CN111678881B - 一种基于石墨烯红外发射单元的空气污染物检测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于石墨烯红外发射单元的空气污染物检测仪，利用多红外发射涂层中石墨烯微球的褶皱形结构，在高分子的凝聚结合作用下，在石墨烯层的热生成作用下，在绝缘铝硅化合物的绝缘作用下，在小分子高辐射无机粒子的配合下，实现多红外辐射；通过探测单元接收从红外发射单元发出，经过滤光片过滤后通过待测气体的红外光，实现对空气污染物的检测；并且本发明的气体检测装置可更换滤光片，用于检测各类气体，操作简单、价格低廉。

Description

一种基于石墨烯红外发射单元的空气污染物检测仪
技术领域
本发明属于纳米新材料技术领域，具体地涉及一种基于石墨烯红外发射单元的空气污染物检测仪。
背景技术
大气污染所产生的SO2、NO等有毒气体都会对人类的身体健康造成危害。目前国内检测空气质量的方法以实验室化学分析法为主，缺点是检测周期长且操作不方便，设备体积庞大，价格昂贵等。现场检测仪主要采用电化学传感器检测原理，检测精度不高、易受环境影响。
目前，市面上已有基于红外技术的多组分气体检测仪，但是检测仪中常用的红外发射器体积小，发射的红外光辐射范围小、光强度低，不适于大面积探测气体。另外，由于辐射范围小，使得红外探测器难以探测到发射器发出的红外光，降低了检测效率。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种基于石墨烯红外发射单元的空气污染物检测仪，该检测仪通过多红外发射涂层实现高效光电转换，利用聚铝硅酸盐层的隔热作用，利用石墨烯电热层、碳化硅层以及穿插于碳化硅层和可石墨化高分子层的石墨烯微球形成的褶皱形结构提高了热转换、热传导、散热以及间接辐射的辐射效率和辐射功率，使得红外发射单元的红外辐射率超过98％，辐射波长在2-20um范围内，电热转换效果达到70％以上，从而广泛适用于检测各种红外特征吸收波段的空气污染物。
本发明的另一个目的在于提供一种基于石墨烯红外发射单元的空气污染物检测仪，选取气体中待检测污染物之后，通过调整滤光片使辐射波长固定在待测污染物的红外特征吸收波段；无污染物时，红外辐射直接被探测单元探测到，得到稳定的光电流信号；当有污染物出现时，红外辐射被部分吸收，探测单元探测到的红外光强度减弱，光电流信号减弱；通过设定参比污染物浓度，可以得出空气污染物的精确浓度。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于石墨烯红外发射单元的空气污染物检测仪，包括红外发射单元、探测单元以及设置在所述红外发射单元表面的滤光片，所述红外发射单元至少包括依次设置的聚铝硅酸盐层、石墨烯电热层、碳化硅层和可石墨化高分子层，以及穿插于所述碳化硅层和可石墨化高分子层的石墨烯微球。石墨烯电热层与电源相连，所述红外发射单元将电能转换成热能，并将热量以红外向外辐射，所述红外滤光片将所辐射的红外光进行过滤，以通过特定波段的红外光；石墨烯微球尺寸为2～5um，碳化硅层和可石墨化高分子层的总厚度不超过石墨烯微球尺寸的1/4。
本发明采用喷雾处理方式获得石墨烯微球，使得微球壁厚少于5个原子层，少层石墨烯的结构使得石墨烯微球的导热性能维持了石墨烯的性质，其内部石墨烯片层受垂直方向束缚力小，垂直方向低频声子数相对于石墨急剧增加，极大的加强了石墨烯微球的导热，使得其可以快速将底层热量传导到整个石墨烯微球，并在垂直方向和空气快速作用，加强热辐射和热传导效率。
进一步地，所述探测单元探测红外光，当含有污染气体时，相应波段的红外光被污染气体吸收而强度减弱，从而实现污染气体的检测。
进一步地，所述检测仪还包括一用于收集待测气体的腔体，所述腔体内至少滤除对应于所述滤光片允许通过波段的红外光，使之不受环境光影响，可以更为精确的检测。
进一步地，所述红外发射单元和探测单元分别设置于腔体相对的两侧。
进一步地，所述滤光片波段在4.5-4.7μm时，用于检测气体中CO含量；滤光片在4.5-4.7μm的透过率至少在50％以上，其余波段的截止率在90％以上。
进一步地，所述滤光片波段在5.2-5.3μm时，用于检测气体中NO含量；滤光片在5.2-5.3μm的透过率至少在50％以上，其余波段的截止率在90％以上。
