甲基膦酸二甲酯質(zhì)量敏感型氣體傳感器的制備及特性研究.pdf

1、20世紀(jì)化學(xué)恐怖事件的屢次發(fā)生，引起了世界各國的廣泛關(guān)注，這也表明對能夠快速檢測化學(xué)戰(zhàn)劑的傳感器具有迫切需求，以保障民眾的安全。本文研究了“質(zhì)量敏感型壓電化學(xué)傳感器”這一廣泛應(yīng)用于化學(xué)戰(zhàn)劑檢測領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。重點(diǎn)研究了聚合物薄膜作為敏感材料的該類傳感器，深入研究了不同聚合物敏感材料的敏感特性，并進(jìn)一步將不同聚合物材料應(yīng)用于傳感器陣列，以改善單一傳感器在選擇性和穩(wěn)定性方面的性能，其主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 1．首次采用了聚偏氟乙

2、烯(PVDF)材料作為石英晶體微天平(QCM)傳感器敏感材料，用于檢測化學(xué)戰(zhàn)劑模擬劑甲基膦酸二甲酯(DMMP)，并詳細(xì)研究了該敏感材料在各種條件下的氣敏特性。在DMMP濃度為5～60ppm范圍內(nèi)，PVDF-QCM傳感器具有良好的線性相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)高于0.997)；且傳感器響應(yīng)值與環(huán)境溫度符合阿累尼烏斯(Arrhenius)方程負(fù)的溫度依賴關(guān)系；而環(huán)境濕度的變化不會影響PVDF-QCM傳感器的使用。同時(shí)對干擾氣體的檢測結(jié)果表明PVDF對

3、DMMP有良好的選擇性。將高度有序的LB成膜技術(shù)引入使用，成功制備了PVDF-QCM傳感器并研究了其對DMMP的敏感特性。 2．根據(jù)需要檢測的對象的不同性質(zhì)選取傳感器敏感薄膜，獲得了良好的敏感特性：(1)對甲基-3,3,3-三氟丙基聚硅氧烷(PMTFPS)進(jìn)行低溫氧等離子體改性，并通過締合酸性小分子化合物磺基水楊酸(SSA)獲得了對DMMP具有較好響應(yīng)特性的敏感薄膜，傳感器的靈敏度從9.91Hz/ppm提高到11.96Hz/pp

4、m，響應(yīng)時(shí)間從141s降低到112s。(2)對環(huán)境濕度的監(jiān)測則采用在具堿性特性的聚吡咯烷酮(PVP)中加入SSA，在降低PVP和水蒸氣之間氫鍵作用強(qiáng)度的同時(shí)提高了聚合物的穩(wěn)定性，使傳感器在性能上表現(xiàn)為響應(yīng)速度快、可逆性能良好。 3．研究了實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)合成的聚硅氧烷類材料的敏感特性。在不同的膜厚下，將聚甲基[3-(2-羥基)苯基]丙基硅氧烷(PMPS)薄膜應(yīng)用于QCM和聲表面波(SAW)傳感器，兩者均表現(xiàn)出響應(yīng)頻率與DMMP氣體

5、濃度呈線性關(guān)系，且響應(yīng)快速，具有非常好的重復(fù)性、一致性及選擇性。PMPS-SAW對DMMP的響應(yīng)幅度和BSP3-SAW相當(dāng)，但穩(wěn)定性相對稍差。將含不同氟原子數(shù)目的PMPS，聚甲基[3-(2-羥基-3-氟)苯基]丙基硅氧烷(PMFPS)，聚甲基[3-(2-羥基-3,4-二氟)苯基]丙基硅氧烷(PMDFPS)三種聚硅氧烷材料應(yīng)用于QCM和SAW傳感器，實(shí)驗(yàn)得出一致結(jié)論：含單個(gè)氟原子的PMFPS對DMMP的敏感性能最差，而PMPS和PMDFP

6、S則需要在響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)幅度之間綜合考慮選擇。 4．通過使用模式識別中的主成分分析以及聚類分析，從15種不同性質(zhì)的聚合物材料中挑選出所需最少數(shù)目的敏感薄膜，用于構(gòu)成檢測化學(xué)戰(zhàn)劑的QCM傳感器陣列。根據(jù)主成份分析結(jié)果，結(jié)合聚類分析結(jié)果，由PVP、PVDF、聚異丁烯(PIB)和聚-2-甲氧基-5-辛氧基-對苯乙炔(PMOCOPV)作為敏感薄膜的傳感器陣列能夠最大程度保留信息。選用了DMMP、N，N-二甲基乙酰胺(DMA)、二氯乙烷(

7、DCE)和二氯戊烷(DCP)分別作為有機(jī)磷神經(jīng)性毒劑以及糜爛性毒劑的模擬劑進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，主成分分析結(jié)果清楚地顯示了4種氣體在主成分圖上的不同位置，2個(gè)主成分之和就可以代表95.46％的信息，說明該傳感器陣列能夠完全地分辨上述4種氣體。 5．分析了聚合物薄膜對DMMP的敏感機(jī)理。對實(shí)驗(yàn)中聚合物材料與不同DMMP氣體濃度的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明QCM傳感器的作用規(guī)律符合BET吸附模型，并由此計(jì)算出三種聚硅氧烷材料的吸附比表面積