CN109470752B - 一种pedot:pss基柔性氨气传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法，将PEDOT:PSS制备为适合普通喷墨打印机打印的墨水形式，通过喷墨打印方式，在叉指电极上沉积氨气敏感材料层，同时在氨气敏感材料层上喷墨打印氯化铁水溶液，沉积得到掺杂材料，完成氨气传感器的制备；本发明制备的氨气传感器在室温下对不同浓度的氨气均具有较好的响应，对低浓度氨气的敏感度高，对氨气的检测下限达到了1ppm，且检测范围宽，同时具有响应时间短、稳定性高和气体选择性好的特点，适合在室温下对氨气进行高灵敏的检测，且制备的氨气传感器柔性好、工作温度低，可结合可穿戴设备应用于人体周围环境氨气检测和人体呼吸气体检测，从而对人体健康状况进行预警。

Description

一种PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法。
背景技术
发展高性能柔性室温气体传感器，对环境检测、人体健康预警以及军事国防等领域具有重要的意义。如低浓度的氨气对眼和潮湿的皮肤能迅速产生刺激作用，氨气浓度过高(>25ppm)时则会对人体呼吸器官产生较大的损伤。另外，医学研究表明，健康人体呼出的气体中氨气浓度为ppb量级，而肾衰竭患者呼出的气体中氨气浓度一般大于1ppm，因此可通过检测人体呼出的氨气浓度，实现对人体健康预警。
在氨气检测方面，研究人员发现金属氧化物、碳纳米管、石墨烯、导电有机物等都可以用于氨气检测。但是，在大量报道中，金属氧化物在氨气检测方面，需要非常高的反应温度，不利于低成本和可穿戴设备，例如，公开号CN106365204A的中国发明专利申请公开了一种用于氨气气敏传感器的三氧化钨敏感材料的制备方法，其中在氨气的响应测试中传感器具有较好氨气响应的工作温度为360℃，工作温度较高。而碳纳米管和石墨烯需要高温处理，也不利于大规模低成本制造，并且灵敏度较低，例如，公开号CN104458826A的中国发明专利申请公开了一种新型氨气传感器及其制备工艺，其需要利用静电纺丝并在N2中400℃～600℃和650℃～850℃分别煅烧一次，另外在10ppm氨气的响应为4％左右，制造方式复杂并且灵敏度较低。导电聚合物如聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(即PEDOT:PSS)具有较好的氨气敏感度、可室温工作、稳定性较好、成本低等优点，吸引了研究人员的注意，例如，公开号CN105866175A的中国发明专利申请公开了一种可印刷柔性氨气传感器及其制备方法，其利用导电有机物和金属纳米线混合作为氨气敏感材料，制造了一种柔性氨气传感器，但是单纯的聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐氨气传感器在实际应用中具有测试范围较窄、对低浓度氨气(小于10ppm)不敏感、测试时间长等缺点，并不利于实际应用。因此需要制备一些新的氨气传感器，以满足工业生产的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法，制备的氨气传感器在室温下对不同浓度的氨气均具有较好的响应，对低浓度氨气(小于10ppm)的敏感度高，对氨气的检测下限达到了1ppm，且检测范围宽，同时具有响应时间短、稳定性高和气体选择性好的特点，适合在室温下对氨气进行高灵敏的检测，且制备的氨气传感器柔性好、工作温度低，可结合可穿戴设备应用于人体周围环境氨气检测和人体呼吸气体检测，从而对人体健康状况进行预警。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备一柔性基底，先后采用乙醇和丙酮对该柔性基底进行超声清洗，超声清理时间为10～30分钟，之后在80～200℃温度下热处理10～100分钟；
(2)在柔性基底上丝网印刷或者喷墨打印导电银墨水，之后在40～200℃温度下热处理10～200分钟，在柔性基底上制备得到银叉指电极；
(3)取质量浓度为0.1～20％的PEDOT:PSS水溶液，添加表面活性剂超声震荡5～30分钟，制备得到PEDOT:PSS前驱墨水；
(4)在叉指电极上喷墨打印PEDOT:PSS前驱墨水，之后在40～100℃温度下热处理5～60分钟，在叉指电极上沉积得到氨气敏感材料层；
(5)取质量浓度为0.01～20％的氯化铁水溶液，添加表面活性剂超声震荡5～30分钟，再将配制好的溶液喷墨打印于氨气敏感材料层上，之后在40～100℃温度下热处理10～60分钟，在氨气敏感材料层上沉积得到掺杂材料，即完成PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备。
作为优选，所述的柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯中的一种。
作为优选，所述的导电银墨水为导电银颗粒墨水或导电纳米银线墨水，可以采用市售产品。
作为优选，步骤(3)和步骤(5)中所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和吐温20中的一种。表面活性剂用于调节PEDOT:PSS前驱墨水和氯化铁水溶液的表面张力，使其满足喷墨打印要求。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明将PEDOT:PSS制备为适合普通喷墨打印机打印的墨水形式，通过喷墨打印方式，在叉指电极上沉积氨气敏感材料层，同时在氨气敏感材料层上喷墨打印氯化铁水溶液，沉积得到掺杂材料；通过喷墨打印方法可方便地控制沉积的氨气敏感材料层的厚度、形状以及氯化铁的掺杂浓度，制备出具有较好性能的氨气传感器，且喷墨打印方式可按需沉积，能够有效减少原料的浪费，降低传感器的制作成本，同时有利于传感器的大规模制造，便于工业化生产；
2、本发明在氨气敏感材料层上掺杂氯化铁，该掺杂材料可极大地提高传感器的灵敏度、缩短响应时间、提高测试限度；
3、本发明制备工艺简单、生产成本低，制备的氨气传感器，其性能相对于传统的氨气传感器，得到大幅度的提高；在室温下，该传感器对不同浓度的氨气均具有较好的响应，对低浓度氨气(小于10ppm)的敏感度高，对氨气的检测下限达到了1ppm，且检测范围宽，同时具有响应时间短、稳定性高和气体选择性好的特点，适合在室温下对氨气进行高灵敏的检测，且制备的氨气传感器柔性好、工作温度低，可结合可穿戴设备应用于人体周围环境氨气检测和人体呼吸气体检测，从而对人体健康状况进行预警。
附图说明
图1为实施例1中氨气传感器的外观图；
图2为实施例2中氨气传感器暴露于不同浓度氨气氛围中的响应曲线；
图3为实施例2中氨气传感器暴露在不同气体氛围中的响应对比图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备一以聚酰亚胺透明薄膜制作的柔性基底，先后采用乙醇和丙酮对该柔性基底进行超声清洗，超声清理时间为15分钟，超声清洗之后，在恒温电鼓风干燥箱内以100℃干燥10分钟，备用；
(2)在柔性基底上利用丝印模版丝印导电银颗粒墨水，之后在恒温电鼓风干燥箱内以100℃热处理10分钟，在柔性基底上制备得到银叉指电极；
(3)配制质量浓度为0.1％的PEDOT:PSS水溶液，添加0.05％的吐温20作为表面活性剂，超声震荡30分钟，制备得到PEDOT:PSS前驱墨水；
(4)在叉指电极上喷墨打印PEDOT:PSS前驱墨水，之后在恒温电鼓风干燥箱内以40℃热处理15分钟，在叉指电极上沉积得到氨气敏感材料层；
(5)配制质量浓度为0.1％的氯化铁水溶液，添加0.5％的吐温20作为表面活性剂，超声震荡30分钟，再将配制好的溶液喷墨打印于氨气敏感材料层上，之后在恒温电鼓风干燥箱内以40℃热处理20分钟，在氨气敏感材料层上沉积得到掺杂材料，即完成实施例1的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备。实施例1制备的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的外观图见图1。图1中，1为柔性基底，2为叉指电极，3为氨气敏感材料层。
实施例2的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备一以聚对苯二甲酸乙二醇酯透明薄膜制作的柔性基底，先后采用乙醇和丙酮对该柔性基底进行超声清洗，超声清理时间为20分钟，超声清洗之后，在恒温电鼓风干燥箱内以120℃干燥20分钟，备用；
(2)在柔性基底上利用喷墨打印机打印导电纳米银线墨水，之后在恒温电鼓风干燥箱内以150℃热处理15分钟，在柔性基底上制备得到银叉指电极；
(3)配制质量浓度为2％的PEDOT:PSS水溶液，添加0.5％的十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂，超声震荡60分钟，制备得到PEDOT:PSS前驱墨水；
(4)在叉指电极上喷墨打印PEDOT:PSS前驱墨水，之后在恒温电鼓风干燥箱内以60℃热处理20分钟，在叉指电极上沉积得到氨气敏感材料层；
(5)配制质量浓度为1％的氯化铁水溶液，添加0.5％的十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂，超声震荡60分钟，再将配制好的溶液喷墨打印于氨气敏感材料层上，之后在恒温电鼓风干燥箱内以50℃热处理20分钟，在氨气敏感材料层上沉积得到掺杂材料，即完成实施例2的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备。实施例2制备的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的外观图可参见图1。
实施例2制备的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器在室温下暴露于不同浓度氨气氛围中的响应曲线见图2，暴露在不同气体氛围中的响应对比图见图3。从图2可见，该传感器对不同浓度的氨气均具有较好的响应，在10ppm氨气的响应为30％，在1ppm氨气的响应为15％，对低浓度氨气(小于10ppm)的敏感度高，检测范围宽，性能明显优于传统的氨气传感器。从图3可见，该传感器对氨气具有明显的气体选择性。