进一步地，所述滤光片波段在7.2-7.3μm时，用于检测气体中SO2含量。滤光片在7.2-7.3μ的透过率至少在50％以上，其余波段的截止率在90％以上。
进一步地，所述检测仪设计有两用插座或内置有电源模块。
进一步地，所述的检测仪内嵌存储芯片，能够对异常情况发生时的数据进行保存。
进一步地，所述可石墨化高分子层由可石墨化高分子构成，所述可石墨化高分子选自分子量为3000-30000的聚酰亚胺、沥青、或聚丙烯腈；所述聚铝硅酸盐层为长石(K2O·Al2O3·6SiO2)层、云母(K2O·2Al2O3·6SiO2·2H2O)层、高岭土(Al2O3·2SiO2·22H2O)层、沸石(Na2O·Al2O3·3SiO2·22H2O)层、石榴石(3CaO·Al2O3·3SiO2)层；所述石墨烯微球是由浓度为0.1mg/mL-1mg/mL的氧化石墨烯溶液喷雾而成，并经过化学还原和2800摄氏度高温处理制备得到，所述石墨烯微球的ID/IG值在0.001以下，且其尺度为2～5μm，壁厚小于4个原子层。进一步地，所述红外发射单元是将多红外发射涂料在一基底上表面经离心喷涂、紫外固化后，进行加热定型后得到，所述离心的离心力范围为4000-12000rcf；所述紫外固化的温度为80-150℃，时间为1-6h；所述红外发射涂料的原料按重量份计包括：1重量份石墨烯微球、100-1000重量份机械剥离石墨烯、0.02-0.12重量份可石墨化高分子低聚物、1-4重量份聚铝硅酸盐、0.5-2重量份超支化碳硅烷以及0.01-0.1份过氧化物交联剂。所述超支化碳硅烷的分子量小于10000，支化度为1.1-2。所述可石墨化高分子低聚物的种类选自聚酰亚胺、沥青、聚丙烯腈等，分子量为4000-12000。所述过氧化物交联剂包括但不限于：过氧化二异丙苯、过氧化甲乙酮、过氧化苯甲酸、2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷；聚铝硅酸盐选自长石(K2O·Al2O3·6SiO2)、云母(K2O·2Al2O3·6SiO2·2H2O)、高岭土(Al2O3·2SiO2·22H2O)、沸石(Na2O·Al2O3·3SiO2·22H2O)、石榴石(3CaO·Al2O3·3SiO2)。
进一步地，所述加热定型的具体方法为：
升温到300℃，升温速度小于3℃/min，300℃保温2-4h；
升温到500℃，升温速度小于3℃/min，500℃保持1-2h；
快速升温到1600℃，升温速度大于100℃/min，1600℃保持1s-1min。
本发明的有益效果在于：本发明通过合理调控石墨烯微球和其他辅料的比例，实现了多级多维度辐射加热结构的结合。聚铝硅酸盐层一方面起到隔热作用，另一方面反射红外光，使得材料热量单向输出。石墨烯层起到热生成的作用；碳化硅一方面将热量从石墨烯层输出到外层，另一方面向外高速辐射红外；聚合物层起到铆钉作用，固定碳化硅层和石墨烯微球层；石墨烯微球贯穿聚合物层、碳化硅层并接触到石墨烯层，一方面将热从石墨烯层引导而出，均匀散布于整个石墨烯球上，另一方面吸收周边热量并最终以红外辐射的形式逸散而出，最终起到增强红外辐射的作用。该涂层实现高能源转化效率超过80％，辐射率高达99％。高能源转换效率以及辐射率，提高了整体以及具体波段的辐射强度和红外光有效辐射范围，一方面提高探测器的准确性，降低外界环境的感染；另一方面，全波段强度提高的同时，扩展了可用波长，进而提高可检测气体种类，包括CO、SO2、NO等在内的多种气体。再有，简单低成本的制备方法很容易实现涂料的大面积制备，大面积的红外发射器可以进行器件加工和组成，进而可以同时在线检测多种气体。再有，石墨烯红外发射层涂料的性质以及可控的面积使得其可以更加灵活的应用在各种复杂多样的场合，极大扩展涂料的应用范围。
另外，高温修复过的石墨烯微球等材料具有极好的空气耐氧性，可以在500摄氏度以内全功率长时间工作，因而具有良好的检测稳定性。
本发明利用离心喷涂的方式，根据材料密度不同实现了涂层材料的层层定向组装，操作简单，工业化程度高；涂层结合紧密，热界面少，热量传递通畅。
附图说明
图1为空气污染物检测仪的内部结构示意图。
具体实施方式
实施例1
