[发明专利]聚吡咯/聚偏氟乙烯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

本发明涉及聚吡咯/聚偏氟乙烯纳米纤维复合电阻型薄膜气敏元件及其制作方法。

背景技术

化学传感器的研究和应用是当今社会科技发展的重要领域，它对于现代化工农业生产以及人们生存环境的检测和治理等起着十分重要的作用。气体传感器作为一类重要的化学传感器，也日益受到关注和重视，目前其发展十分迅速。在诸多的传感材料中，导电高分子气体敏感材料以其制备简便，尤其可以室温检测而由此具有本征安全性及易于制备低功耗元件，有利于实现长时间在线监测等优点，格外受到青睐。以导电高分子为敏感材料的气体传感器阵列构建的电子鼻已经实现了商品化。但是导电高分子敏感也存在着不溶不熔，加工困难，响应灵敏度较低、响应时间和响应重现性欠佳等不足，阻碍了其研究和广泛应用。

提高敏感材料的响应特性的有效方法之一是实现敏感材料的纳米化。纳米结构材料具有较常规本体材料大得多的比表面积，这一方面可以提供更多的反应活性位点，有助于提高响应的灵敏度，同时也可有利于检测气体分子的扩散，从而加快响应和改善可逆性。已经有报道，采用界面聚合法制备的导电聚苯胺纳米纤维其对于肼蒸汽的响应灵敏度要显著高于常规制备的本体聚苯胺，而响应时间也大大缩短。

静电纺丝方法是制备纳米结构材料的简便有效方法，近年来颇受关注，采用这种方法，可以很方便地通过高压电场的作用，从聚合物(复合)溶液中获得有机高分子，高分子/无机，高分子/高分子，无机等多种纳米(复合)纤维及薄膜材料，在纳米传感材料领域也得到了应用。王策等采用静电纺丝法制备了LiCl掺杂的TiO₂纳米湿度敏感材料，其具有响应灵敏度高，响应速度快，湿滞小等优点。而且这一方法还可以用于制备纳米纤维，然后通过导电高分子原位聚合反应在其上沉积导电高分子，获得导电高分子复合纳米敏感材料。这样一方面实现了具有三维多孔结构的纳米材料的制备，一方面又可解决导电高分子材料加工成型困难的缺点，可在制备高性能纳米敏感材料方面发挥重要的作用。

氨气是一种常见的有毒有害气体，在人类生存环境保护以及工农业生产过程控制等领域都对于氨气的浓度检测提出了较高的要求。聚吡咯等导电高分子可以在室温下实现对于氨气的灵敏响应，也成为一类颇具潜力的氨气传感材料。但是它的响应灵敏度不够高，而且响应较慢，可逆性较差，尤其是对于高浓度氨气响应不可逆，甚至需要真空处理或者施加紫外辐照等方法，才能实现响应的缓慢恢复，这对于其应用是很大的障碍。因此需要对于聚吡咯等导电高分子材料进行结构上进一步改进，以改善其响应特性，实现对于氨气，尤其是较高浓度氨气亦具有良好的室温电阻响应特性，为其应用奠定坚实的基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种对于氨气具有灵敏度高，线性度好，响应快等特点，特别是对于较高浓度氨气也具有良好响应回复特性的聚吡咯/聚偏氟乙烯纳米纤维复合电阻型薄膜气敏元件及其制作方法。

本发明的聚吡咯/聚偏氟乙烯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偏氟乙烯纳米纤维表面气相原位聚合吡咯的复合物。

聚吡咯/聚偏氟乙烯纳米纤维复合电阻型薄膜气敏元件的制作方法，步骤如下：

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偏氟乙烯纳米纤维：将含有浓度为0.01-0.2g/ml的聚偏氟乙烯和浓度为0.005-0.10g/ml的三氯化铁的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正极相连，高压电源的负极与铜板相连，铜板上放置具有陶瓷基体的叉指金电极；在注射器针头和铜板之间施加10-30kV电源电压，针头和铜板之间的距离8-20cm，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于叉指金电极和陶瓷基体表面，形成聚偏氟乙烯纳米纤维薄膜；

3)在-20-60℃温度下，将步骤2)制得的沉积有聚偏氟乙烯纳米纤维薄膜的具有叉指金电极的陶瓷基片置于含有吡咯液体的密闭容器中，使吡咯蒸汽在其表面聚合30分钟至24小时取出，室温下用氮气吹干，得到聚吡咯/聚偏氟乙烯纳米纤维复合电阻型薄膜气敏元件。

上述陶瓷片基体表面的叉指金电极有5-20对，叉指金电极的叉指宽度为20-200μm，叉指间隙为20-200μm。