高分子納米復合氣敏材料及氣體傳感器.pdf

1、本論文共設計制備以下五個系列共12種新型復合高分子氣敏材料：鹽酸羥胺鹽修飾多壁納米碳管(CNTs)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；Pd<'0>/CNTs,聚合物接枝多壁納米碳管及納米碳黑；不同末端基團超支化聚合物/CNTs；聚苯胺及其復合物。采用FT-IR、NMR、GPC、TGA、TEM、SEM、UV-Vis、XPD、AFM和拉曼光譜等手段表征了其組成和結構。通過浸涂、自組裝原位生長以及靜電紡絲方法制備了氣敏元件。研究了其對甲醇、氨氣等

2、有機和無機氣體的響應特性，討論了復合物組成及結構、氣敏薄膜微觀結構以及元件制備工藝等對氣敏元件響應特性的影響，探討了復合物氣敏機理。 研究了混酸處理CNTs氣敏元件對氨氣、甲醇以及三乙胺蒸汽的響應特性，討論了其基于p型半導體的氣敏機理。在此基礎上，采用鹽酸羥胺鹽對其進行修飾，并與PMMA復合，以浸涂法制備氣敏元件。研究了其對醇類和氨氣的響應特性，發(fā)現(xiàn)修飾后納米碳管表現(xiàn)出n型半導體特性，其與PMMA復合物對甲醇有快速可逆的選擇性響

3、應，響應和回復時間分別約為9s和2s。提出了納米碳管經(jīng)修飾后，發(fā)生了從p型到n型半導體的轉變，討論了其基于n型半導體的氣敏機理。 通過溶液共混，乙醇或硼氫化鈉還原的方法，制備了聚乙烯基吡咯烷酮(PVDP)/Pd<'0>/CNTs、Pd<'0>/CNTs和殼聚糖/Pd<'0>/CNTs復合氣敏材料，以浸涂法制備了氣敏元件。發(fā)現(xiàn)PVDP/CNTs復合物，在室溫下對甲醇和乙醇蒸汽的響應靈敏度接近。而對甲醇蒸汽的響應靈敏度(S<,甲醇>

4、)是單獨CNTs的2～5倍，PVDP/Pd<'0>/CNTs復合物的S<,甲醇>是單獨CNTs的4～10倍，而且其S<,甲醇>/<,乙醇>可達3～4倍，顯示出對甲醇蒸汽具有一定的選擇性。此外，PVDP/Pd<'0>/CNTs復合物的響應穩(wěn)定性和重復性也較好。Pd<'0>/CNTs及殼聚糖/Pd<'0>/CNTs均可在室溫下檢測甲烷，其對2％(v/v)的甲烷氣體的響應靈敏度分別約為5％和7.3％。 采用氮氧自由基調控的自由基活性聚

5、合法，制備了苯乙烯和4-乙烯基吡啶均聚物及共聚物接枝的納米碳管和納米碳黑氣敏復合材料，通過浸涂法制備了氣敏元件。研究了復合物對低濃度甲醇、四氫呋喃以及氯仿蒸汽的響應特性，發(fā)現(xiàn)復合物對氣體的響應與聚合物的組成結構、氣敏膜微觀形態(tài)以及氣體性質有關，納米碳管復合物的響應靈敏度高于納米碳黑復合物。討論了復合物基于直接接觸及隧道效應的導電機理，并提出了對于納米碳管復合物的氣敏機理為吸附氣體后聚合物的溶解膨脹，造成導電通道的破壞，以及納米碳管與氣體

6、之間的電荷轉移的協(xié)同作用。而納米碳黑復合物的氣敏機理僅為吸附氣體后聚合物的溶解膨脹，造成導電通道的破壞，而且碳黑復合物對低濃度和高濃度有機蒸汽的氣敏機理不同。采用熔融縮聚的方法制備了具有三種不同末端基團(-OH(HBPE)、-COOH(AHPB)、-NH<,2>(HBPA))的超支化聚合物，并與CNTs復合制備了氣敏材料，通過浸涂法制備了氣敏元件。研究了復合物對甲醇、三乙胺以及乙酸蒸汽的響應特性。復合物對氣體的響應與超支化聚合物的末端基

7、團密切相關，能與末端基團發(fā)生反應的有機蒸汽具有很高的響應靈敏度，較低的檢測限，但其響應回復性較差。提出了超支化聚合物末端基團與特定氣體發(fā)生化學反應，誘發(fā)電荷轉移的氣敏機理。 通過溶液原位生長、有機酸聚合摻雜以及共混摻雜等方法制備了聚苯胺及其與納米碳管復合物，通過在自組裝修飾電極上原位生長、浸涂以及靜電紡絲法制備了氣敏元件，研究了其對三乙胺氣體的響應特性。發(fā)現(xiàn)原位生長聚苯胺對三乙胺蒸汽具有響應快速，靈敏度高，回復性和重復性好，檢測