(1)将浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯溶液在200℃下进行喷雾处理，并经过HI在80℃下还原8h，制备得到石墨烯微球。经扫描电镜检测证明最终获得石墨烯微球，经拉曼检测，该石墨烯微球的ID/IG值为1.1，且其尺度为2μm，石墨烯微球壁厚为2个原子层。
(2)取上述1重量份石墨烯微球和100重量份机械剥离石墨烯、0.02重量份分子量为4000的聚酰亚胺、4重量份长石纳米粉、0.5重量份分子量为9800、支化度为1.1的超支化碳硅烷以及0.1重量份过氧化二异丙苯混合均匀，得到混合涂料。
(3)将步骤(2)获得的混合涂料离心喷涂成4*4cm涂层，设置离心的离心力为4000rcf，并经紫外固化，紫外固化的温度为80℃，时间为1h。固化后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、交联碳硅烷烃、聚酰亚胺，这是因为不同密度材料在离心力的作用下，发生均匀的分层。虽然褶皱石墨烯微球密度相对较小，但是它的褶皱形态决定了其基底接触面积小，因此在离心喷涂过程中，其所在位置压强相对较大，因此可以插入到相对高密度材料中间。
(4)随后采用微波加热定型工艺:在300℃下，升温速度为2.5℃/min，300℃保温2h；然后升温到500℃，升温速度为2.5℃/min，控温保持1h；然后升温到1600℃，升温速度为150℃/min，控温保持1s，得到多红外发射涂层。烧结后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、碳化硅、碳化聚酰亚胺，与步骤3的结构一致，这是因为烧结过程中，易分解物质挥发，难分解物质仍然固定在原本的层状结构当中，烧结过程不改变物理结构。
(5)构造一个容积为1000cm3的黑暗腔体，在腔体一侧，从外向内依次安装有上述步骤3-4所得的多红外发射涂层和待测波段的滤光片；其中多红外发射涂层的石墨烯电热层通过导线与电源相连，构成红外发射单元，滤光片可通过腔体上壁设有的卡槽插入；在腔体相对另一侧，从内向外依次安装有红外接收器、数据处理模块、电源模块；红外接收器与数据处理模块相连，数据处理模块与液晶显示器相连，液晶显示器安装于腔体外表面；红外发射单元发出的红外光经滤光片过滤后通过待测气体最终被探测单元接收，红外接收器探测红外光并将光信号转换成光电流信号输入到数据处理模块，数据处理模块将将电流信号传输至显示器并显示。
图1为该基于石墨烯红外发射单元的空气污染物检测仪的结构示意图，1为多红外发射涂层，2为滤光片，3为气室，4为红外接收器，5为数据处理模块，6为电源模块，7为进气孔，8为出气孔、9为液晶显示器。
滤光片根据需要检测的气体进行设置，滤光片波段在4.5-4.7μm时，用于检测气体中CO含量；滤光片波段在5.2-5.3μm时，用于检测气体中NO含量；滤光片波段在7.2-7.3μm时，用于检测气体中SO2含量；滤光片在待检测波段的透过率至少在50％以上，其余波段的截止率在90％以上。
(6)以浓度分别为5mg/m3、0.1mg/m3、0.2mg/m3的CO、NO、SO2气体作为参比污染物，分别将上述气体通入腔体，接通电源进行检测，设定参比污染物浓度；按表1往腔体内依次通入待测气体和更换相应波段的滤光片，接通电源进行污染物检测。
表1不同污染物的实际浓度与检测浓度
测试气体 <![CDATA[检测实际浓度(mg/m<sup>3</sup>)]]> 滤光片波段(μm) <![CDATA[检测浓度(mg/m<sup>3</sup>)]]>
CO 10 4.5-4.7μm 10.12
CO 20 4.5-4.7μm 19.95
CO 30 4.5-4.7μm 30.07
NO 0.15 5.2-5.3μm 0.14
NO 0.3 5.2-5.3μm 0.33
NO 0.45 5.2-5.3μm 0.44
SO2 0.5 7.2-7.3μm 0.49
SO2 1 7.2-7.3μm 1.04
SO2 1.5 7.2-7.3μm 1.45
从表1可知，检测仪检测到的污染物浓度与气体真实浓度值相差较小，本发明的检测仪准确度高。
实施例2
(1)将浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯溶液在200℃下进行喷雾处理，并经过HI在80℃下还原8h，经过2800摄氏度高温热处理，制备得到无缺陷石墨烯微球。经扫描电镜检测证明最终获得石墨烯微球，经拉曼检测，该石墨烯微球的ID/IG值为0，且其尺度为2μm，石墨烯微球壁厚为2个原子层。
