CN106855526A - 一种负载聚吡咯的气敏元件及其制作方法 - Google Patents

一种负载聚吡咯的气敏元件及其制作方法 Download PDF

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CN106855526A CN201710164121.3A CN201710164121A CN106855526A CN 106855526 A CN106855526 A CN 106855526A CN 201710164121 A CN201710164121 A CN 201710164121A CN 106855526 A CN106855526 A CN 106855526A
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宋晓峰
蒋苏臣
李龙
黄意春
徐莎
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Abstract

本发明公开了一种负载聚吡咯的气敏元件及其制作方法，所述气敏元件以实验室自制的金属网作为电极，由聚丙烯腈（PAN）高压静电纺丝所制的纳米纤维膜作为负载基质，聚吡咯（PPy）作为负载相制备而成。其中负载相聚吡咯作为气体敏感材料起到测试作用，特点是元件制作简易、成本低、具有低温测性能力。

Description

一种负载聚吡咯的气敏元件及其制作方法
技术领域
本发明专利涉及一种负载聚吡咯的气敏元件及其制作方法，属于气体传感器、气体检测领域。
背景技术
气体传感器广泛应用于工业生产、环境检测、食品保护和食品储藏等领域，目前气敏传感器按照材料主要分为无机半导体、有机半导体和高分子气敏材料传感器。市面上常见的产品基本上都是金属氧化物为基础材料的半导体材料，但是其检测温度一般在200℃以上。因此当环境中存在可燃性或爆炸性气体时，传感器在常温下工作变的很必要，截至目前为止，有两种类型的低温检测型气敏传感器，分别是碳纳米管和导电聚合物。聚吡咯材料相较于其他导电聚合和碳纳米管，具有成本低、容易制备、化学结构易调整、高灵敏度和室温下工作的特点。但制备常规高分子聚合物材料传感器所用的玻璃陶瓷电极通常工艺复杂、成本高、气体接触面积小且柔软性差、灵敏度低。本发明专利涉及一种负载聚吡咯的气敏元件及其制作方法，提供了一种元件的简易制作过程，所制气敏元件具有成本低、气体透过性好和常温检测等方面的优势。
发明内容
本发明专利提供了一种负载聚吡咯的气敏元件，采用不锈钢金属网充当电极，聚丙烯腈高压静电纺丝膜做负载基质，聚吡咯作为负载相制备气敏元件。制备所得的气敏元件具有双面多孔结构，内部为聚丙烯腈纤维支撑的空间网络结构，为气体的传输、反应提供更高的比表面积。
本发明专利还提供了一种气敏元件的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：
1、聚丙烯腈纳米纤维膜的制备：将0.01g苄基三乙基氯化铵，0.3-0.8g聚丙烯腈（PAN）和4ml二甲基甲酰胺（DMF）加入玻璃瓶密封，60-80℃油浴加热8-12h，将溶解完全的的纺丝溶液加入高压静电纺丝装置，设定合适参数纺丝成膜并将所制纤维膜放于真空干燥箱中干燥完全；
2、元件制作：裁剪两片1cm*3cm的长条金属网做为元件电极载体，对干燥后的薄膜进行导电性测试，将绝缘的聚丙烯腈纳米纤维膜整体裁剪为1cm*12cm的长条，使用裁剪好的聚丙烯腈薄膜分别平整均匀的包覆两个金属网电极的顶端，接触面积为1cm*1cm，将两片金属网包覆部分重叠放置并在外层再包覆一层薄膜固定，最后将制作完成的元件放到特定夹具中，放置于干燥箱内90℃加热2-4h最终得到牢固的元件，电极的聚丙烯腈包覆部分充当聚吡咯负载载体，裸露的金属网部分充当导电电极；
