聚吡咯及其納米復(fù)合敏感材料的制備及氣濕敏特性研究.pdf

1、本文設(shè)計(jì)和制備了三個系列八種具有室溫響應(yīng)特性的高分子及其納米復(fù)合敏感材料和敏感元件。氣敏材料包括氣相聚合法制備的聚吡咯及其與金屬納米粒子、碳納米管的二元和三元復(fù)合物，軟模板法制備的聚吡咯納米粒子和聚吡咯納米纖維；濕敏材料包括交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)/聚吡咯及交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)/碳黑納米粒子復(fù)合物。采用TEM、SEM、AFM、FT-IR、UV-vis、XRD、TGA和循環(huán)伏安法等手段表征了材料組成、結(jié)構(gòu)形貌和電化學(xué)性能。

2、研究了氣敏材料對氨氣等氣體的室溫響應(yīng)特性，以及濕敏材料對濕度的室溫響應(yīng)特性。討論了敏感材料組成、結(jié)構(gòu)形貌及制備條件等因素對其響應(yīng)性能的影響。探討了敏感材料的響應(yīng)機(jī)理。
　　 采用氣相聚合法制備了聚苯乙烯磺酸摻雜聚吡咯(PPy-PSSA)及其與鈀納米粒子復(fù)合氣敏材料(PPy/Pd)。研究了聚合時間、聚合溫度、反應(yīng)物濃度和比例，以及添加劑等制備條件對材料氣敏性能的影響。發(fā)現(xiàn)在聚吡咯中引入鈀納米粒子能明顯提高其對氨氣響應(yīng)靈敏度。PPy

3、/Pd對50-2000ppm氨氣的響應(yīng)靈敏度達(dá)到13.1-58.9％，約為單一聚吡咯的2倍。PPy/Pd對1000ppm氨氣的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為14s和148s，表現(xiàn)出快速響應(yīng)和恢復(fù)。復(fù)合物氣敏性能受鈀納米粒子尺寸和敏感膜形貌等因素影響。討論了PPy-PSSA及其與鈀納米粒子復(fù)合物的氣敏機(jī)理，提出鈀納米粒子可能促進(jìn)氨氣分子與聚吡咯之間的電荷轉(zhuǎn)移。
　　 采用氮氧自由基調(diào)控活性自由基聚合法，結(jié)合原位還原金屬鹽法制備了聚苯乙烯

4、磺酸鈉接枝碳納米管(PSS-CNT)及其與鈀納米粒子復(fù)合物(PSS-CNT/Pd)。采用氣相聚合法制備了聚吡咯/PSS-CNI、(PPy/PSS-CNT。)和聚吡咯/PSS-CNT/鈀納米粒子復(fù)合氣敏材料(PPy/PSS-CNT/Pd)。研究了聚合溫度、聚合時間，氧化劑濃度以及碳納米管、鈀納米粒子含量等因素對復(fù)合材料氣敏性能的影響。發(fā)現(xiàn)PPy/PSS-CNT對氨氣響應(yīng)靈敏度高于聚吡咯與聚苯乙烯磺酸鈉復(fù)合物(PPy/PSS)和PSS-CN

5、T。復(fù)合鈀納米粒子后，其對氨氣響應(yīng)靈敏度提高，響應(yīng)及恢復(fù)速度加快。PPy/PSS-CNT/Pd對5ppm氨氣響應(yīng)靈敏度達(dá)到6.2％，對5.20ppm和20-100ppm氨氣均表現(xiàn)出線性響應(yīng)。PPy/PSS-CNT/Pd對氨氣響應(yīng)具有好的重復(fù)性和可逆性，且相對于有機(jī)蒸汽，具有好的選擇性。討論了PPy/PSS-CNT和PPy/PSS-CNT/Pd的氣敏機(jī)理。提出在PPy/PSS-CNT中，碳納米管與聚吡咯作用促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移，提高對氨氣響應(yīng)靈敏

6、度；在PPy/PSS-CNT/Pd中，鈀納米粒子、碳納米管和聚吡咯間可能存在協(xié)同作用，促進(jìn)對氨氣響應(yīng)靈敏度的提高。
　　 采用聚苯乙烯磺酸分子鏈為軟模板制備了具有良好水分散性的聚吡咯納米粒子氣敏材料(PPy-NPs)。研究了聚合溫度、摻雜劑濃度和氧化劑濃度等制備條件對其氣敏性能的影響。PPy-NPs對1ppm氨氣響應(yīng)靈敏度高達(dá)2.5％，可實(shí)現(xiàn)對ppb級氨氣檢測。PPy-NPs對氨氣具有快速響應(yīng)及恢復(fù)(對1000ppm氨氣響應(yīng)時間

7、和恢復(fù)時間分別為16s和118s)，具有好的響應(yīng)可逆性和重復(fù)性，且相對于有機(jī)蒸汽，具有很好的響應(yīng)選擇性。
　　 采用甲基橙與FeCl3形成的纖維狀復(fù)合物為軟模板制備了聚吡咯納米纖維氣敏材料(PPy-NFs)。研究了結(jié)構(gòu)形貌對其氣敏性能的影響。發(fā)現(xiàn)納米纖維結(jié)構(gòu)聚吡咯對氨氣響應(yīng)靈敏度大于顆粒結(jié)構(gòu)聚吡咯。研究了過硫酸銨溶液浸泡、熱老化等后處理過程對PPy-NPs氣敏性能的影響。發(fā)現(xiàn)后處理過程可改變PPy-NPs的表面形貌，從而影響其氣

8、敏性能。
　　 采用氣相聚合法制備了交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)/聚吡咯復(fù)合濕敏材料(QC-P4VP/PPy)。采用氮氧自由基調(diào)控活性自由基聚合法，制備了交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)/碳黑納米粒子復(fù)合濕敏材料(QC-P4VP/CB)。研究了復(fù)合物組成、結(jié)構(gòu)形貌對其濕敏特性的影響。發(fā)現(xiàn)交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)與具有本征導(dǎo)電性的聚吡咯或碳黑納米粒子復(fù)合，可顯著減小低濕電阻，實(shí)現(xiàn)對低濕環(huán)境濕度(<10％RH)的檢測。QC-P