(2)取上述1重量份石墨烯微球和100重量份机械剥离石墨烯、0.02重量份分子量为2000的聚酰亚胺、4重量份长石纳米粉、0.5重量份分子量为9800、支化度为1.1的超支化碳硅烷以及0.1重量份过氧化二异丙苯混合均匀，得到混合涂料。
(3)将步骤(2)获得的混合涂料离心喷涂成4*4cm涂层，设置离心的离心力为4000rcf，并经紫外固化，紫外固化的温度为80℃，时间为1h。固化后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、交联碳硅烷烃、聚酰亚胺，这是因为不同密度材料在离心力的作用下，发生均匀的分层。虽然褶皱石墨烯微球密度相对较小，但是它的褶皱形态决定了其基底接触面积小，因此在离心喷涂过程中，其所在位置压强相对较大，因此可以插入到相对高密度材料中间。
(4)随后采用微波加热定型工艺：在300℃下，升温速度为2.5℃/min，300℃保温2h；然后升温到500℃，升温速度为2.5℃/min，控温保持1h；然后升温到1600℃，升温速度为150℃/min，控温保持1min，得到多红外发射涂层。烧结后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、碳化硅、碳化聚酰亚胺，与步骤3的结构一致，这是因为烧结过程中，易分解物质挥发，难分解物质仍然固定在原本的层状结构当中，烧结过程不改变物理结构。
(5)将上述步骤3-4所得的多红外发射涂层的石墨烯电热层通过导线与电源相连，构成红外发射单元；在多红外发射涂层前侧设置5.2-5.3μm段的滤光片，其中滤光片在各待检测波段的透过率至少在50％以上，其余波段的截止率在90％以上；将红外接收器与数据处理模块相连，数据处理模块与液晶显示器相连，构成探测单元；红外接收器探测红外光并将光信号转换成光电流信号输入到数据处理模块，数据处理模块将电流信号传输至显示器并显示；
将红外发射单元与探测单元相隔2m放置在一55平米，高2.8米的房间(自然采光，采光面积12平米)中，使红外发射单元发出的红外光能够经滤光片过滤后通过空气最终被探测单元接收；将两个单元接通电源进行检测。
然后以154mg/mL流量向该房间中注入NO，探测器在不同时间段输出的浓度如下表2所示，因为逸散需要时间，所以检测浓度存在少许的滞后性：
表2：空气中NO的检测浓度
时间(min) <![CDATA[实际注入浓度(mg/m<sup>3</sup>)]]> <![CDATA[检测浓度(mg/m<sup>3</sup>)]]>
0 0 0
1 1 0.91
2 2 1.87
5 5 4.5
10 10 9.3
15 15 14.1
实施例3
(1)将浓度为1mg/mL氧化石墨烯溶液在180℃下进行喷雾处理，并经过HI在100℃下还原2h，制备得到石墨烯微球。经SEM检测证明最终获得球形高褶皱石墨烯，经拉曼检测，该石墨烯微球的ID/IG值为0.8，且其尺度为3μm,石墨烯微球壁厚为4个原子层。
(2)取上述1重量份石墨烯微球和300重量份机械剥离石墨烯、0.12重量份分子量为10000的沥青、1重量份云母纳米粉、2重量份分子量为8000、支化度为2的超支化碳硅烷以及0.1重量份过氧化苯甲酸混合均匀，得到混合涂料。
(3)将步骤(2)获得的混合涂料经离心喷涂成4*4cm涂层，设置离心的离心力为10000rcf，并经紫外固化，紫外固化的温度为120℃，时间为3h。固化后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、交联碳硅烷烃、聚酰亚胺，这是因为不同密度材料在离心力的作用下，发生均匀的分层。
(4)随后采用高温加热定型工艺：在0-300℃下，升温速度为2℃/min，300℃保温2.5h；然后升温到500℃，升温速度为2℃/min，控温保持1.2h；然后升温到1600℃，升温速度为200℃/min，控温保持0.2min，得到多红外发射涂层。烧结后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、碳化硅、碳化聚酰亚胺，与步骤3的结构一致，这是因为烧结过程中，易分解物质挥发，难分解物质仍然固定在原本的层状结构当中，烧结过程不改变物理结构。