3、负载聚吡咯：将制作好的元件充分浸泡在饱和三氯化铁（Fecl3）溶液中，抽真空去除空隙中的氧气，2h后取出冲洗掉金属网上的三氯化铁溶液，放入真空干燥箱中室温干燥24h后取出，将干燥好的元件悬挂于事先冷却到零下的真空瓶中，密封并抽真空，加入纯化好的吡咯单体，反应24小时结束得到最终气敏元件。
本发明专利的主要优点就是提供了一种负载聚吡咯的气敏元件及其制作方法，比较传统电极制作方法，其大大简化了电极制作流程，降低了成本，所制电极气体透过性高，在室温25℃时对NO2、NH3分别表现不同的敏感性。
附图说明
图1为本发明负载聚吡咯的气敏元件的制作流程。
图2为本发明所制备的气敏元件的结构示意图。
图3为本发明实施例1中制备的气敏元件所用原料与复合材料的红外光谱图。
图4为本发明实施例1中制备的气敏元件对NH3的响应曲线。
从图3中可以看出，聚合后属于吡咯（Py）单体的部分特征峰明显减少，而出现一系列属于聚吡咯的特征峰，其中1617.70 cm-1和1458.51 cm-1处的吸收峰是吡咯环中C=C的对称伸缩震动和C-N伸缩震动，1094.70 cm-1处吸收峰归属于C-H面内的弯曲震动，1015.32cm-1处的吸收峰归属于C-H和N-H的面内变形震动，表明聚合产物为聚吡咯。对比PAN和PPy/PAN吸收曲线可以看出2239.1 cm-1处C≡N的振动峰在聚合后消失，表明聚吡咯包覆在聚丙烯腈纤维外表。对比Py和PPy/PAN吸收曲线，可以确定472.12 cm-1处吸收峰为α-α连接的吡咯环的特征吸收峰，其代表的含义是吡咯环中β位上C-H平面外弯曲振动。分析表明聚合最终产物为聚吡咯。
从图4中可以看出，当分别通入200ppm、300ppm、400ppm浓度的NH3气体时电流曲线均明显发生不同程度的偏折，出现敏感现象。
具体实施方式
本发明专利提供了一种负载聚吡咯的气敏元件及其制备方法，包含静电纺丝、电极制作和负载聚吡咯三个步骤；
实施例1
将0.01g苄基三乙基氯化铵、0.5g聚丙烯腈（PAN）和4ml二甲基甲酰胺（DMF）依次加入玻璃瓶中密封，60℃油浴加热10h，设定参数为电压为6.5千伏，出液速率为7µl/min，接收板距离15cm，高压静电纺丝成膜并将所制纤维膜放于真空干燥箱中干燥完全；对干燥后的薄膜进行导电性测试，将绝缘的聚丙烯腈纳米纤维膜整体裁剪为1cm*12cm的长条，裁剪两片1cm*3cm的长条金属网，使用裁剪好的聚丙烯腈薄膜包覆两个金属网电极的顶端，接触面积为1cm*1cm，将包覆部分重叠放置并在外层包覆一层薄膜固定，最后将制作完成的元件放到特定夹具中，放置于干燥箱内90℃加热4h最终得到牢固的元件；将制作好的元件充分浸泡在饱和三氯化铁（Fecl3）溶液中，抽真空2h后取出，冲洗掉金属网上的三氯化铁溶液，放入真空干燥箱中室温干燥24h后取出，悬挂于事先冷却到零下的真空瓶中，密封并抽真空，加入纯化好的吡咯单体，反应24小时结束。

Claims (2)

1.一种负载聚吡咯的气敏元件，其特征在于，所述气敏元件是采用自制金属网作为电极，聚丙烯腈纳米纤维膜作为负载基质，聚吡咯作为负载相制备而成的。
2.一种负载聚吡咯的气敏元件的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：1、将定量的聚丙烯腈溶解于N-N-二甲基甲酰胺（DMF）中，利用高压静电纺丝装置制备一定厚度的纳米纤维膜；2、裁剪两片3cm*1cm大小的不锈钢长条金属网，每片金属网一端使用聚丙烯腈纤维膜包覆一定厚度，将包覆部分重叠放置确保绝缘，最后将重叠部分外侧再包覆一层纤维膜，放置进特定夹具中加热固定，最终裸露的金属网部分充当导电电极；3、将所制电极元件充分浸泡在饱和三氯化铁（Fecl3）溶液中一段时间后取出高温真空干燥，将干燥好的元件悬挂于事先冷却到零下的真空瓶中，密封并抽真空，加入纯化好的吡咯单体，反应24小时结束得到最终气敏元件。
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