CN104458819B - 低成本高灵敏度的NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制备方法 - Google Patents

低成本高灵敏度的NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低成本高灵敏度的NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制备方法，采用水热法合成介孔二氧化硅分子筛，将得到的介孔材料在550℃下煅烧除去表面活性剂，通过与适量氯化钠混合以无水乙醇为溶剂再研磨进行掺杂。本发明专利的特点在于掺杂过程简单，不需要热处理，简化制备工艺。本发明产品湿度敏感灵敏度高，在全湿度量程范围内11％RH～95％RH内，阻抗变化数量级大于四个数量级并接近五个数量级，同时响应恢复时间快。本发明提供一种通过研磨处理对介孔二氧化硅材料进行掺杂的方法，并通过多次试验得出最理想掺杂比例，有效提高材料的湿度敏感性能，全湿度量程范围11％RH～95％RH内，阻抗变化数量级大于四个数量级并接近五个数量级，同时简化该类材料的制备工艺。

Description

低成本高灵敏度的NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制 备方法
技术领域
本发明属于介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制备方法，具体涉及一种低成本高灵敏度的NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制备方法。
背景技术
目前，湿度传感器已广泛应用于工农业生产、气象及环境监测、医疗卫生、家用电器等领域中。随着科学技术的发展，人们对于湿度传感器也提出诸多要求，如更精确、更便宜、更小巧等等。当前湿敏材料主要可以分为：陶瓷类、有机高分子类、电解质类、介孔分子筛类。陶瓷类湿敏材料稳定性好、寿命长、价格低廉等优点，但准确度较低、难以集成化；高分子化合物类湿敏材料适于批量生产，材料来源广泛，但在高温和高湿条件下性能变差、稳定性差、抗腐蚀和抗沾污能力差；电解质类湿敏材料灵敏度高，但测量范围窄、可重复性差、使用寿命短等；介孔分子筛类湿敏材料不仅湿度敏感性能好，响应快，而且稳定性好、寿命长。然而目前介孔分子筛类湿敏材料进行无机盐掺杂多采用热处理办法，工艺复杂且原料利用率低。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种低成本高灵敏度的NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制备方法。
技术方案
一种低成本高灵敏度的NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将表面活性剂与溶剂按摩尔比为1︰1.83～9706的比例混合；
步骤2：加入正丁醇进行混合，所述表面活性剂与正丁醇的质量比为1︰1～10.88；
步骤3：再加入正硅酸乙酯TEOS溶液，并在温度35℃～65℃下水浴，得到混合物；
步骤4：将混合物移入反应釜，在100℃下反应24h；
步骤5：将混合物抽滤，用蒸馏水和无水乙醇洗涤得到产物，并于100℃烘箱中干燥12h；再将产物在550℃、空气中煅烧6h，得到介孔氧化硅材料；
步骤6：取介孔氧化硅材料于研钵中，滴加无水乙醇将其完全浸湿，再加入氯化钠，研磨0.5h，在100℃下烘干0.5h，得到NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料；所述介孔氧化硅材料与氯化钠的质量比为1︰0.05～0.5。
所述溶剂选为：盐酸溶液、乙醇水溶液、蒸馏水或氨水中的一种或混合液。
有益效果
本发明提出的一种低成本高灵敏度的NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制备方法，采用水热法合成介孔二氧化硅分子筛，将得到的介孔材料在550℃下煅烧除去表面活性剂，通过与适量氯化钠混合以无水乙醇为溶剂再研磨进行掺杂。本发明专利的特点在于掺杂过程简单，不需要热处理，简化制备工艺。本发明产品湿度敏感灵敏度高，在全湿度量程范围内11％RH～95％RH内，阻抗变化数量级大于四个数量级并接近五个数量级，同时响应恢复时间快。
本发明提供一种通过研磨处理对介孔二氧化硅材料进行掺杂的方法，并通过多次试验得出最理想掺杂比例，有效提高材料的湿度敏感性能，全湿度量程范围11％RH～95％RH内，阻抗变化数量级大于四个数量级并接近五个数量级，同时简化该类材料的制备工艺。
附图说明
图1：本发明所制备介孔二氧化硅材料KIT-6扫描电镜图；
图2：本发明所制备介孔二氧化硅材料KIT-6氮气吸附脱附及孔径分布图；
图3：本发明不同NaCl质量比掺杂介孔氧化硅KIT-6电阻型湿敏材料的湿敏性能曲线(NaCl掺杂量wt％:0.05)；
图4：本发明不同NaCl质量比掺杂介孔氧化硅SBA-15电阻型湿敏材料的湿敏性能曲线(NaCl掺杂量wt％:0.1)；
图5：本发明不同NaCl质量比掺杂介孔氧化硅KIT-6电阻型湿敏材料的湿敏性能曲线(NaCl掺杂量wt％:0.138)；
图6：本发明NaCl掺杂介孔氧化硅KIT-6电阻型湿敏材料的响应恢复曲线(NaCl掺杂量wt％:0.138)；
图:7：本发明不同NaCl质量比掺杂介孔氧化硅SBA-16电阻型湿敏材料的湿敏性能曲线(NaCl掺杂量wt％:0.2)；
图8：本发明不同NaCl质量比掺杂介孔氧化硅IBN-9电阻型湿敏材料的湿敏性能曲线(NaCl掺杂量wt％:0.5)；