(5)构造一个容积为900cm3的腔体，在黑暗腔体一侧，从外向内依次安装有述步骤3-4所得的多红外发射涂层和滤光片，其中多红外发射涂层的石墨烯电热层通过导线与电源相连，滤光片可以通过腔体上壁设有的卡槽插入；在腔体相对另一侧，从内向外依次安装有红外接收器、数据处理模块、电源模块；红外接收器与数据处理模块相连，数据处理模块与液晶显示器相连，液晶显示器安装于腔体外表面；红外接收器探测红外光并将光信号转换成光电流信号输入到数据处理模块，数据处理模块将电流信号传输至显示器并显示。
滤光片波段设置在4.5-4.7μm，用于检测气体中CO含量；其中滤光片在4.5-4.7μm波段的透过率至少在50％以上，其余波段的截止率在90％以上。
(6)以浓度为5mg/m3的CO气体作为参比污染物，将上述气体通入腔体，接通电源进行检测，设定参比污染物浓度；往腔体内通入15mg/m3的CO气体，接通电源进行气体污染物检测，经检测，气体浓度为14.9mg/m3。
实施例4
(1)将浓度为0.1mg/mL的氧化石墨烯在220℃下进行喷雾处理，并经过HI在90℃下还原4h，制备得到石墨烯微球。经SEM检测证明最终获得多褶皱石墨烯微球，经拉曼检测，该石墨烯微球的ID/IG值为0.8，且其尺度为2μm,石墨烯微球壁厚为3个原子层。
(2)取上述1重量份石墨烯微球和500重量份机械剥离石墨烯、0.1重量份分子量为10000的聚丙烯腈、2重量份高岭土纳米粉、1重量份分子量为8000、支化度为1.6的超支化碳硅烷以及0.05重量份2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷混合均匀，得到混合涂料。
(3)将步骤(2)获得的混合涂料经离心喷涂成4*4cm涂层，设置离心的离心力为8000rcf，并经紫外固化，紫外固化的温度为120℃，时间为2h。固化后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、交联碳硅烷烃、聚酰亚胺，这是因为不同密度材料在离心力的作用下，发生均匀的分层。
(4)随后采用高温加热定型工艺：在300℃下，升温速度为2℃/min，升温到300℃。控制保温3h；然后升温到500℃，升温速度为2℃/min，控温保持1.4h；然后升温到1600℃，升温速度为250℃/min，控温保持0.4min，得到多红外发射涂层。烧结后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、碳化硅、碳化聚酰亚胺，与步骤3的结构一致，这是因为烧结过程中，易分解物质挥发，难分解物质仍然固定在原本的层状结构当中，烧结过程不改变物理结构。
(5)构造一个容积为1000cm3的腔体，在腔体一侧，从外向内依次安装有上述步骤3-4所得的多红外发射涂层和滤光片，其中多红外发射涂层的石墨烯电热层通过导线与电源相连，滤光片可以通过腔体上壁设有的卡槽插入；在腔体相对另一侧，从内向外依次安装有红外接收器、数据处理模块、电源模块；红外接收器与数据处理模块相连，数据处理模块与液晶显示器相连，液晶显示器安装于腔体外表面；红外接收器探测红外光并将光信号转换成光电流信号输入到数据处理模块，数据处理模块将将电流信号传输至显示器并显示。
滤光片波段设置在5.2-5.3μm，用于检测气体中NO含量；其中滤光片在5.2-5.3μm波段的透过率至少在50％以上，其余波段的截止率在90％以上。
(6)以浓度为0.1mg/m3的NO气体作为参比污染物，将上述气体通入腔体，接通电源进行检测，设定参比污染物浓度；往腔体内通入0.2mg/m3NO气体，接通电源进行污染物检测；经检测，液晶显示屏显示气体浓度为0.19mg/m3。
实施例5
(1)将浓度为0.4mg/mL的氧化石墨烯在300℃下进行喷雾处理，并经过HI在90℃下还原5h，制备得到石墨烯微球。经SEM检测证明最终获得多褶皱石墨烯微球，经拉曼检测，该石墨烯微球的ID/IG值为0.85，且其尺度为2μm,石墨烯微球壁厚为3-4个原子层。
(2)取上述1重量份石墨烯微球和1000重量份机械剥离石墨烯、0.08重量份分子量为12000的聚丙烯腈、1重量份石榴石纳米粉、2重量份分子量为8000、支化度为1.8的超支化碳硅烷以及0.006重量份过氧化甲乙酮混合均匀，得到混合涂料。
