[发明专利]聚甲基丙烯酸甲酯/聚苯胺纳米纤维复合电阻型薄膜气敏元件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚甲基丙烯酸甲酯/聚苯胺纳米复合电阻型薄膜气敏元件及其制作方法。

背景技术

社会的进步和技术的发展为传感器的研究和应用提供了广阔的空间。气体传感器是一类的化学传感器，在环境监测、工业生产、仓储等方面有着广泛的应用，并在人们日常生活和现在科技发展中起着日益重要的作用。高分子气体传感器是目前应用较为广泛的一种新型气体传感器。它具有优异的响应特性，测量范围宽，可室温检测，易于集成化和小型化批量生产，价格低廉等特点。此外由于纳米材料具有宏观材料所不具备的特殊效应，比如宏观量子效应和表面效应，因此制备具有纳米结构的气敏元件成为气体传感器研究发展的重要方向。

静电纺丝是一种简单而又实用的制备纳米材料的方法，近来发展极为迅速。但是将静电纺丝制备的纳米材料成功地转移到陶瓷基体电极上面制成电极的研究甚少。这是由于传统的方法制得的气敏元件由于基体和纤维薄膜接触不好导致接触电阻的急剧增加。这一直阻碍和制约了静电纺丝在实际中的应用和进一步发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种在宽的三乙胺气体浓度下具有灵敏度高，线性度好，响应快的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/聚苯胺(PANI)纳米纤维复合电阻型薄膜气敏元件及其制作方法。

本发明的聚甲基丙烯酸甲酯/聚苯胺纳米纤维复合电阻型薄膜气敏元件，具有陶瓷基体，在陶瓷基体表面光刻和蒸发有多对叉指金电极，在叉指金电极上连接有引线，在陶瓷片基体和叉指金电极表面有气敏薄膜，气敏薄膜为静电纺丝制备的聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维表面原位聚合聚苯胺的复合物。

聚甲基丙烯酸甲酯/聚苯胺纳米纤维复合电阻型薄膜气敏元件的制作方法，包括以下步骤：

1)清洗表面光刻和蒸发有叉指金电极的陶瓷基片，烘干备用；

2)以静电纺丝法制备聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维：将浓度为0.18-0.32g/ml的聚甲基丙烯酸甲酯的N，N-二甲基乙酰胺溶液装在带针头的注射器里，注射针头和高压电源的阳极相连，高压电源的阴极与铜板相连，铜板上置有盖玻片；在注射器针头和铜板之间施加15-30KV电源电压，针头和铜板之间的距离15-25cm，采用注射泵将注射器中的溶液以0.1-1.0ml/h的流速挤出，在高压电场作用下以连续的纳米纤维的形式沉积在盖玻片上，形成聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维薄膜；

3)在0-40℃温度下，将含有0.005-0.1M过硫酸铵，0.01-1M苯胺和0.05-2M掺杂剂的溶液搅拌混合2-15分钟，然后将沉积有聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维薄膜的盖玻片静置于上述溶液中，聚合40-80分钟后取出，用0.001-0.05M相对应的掺杂剂溶液清洗，得到聚甲基丙烯酸甲酯/聚苯胺纳米纤维复合薄膜；

4)在上述掺杂剂溶液中，将聚甲基丙烯酸甲酯/聚苯胺纳米纤维复合薄膜覆盖到步骤1)的具有金叉指的陶瓷基片电极上，室温下用氮气吹干。

上述的掺杂剂可以是对甲苯磺酸(TSA)，磺基水杨酸(SSA)，苯乙烯磺酸钠，樟脑磺酸，十二烷基磺酸或盐酸(HCl)等。

制备过程中，通过改变聚甲基丙烯酸甲酯的N，N-二甲基乙酰胺溶液的浓度，可以调节聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维的直径。聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维薄膜的厚度由挤出速度和静电纺丝时间控制。

本发明的优点是：

1)所制备的聚甲基丙烯酸甲酯/聚苯胺(PMMA/PANI)气敏薄膜由静电纺丝的PMMA纳米纤维原位聚合PANI，得到一种以PMMA为核PANI为壳的纳米纤维薄膜，具有体比表面积大的特点，具有响应快，灵敏度高，回复快等优点；

2)将PMMA/PANI薄膜覆盖在陶瓷基体金电极表面，可以有效降低两者之间的接触电阻，提高灵敏度，缩短响应和回复时间，提高元件的稳定性；

3)采用静电纺丝制备纳米纤维薄膜，简便易行，且重复性好。用此纳米纤维薄膜制得的PMMA/PANI纳米纤维薄膜元件一致性好，成品率高，适于批量生产；

4)用TSA掺杂PANI时，在500ppm时灵敏度可以高到77，具有很好的一致性，以及响应和回复速度快等优点。

5)采用特定设计陶瓷叉指金电极：叉指为5-15对，叉指宽度为40-200μm，叉指间隙为40-200μm。这种电极结构可使气敏元件阻抗降低，检测范围加宽，响应灵敏度提高，同时也可提高其稳定性；