩尔比例为6制得的湿敏元件的湿滞曲线；

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，水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件具有陶瓷基体1在陶瓷基体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，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜3，湿敏薄膜3为水分散纳米聚苯胺湿敏材料。

所说的陶瓷片基体表面的叉指的叉指宽度为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)配置浓度为0.1毫克/毫升的聚苯乙烯磺酸的水溶液，将经减压蒸馏的苯胺加入其中，用量为每升上述水溶液加入4毫升苯胺，在0～40℃下搅拌至少1小时，然后按照体积比为1∶1缓慢加入浓度为0.05毫克/毫升过硫酸铵的水溶液，搅拌混合后，静置至少12小时。用丙酮沉淀，抽滤，用丙酮洗涤，室温下真空干燥，即得到水分散的聚苯胺纳米粒子；

3)将步骤2)制得的聚苯胺纳米粒子配置成浓度为30毫克/毫升的水溶液，并与浓度为30毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液按照1∶0.25的比例混合制得前驱体溶液；

4)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℃温度下干燥烘干，得到水分散纳米聚苯胺高分子电阻型湿敏元件。

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)配置浓度为1.0毫克/毫升的聚苯乙烯磺酸的水溶液，将经减压蒸馏的苯胺加入其中，用量为每升上述水溶液加入45毫升苯胺，在0℃下搅拌至少1小时，然后加入浓度为0.05毫克/毫升过硫酸铵的水溶液，聚苯乙烯磺酸水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为1∶3，搅拌混合后，静置至少12小时。用丙酮沉淀，抽滤，用丙酮洗涤，室温下真空干燥，即得到水分散聚苯胺纳米粒子；

3)将步骤2)制得的聚苯胺纳米粒子配置成浓度为30毫克/毫升的水溶液，并与浓度为30毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液按照1∶4的比例混合制得前驱体溶液；

4)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℃温度下干燥烘干，得到水分散纳米聚苯胺高分子电阻型湿敏元件。

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)配置浓度为1.0毫克/毫升的聚苯乙烯磺酸的水溶液，将经减压蒸馏的苯胺加入其中，用量为每升上述水溶液加入4毫升苯胺，在40℃下搅拌至少1小时，然后按照体积比为1∶1缓慢加入浓度为0.1毫克/毫升过硫酸铵的水溶液，搅拌混合后，静置至少12小时。用丙酮沉淀，抽滤，用丙酮洗涤，室温下真空干燥，即得到水分散聚苯胺纳米粒子；

3)将步骤2)制得的聚苯胺纳米粒子配置成浓度为30毫克/毫升的水溶液，并与浓度为30毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液按照1∶1的比例混合制得前驱体溶液；

4)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℃温度下干燥烘干，得到水分散纳米聚苯胺高分子电阻型湿敏元件。

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)配置浓度为0.375毫克/毫升的聚苯乙烯磺酸的水溶液，将经减压蒸馏的苯胺加入其中，用量为每升上述水溶液加入10毫升苯胺，在0℃下搅拌至少1小时，然后加入浓度为0.1毫克/毫升过硫酸铵的水溶液，聚苯乙烯磺酸水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为1∶2，搅拌混合后，静置至少12小时。用丙酮沉淀，抽滤，用丙酮洗涤，室温下真空干燥，即得到水分散聚苯胺纳米粒子；

3)将步骤2)制得的聚苯胺纳米粒子配置成浓度为30毫克/毫升的水溶液，并与浓度为30毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液按照1∶0.25的比例混合制得前驱体溶液；

4)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℃温度下干燥烘干，得到水分散纳米聚苯胺高分子电阻型湿敏元件。

该湿敏元件的湿滞曲线见图2，由图所见，水分散纳米聚苯胺与聚乙烯醇复合后制备的电阻型湿敏元件的湿滞显著减小为2％RH。

本发明制备过程中得到的水分散聚苯胺纳米粒子在低湿环境下都具有较低的阻抗，由图3可见，通过调节聚苯乙烯磺酸与苯胺单体的摩尔比例，可显著降低在低湿下阻抗，使其体现出较好的低湿检测能力，而且在半对数坐标下具有很好的响应线性度，体现出很好的湿敏特性。

由图4可见，本发明制备过程中得到的水分散聚苯胺纳米粒子具有比较快的响应速度，吸湿和脱湿时间都比较短，分别为6秒和10秒；

图5所示为本发明制备过程中得到的水分散聚苯胺纳米粒子的湿滞曲线，由图所见，水分散纳米聚苯胺的湿滞较大，约为8％RH。

Claims (3)

1.水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件，其特征在于：它具有陶瓷基体(1)，在陶瓷基体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)，在陶瓷基体和叉指金电极表面涂覆有湿敏薄膜(3)，湿敏薄膜为水分散纳米聚苯胺与聚乙烯醇复合高分子湿敏材料。

2.根据权利要求1所述的水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件，其特征在于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。

3.根据权利要求1所述的水分散纳米聚苯胺的高分子电阻型湿敏元件的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

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)配置浓度为0.1～1.0毫克/毫升的聚苯乙烯磺酸的水溶液，将经减压蒸馏的苯胺加入其中，用量为每升上述水溶液加入4～45毫升苯胺，在0～40℃下搅拌至少1小时，然后加入浓度为0.05～0.2毫克/毫升过硫酸铵的水溶液，聚苯乙烯磺酸水溶液与过硫酸铵水溶液的体积比为1∶1～3，搅拌混合后，静置至少12小时，用丙酮沉淀，抽滤，用丙酮洗涤，室温下真空干燥，得到水分散的聚苯胺纳米粒子；

3)将步骤2)制得的聚苯胺纳米粒子配置成浓度为30毫克/毫升的水溶液，并与浓度为30毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液混合，聚苯胺纳米粒子的水溶液与聚乙烯醇水溶液的体积比为1∶4～4∶1，制得前驱体溶液；

4)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，40℃温度下干燥烘干，得到水分散纳米聚苯胺高分子电阻型湿敏元件。

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