(3)将步骤(2)获得的混合涂料经离心喷涂成4*4cm涂层，设置离心的离心力为12000rcf，并经紫外固化，紫外固化的温度为150℃，时间为6h。固化后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、交联碳硅烷烃、聚酰亚胺，这是因为不同密度材料在离心力的作用下，发生均匀的分层。
(4)随后采用高温加热定型工艺：在300℃下，升温速度为1℃/min，控制保温4h；然后升温到500℃，升温速度为1℃/min，控温保持2h；然后升温到1600℃，升温速度为500℃/min，控温保持1min，得到多红外发射涂层。烧结后的结构经扫描电镜观察到层层组装的四层结构，其中石墨烯微球贯穿上方两层结构。经EDS分析，四层结构依次为聚铝硅盐、石墨烯、碳化硅、碳化聚酰亚胺，与步骤3的结构一致，这是因为烧结过程中，易分解物质挥发，难分解物质仍然固定在原本的层状结构当中，烧结过程不改变物理结构。
(5)构造一个容积为800cm3的黑暗腔体，在腔体一侧，从外向内依次安装有上述步骤3-4所得的多红外发射涂层和滤光片，其中多红外发射涂层的石墨烯电热层通过导线与电源相连，滤光片可以通过腔体上壁设有的卡槽插入；在腔体相对另一侧，从内向外依次安装有红外接收器、数据处理模块、电源模块；红外接收器与数据处理模块相连，数据处理模块与液晶显示器相连，液晶显示器安装于腔体外表面；红外接收器探测红外光并将光信号转换成光电流信号输入到数据处理模块，数据处理模块将将电流信号传输至显示器并显示。
滤光片波段设置在7.2-7.3μm，用于检测气体中SO2含量；其中滤光片在7.2-7.3μm波段的透过率至少在50％以上，其余波段的截止率在90％以上。
(6)以浓度为0.2mg/m3的SO2气体作为参比污染物，将上述气体通入腔体，接通电源进行检测，设定参比污染物浓度；往腔体内通入浓度为1.2mg/m3的SO2气体，接通电源进行污染物检测；经检测，液晶显示屏显示气体浓度为1.2mg/m3。
对比例1
(1)取1000重量份机械剥离石墨烯、0.1重量份分子量为10000的聚丙烯腈、2重量份高岭土纳米粉、1重量份分子量为8000、支化度为1.6的超支化碳硅烷以及0.05重量份2,5-二甲基-2,5双(叔丁基过氧基)己烷混合均匀，得到混合涂料。
(2)将步骤(1)获得的混合涂料经离心喷涂成4*4cm涂层，设置离心的离心力为12000rcf，并经紫外固化，紫外固化的温度为150℃，时间为6h。
(3)随后采用高温加热定型工艺：在300℃下，升温速度为1℃/min，控制保温4h；然后升温到500℃，升温速度为1℃/min，控温保持2h；然后升温到1600℃，升温速度为500℃/min，控温保持1min，得到多红外发射涂层。
上述方法制备得到的多红外发射涂层的结构具体为：从下到上依次为：聚铝硅酸盐层、石墨烯发热层、碳化硅层、聚合物层；其中聚铝硅酸盐层作为隔热层；石墨烯层起到热生成的作用；碳化硅层是主要的辐射层，粗糙的表面加上高辐射率(95％)，极大的提高了辐射加热效率；聚合物层作为上层用于链接碳化硅和气体界面；最终形成多红外发射涂层。
(4)构造一个容积为800cm3的黑暗腔体，在腔体一侧，从外向内依次安装有上述步骤2-3所得的多红外发射涂层和滤光片，其中多红外发射涂层的石墨烯电热层通过导线与电源相连，滤光片可以通过腔体上壁设有的卡槽插入；在腔体相对另一侧，从内向外依次安装有红外接收器、数据处理模块、电源模块；红外接收器与数据处理模块相连，数据处理模块与液晶显示器相连，液晶显示器安装于腔体外表面；红外接收器探测红外光并将光信号转换成光电流信号输入到数据处理模块，数据处理模块将将电流信号传输至显示器并显示。
滤光片波段设置在7.2-7.3μm，用于检测气体中SO2含量；其中滤光片在7.2-7.3μm波段的透过率至少在50％以上，其余波段的截止率在90％以上。