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：
将1g表面活性剂P123按比例溶于34.1g蒸馏水中，加入1.9g 36％浓盐酸搅拌形成均匀溶液。加入1g正丁醇，于35℃下搅拌1h。再加入2.15g正硅酸乙酯(TEOS)溶液，搅拌24h。将混合液转移到反应釜中，于100℃水热处理24小时。所得产物抽滤，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，并于100℃烘箱中干燥12h。再将产物在550℃、空气中煅烧6h，得到三维立方介孔氧化硅材料KIT-6。取0.1024g KIT-6于研钵中，滴加1ml无水乙醇将其完全浸湿，再加入0.0051gNaCl，研磨0.5h，在100℃下烘干0.5h，得到介孔氧化硅电阻型湿敏材料。
制备KIT-6微观形貌如图1所示，从图2我们可以看出，KIT-6具有明显的介孔结构，孔径在8nm左右。从图3可得出，掺杂后的湿敏材料在相对湿度11％RH～95％RH内，阻抗变化数量级接近五个数量级。
实施例2：
在45℃下，将0.067g CTAB溶解于32ml的氨水溶液(质量分数2％，pH11.35)中，随后加入0.9ml的正丁醇。静态条件下逐滴滴加0.312g TEOS。该混合物在45℃水浴24h，再将混合物移入反应釜中，在100℃下反应24h。所得产物抽滤，蒸馏水洗涤，100℃烘箱中干燥12h。将产物在550℃、空气中煅烧6h以除去模板，得到二维六方介孔氧化硅材料SBA-15。取0.1344g SBA-15于研钵中，滴加1ml无水乙醇将其完全浸湿，再加入0.0134g NaCl，研磨0.5h，在100℃下烘干0.5h，得到介孔氧化硅电阻型湿敏材料。
从图4可得出，掺杂后的湿敏材料在相对湿度11％RH～95％RH内，阻抗变化数量级近五个数量级。
实施例3：
将1g表面活性剂P123按比例溶于34.1g蒸馏水中，加入1.9g 36％浓盐酸搅拌形成均匀溶液。加入1g正丁醇，于35℃下搅拌1h。再加入2.15g TEOS溶液，搅拌24h。将混合液转移到反应釜中，于100℃水热处理24小时。所得产物抽滤，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，并于100℃烘箱中干燥12h。再将产物在550℃、空气中煅烧6h，得到三维立方介孔氧化硅材料KIT-6。取0.1276g KIT-6于研钵中，滴加适量无水乙醇将其完全浸湿，再加入0.0176gNaCl，研磨0.5h，在100℃下烘干0.5h，得到介孔氧化硅电阻型湿敏材料。
从图5可得出，掺杂后的湿敏材料在相对湿度11％RH～95％RH内，阻抗变化数量级近五个数量级，且湿敏曲线线性度较好，从图6可看出其响应恢复较快。
实施例4：
将0.75g共聚物F127溶解于36g蒸馏水和1.49g浓盐酸(36.5～38.0％)混合液中。搅拌20～30分钟后，将2.25g助表面活性剂正丁醇加入混合液中，以形成质量比为F127：丁醇＝1:3的三元体系。搅拌1h后，将3.6gTEOS加入到该溶液中，在45℃下恒温搅拌24小时。将混合物于100℃水热24h。水热处理后通过抽滤分离，乙醇洗涤，再在100℃下干燥12h，最后在550℃下空气中煅烧6小时以除去模板得到三维立方介孔二氧化硅SBA-16。取0.1477gSBA-16于研钵中，滴加适量无水乙醇将其完全浸湿，再加入0.0295g NaCl，研磨0.5h，在100℃下烘干0.5h，得到介孔氧化硅电阻型湿敏材料。
从图7可得出，掺杂后的湿敏材料在相对湿度11％RH～95％RH内，阻抗变化数量级大于四个数量级并近五个数量级。
实施例5：
在45℃下，将0.067g CTAB溶解于32ml的氨水溶液(质量分数2％，pH11.35)中。随后加入0.9ml的正丁醇，静态条件下逐滴滴加TEOS 0.312g。该混合物在45℃水浴24h。反应釜中100℃下再处理24h。所得产物抽滤，并用蒸馏水洗涤，100℃烘箱中干燥12h。将产物在550℃、空气中煅烧6h以除去模板，得到三维六方介孔二氧化硅IBN-9。取0.1386g IBN-9于研钵中，滴加适量无水乙醇将其完全浸湿，再加入0.0693g NaCl，研磨0.5h，在100℃下烘干0.5h，得到介孔氧化硅电阻型湿敏材料。
从图8可得出，掺杂后的湿敏材料在相对湿度11％RH～95％RH内，阻抗变化数量级大于四个数量级。

Claims (1)

1.一种低成本高灵敏度的NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将表面活性剂与溶剂按摩尔比为1︰1.83～9706的比例混合；
其中所述表面活性剂为P123，所述溶剂为盐酸溶液；或表面活性剂为CTAB，所述溶剂为氨水溶液；
步骤2：加入正丁醇进行混合，所述表面活性剂与正丁醇的质量比为1︰1～10.88；
步骤3：再加入正硅酸乙酯TEOS溶液，并在温度35℃～65℃下水浴，得到混合物；
步骤4：将混合物移入反应釜，在100℃下反应24h；
步骤5：将混合物抽滤，用蒸馏水和无水乙醇洗涤得到产物，并于100℃烘箱中干燥12h；再将产物在550℃、空气中煅烧6h，得到介孔氧化硅材料；
步骤6：取介孔氧化硅材料于研钵中，滴加无水乙醇将其完全浸湿，再加入氯化钠，研磨0.5h，在100℃下烘干0.5h，得到NaCl掺杂介孔氧化硅电阻型湿敏材料；所述介孔氧化硅材料与氯化钠的质量比为1︰0.05～0.5。
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