瓦斯敏感聚苯胺/纳米氧化物复合薄膜的制备

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近年来,由于瓦斯爆炸而造成的重特大矿难事故在我国频频发生,因此,发展一种应用于煤矿瓦斯探测的传感器就显得极为迫切。气敏材料是气体传感器的核心,与传统的无机半导体材料相比,高分子气敏材料具有价廉易得、制备简单的优点,最重要的是它可以在室温下使用,这对于解决无机材料瓦斯探测器由于工作温度高而存在安全隐患的问题提供了重要的思路。而如今,气敏材料正在由单一材料向复合材料发展,有机聚合物/无机纳米复合材料综合了聚合物和无机纳米材料的各自优点,在气敏特性方面拥有许多优异的性能。聚苯胺与纳米粒子复合的复合材料能发挥纳米粒子自身的小尺寸效应、表面效应和量子效应,而且兼有高分子材料本身的优点,在光、电、磁、敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性,故而得到广泛的研究。本文率先采用聚苯胺与无机纳米粒子的复合材料作为瓦斯气敏材料,主要研究了以下几个部分:(1)采用静电力自组装和化学氧化聚合相结合的方法,以苯胺为单体,过硫酸铵为氧化剂,在酸性介质中分别制备了PANI/In2O3复合薄膜,对其进行了表征分析。光谱分析表明,PANI和In2O3在形成纳米复合材料时二者之间存在一定的相互作用;形貌分析发现,PANI/In2O3纳米复合材料呈典型的核-壳结构,薄膜表面呈网状多孔结构。采用石英晶体微天平(QCM)器件制备了PANI/In2O3复合薄膜QCM传感器,并测试了其对CH4、CO和NH3的气敏特性。结果表明,PANI/In2O3复合薄膜传感器对CH4和CO呈现出比较好的线性敏感特性,而对NH3则为非线性;通过对比发现,传感器对CH4的响应度明显大于CO。接着研究了测试温度对PANI/In2O3复合薄膜传感器的甲烷(500ppm)敏感特性的影响,发现传感器的振动频率随着温度的升高而上升;同时还发现,在室温(27℃)下传感器响应值最大,而当温度过高时,传感器响应值减小。(2)选用另外一种常见的无机半导体PdO纳米颗粒作为掺杂剂,相同的实验条件下制备了PANI/PdO复合薄膜QCM传感器,通过对薄膜表征分析和气敏特性的研究发现,由于PANI/PdO复合薄膜表面的孔洞很小,PANI链更加致密,其对甲烷虽然具有一定的气敏特性,但响应度小于PANI/In2O3复合薄膜QCM传感器,且呈非线性,而PANI/PdO传感器在高温下(50℃)对甲烷的敏感特性则表现的更差。(3)用声表面波(SAW)器件,采用旋涂法分别制备了PANI/In2O3复合薄膜SAW传感器和PANI/PdO复合薄膜SAW传感器,测试了两种传感器对浓度为0.3%的甲烷的灵敏特性,对比两种传感器发现,PANI/In2O3复合薄膜SAW传感器的相对响应值更高。
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