(5)以浓度为0.2mg/m3的SO2气体作为参比污染物，将上述气体通入腔体，接通电源进行检测，设定参比污染物浓度；往腔体内通入浓度为1.2mg/m3的SO2气体，接通电源进行污染物检测；经检测，液晶显示屏显示气体浓度为1.15mg/m3。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯红外发射单元的空气污染物检测仪，包括红外发射单元、探测单元以及设置在所述红外发射单元表面的滤光片，所述红外发射单元至少包括依次设置的聚铝硅酸盐层、石墨烯电热层、碳化硅层和可石墨化高分子层，以及穿插于所述碳化硅层和可石墨化高分子层的石墨烯微球，石墨烯电热层与电源相连，所述红外发射单元将电能转换成热能，并将热量以红外向外辐射，所述滤光片将所辐射的红外光进行过滤，以通过特定波段的红外光；石墨烯微球尺寸为 2～5um，碳化硅层和可石墨化高分子层的总厚度不超过石墨烯微球尺寸的1/4，微球壁厚少于5个原子层；
所述探测单元探测红外光，当含有污染气体时，相应波段的红外光被污染气体吸收而强度减弱，从而实现污染气体的检测。
2.根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于，还包括一用于收集待测气体的腔体，所述腔体内至少滤除对应于所述滤光片允许通过波段的红外光。
3.根据权利要求2所述的检测仪，其特征在于，所述红外发射单元和探测单元分别设置于腔体相对的两侧。
4.根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述滤光片波段在4.5-4.7μm时，用于检测气体中CO含量；滤光片在4.5-4.7μm的透过率至少在50%以上，其余波段的截止率在90%以上。
5.根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述滤光片波段在5.2-5.3μm时，用于检测气体中NO含量；滤光片在5.2-5.3μm的透过率至少在50%以上，其余波段的截止率在90%以上。
6.根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述滤光片波段在7.2-7.3μm时，用于检测气体中SO2含量，滤光片在7.2-7.3μm的透过率至少在50%以上，其余波段的截止率在90%以上。
7.根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述可石墨化高分子层由可石墨化高分子构成，所述可石墨化高分子选自分子量为3000-30000的聚酰亚胺、沥青或聚丙烯腈；所述聚铝硅酸盐层为长石层、云母层、高岭土层、沸石层或石榴石层；所述石墨烯微球是由浓度为0.1mg/mL-1 mg/mL的氧化石墨烯溶液喷雾而成，并经过化学还原和2800摄氏度高温处理制备得到，所述石墨烯微球的ID/IG值在0.001以下，且其尺度为2～5μm，壁厚小于4个原子层。
8.根据权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述红外发射单元是将多红外发射涂料在一基底上表面经离心喷涂、紫外固化后，进行加热定型后得到，所述离心的离心力范围为4000-12000rcf；所述紫外固化的温度为80-150℃，时间为1-6h；所述红外发射涂料的原料按重量份计包括：1重量份石墨烯微球、100-1000重量份机械剥离石墨烯、0.02-0.12重量份可石墨化高分子低聚物、1-4重量份聚铝硅酸盐、0.5-2重量份超支化碳硅烷以及0.01-0.1份过氧化物交联剂；所述超支化碳硅烷的分子量小于10000，支化度为1.1-2；所述可石墨化高分子低聚物的种类选自聚酰亚胺、沥青或聚丙烯腈，分子量为4000-12000；所述过氧化物交联剂包括：过氧化二异丙苯、过氧化甲乙酮、过氧化苯甲酸或2,5-二甲基-2,5双（叔丁基过氧基）己烷；聚铝硅酸盐选自长石、云母、高岭土、沸石或石榴石。
9.根据权利要求8所述的检测仪，其特征在于，加热定型的具体方法为：
升温到300℃，升温速度小于3℃/min，300℃保温2-4h；
升温到500℃，升温速度小于3℃/min，500℃保持1-2h；
快速升温到1600℃，升温速度大于100℃/min，1600℃保持1s-1min。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112048198A (zh) * 2020-08-19 2020-12-08 浙江工业大学 一种船舶散热涂料及其制备方法