Claims (4)

1.一种PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）准备一柔性基底，先后采用乙醇和丙酮对该柔性基底进行超声清洗，超声清理时间为10～30分钟，之后在80～200℃温度下热处理10～100分钟；
（2）在柔性基底上丝网印刷或者喷墨打印导电银墨水，之后在40～200℃温度下热处理10～200分钟，在柔性基底上制备得到银叉指电极；
（3）取质量浓度为0.1～20%的PEDOT:PSS水溶液，添加表面活性剂超声震荡5～30分钟，制备得到PEDOT:PSS前驱墨水；
（4）在叉指电极上喷墨打印PEDOT:PSS前驱墨水，之后在40～100℃温度下热处理5～60分钟，在叉指电极上沉积得到氨气敏感材料层；
（5）取质量浓度为0.01～20%的氯化铁水溶液，添加表面活性剂超声震荡5～30分钟，再将配制好的溶液喷墨打印于氨气敏感材料层上，之后在40～100℃温度下热处理10～60分钟，在氨气敏感材料层上沉积得到掺杂材料，即完成PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备。
2.根据权利要求1所述的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述的柔性基底为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯中的一种。
3.根据权利要求1所述的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法，其特征在于，所述的导电银墨水为导电银颗粒墨水或导电纳米银线墨水。
4.根据权利要求1所述的PEDOT:PSS基柔性氨气传感器的制备方法，其特征在于，步骤（3）和步骤（5）中所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和吐温20中的一种。
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