CN112048199A (zh) * 2020-08-19 2020-12-08 浙江工业大学 一种电脑主板散热涂料及其制备方法
CN112048197A (zh) * 2020-08-19 2020-12-08 浙江工业大学 一种炉体均温辐射涂料及其制备方法
CN112048200A (zh) * 2020-08-19 2020-12-08 浙江工业大学 一种建筑墙体背阴面散热涂料及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104766902A (zh) * 2014-06-16 2015-07-08 南京大学 基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管
CN105368060A (zh) * 2015-12-15 2016-03-02 新华盛节能科技股份有限公司 有机硅发热层材料、红外辐射加热体及其制备方法
CN105722375A (zh) * 2016-01-29 2016-06-29 白德旭 一种石墨烯散热装置及其制备方法
CN106248221A (zh) * 2016-07-19 2016-12-21 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种基于石墨烯的非制冷红外探测器及原位制作方法
CN107787056A (zh) * 2017-10-18 2018-03-09 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种基于石墨烯的高红外发射电热膜及其制备方法
CN110146460A (zh) * 2019-03-19 2019-08-20 南京信息工程大学 一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19835335C1 (de) * 1998-08-05 1999-11-25 Draeger Sicherheitstech Gmbh Infrarotoptischer Gassensor
US10450650B2 (en) * 2015-09-24 2019-10-22 The United States of America as represented by the Admininstrator of the National Aeronautics and Space Administration Method of manufacturing large area graphene and graphene-based photonics devices

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104766902A (zh) * 2014-06-16 2015-07-08 南京大学 基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管
CN105368060A (zh) * 2015-12-15 2016-03-02 新华盛节能科技股份有限公司 有机硅发热层材料、红外辐射加热体及其制备方法
CN105722375A (zh) * 2016-01-29 2016-06-29 白德旭 一种石墨烯散热装置及其制备方法
CN106248221A (zh) * 2016-07-19 2016-12-21 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种基于石墨烯的非制冷红外探测器及原位制作方法
CN107787056A (zh) * 2017-10-18 2018-03-09 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种基于石墨烯的高红外发射电热膜及其制备方法
CN110146460A (zh) * 2019-03-19 2019-08-20 南京信息工程大学 一种带恒温控制功能的高灵敏多气体浓度检测系统及控制方法

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