[发明专利]一种低逾渗碳纳米管/高分子液敏传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及导电高分子液敏传感器制备技术领域，特别涉及低逾渗的碳纳米管(以下简称CNT)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/超高分子量聚乙烯(以下简称UHMWPE)导电高分子液敏传感器的制备方法。

背景技术

填充型导电高分子复合材料在液敏传感器领域的应用受到人们的广泛重视(H.Pang，et al.Appl.Phys.Lett.2010，96：251907.)，此类材料在接触到某种有机良溶剂时会引起电阻的显著变化，同时由于其价格低廉，易于批量生产形状复杂或面积较大的制件，因而在环境监测、化工生产中有机溶剂的泄漏的检测方面有着广阔的应用前景。但是常规熔融法制备的高分子液敏传感器需要较多的导电填料来构建完善的导电网络，即导电逾渗值较高，故材料的力学性能低、加工性能差、且成本高(H.Pang，et al.Mater.Lett.2012，79：96-99.)。而具有均相导电网络的高分子液敏复合材料的液敏效应的敏感度都是随着材料导电率的提高而降低，这就导致了要制备高响应强度的高分子液敏复合材料就必须牺牲材料的导电率，因此限制了其进一步的应用。

为了降低高分子液敏复合材料的制备成本，提高材料的物理机械和加工性能，最有效的方法就是降低导电逾渗值。在高分子液敏传感器中形成隔离结构导电网络是至今降低逾渗值最为成功的例子。其特点是导电粒子并非无规分布在基体材料中，而是选择性分布在聚合物基体的粒子界面之间，故形成完善导电网络所需要导电粒子的含量可大大降低(H.Pang，et al.Mater Lett2010，64：2226-2229)。例如，Grunlan等人利用乳液混合法成功制备了单壁碳纳米管/聚醋酸乙烯酯隔离结构高分子复合材料，发现其导电逾渗值仅0.05wt.％(JC.Grunlan，et al.Adv.Mater.2004，16：150-153.)。从专利和文献方面来看，大多数隔离结构高分子复合材料的制备都是基于乳液或溶液混合法，此种方法由于需要消耗大量溶剂且制备过程复杂，不易实现大规模工业化生产。

但常规的隔离结构高分子导电复合材料由于其极差的界面相互作用，在有机溶剂的渗入下很容易破碎，难以在液敏传感器领域得到应用，故必须对复合材料进行形态调控且选择合适的基体材料才能实现低逾渗高电导高响应的高分子液敏复合材料。我们选择具有优异耐溶剂性和高粘度的UHMWPE作为材料的耐溶剂骨架(J.F.Gao，et al.Mater Lett2008，62：3530-3532)，在UHMWPE粒子的界面间分布对多种有机溶剂有较高的灵敏度的PMMA和优异的电导率和大的长径比的CNT复合导电母料，再通过热压成型，制备出具有双隔离结构的CNT/PMMA/UHMWPE液敏传感器。与常规的液敏传感器不同，本发明中涉及高分子液敏传感器的导电单元则是高导电初级粒子，即PMMA作为导电粒子CNT的载体，在极低CNT含量下有效提高了导电逾渗相中CNT网络的完善程度，CNT网络之间较弱的界面作用也有利于液体分子的渗入且UHMWPE优异的耐溶剂性保证材料在溶剂的侵蚀下的尺寸稳定性，表现出低逾渗高导电强液体敏感性。

从专利方面来看，目前有关低逾渗高分子液敏传感器的专利并不多，而设计双隔离导电网络来降低材料逾渗值和提高液体敏感性的专利和文献更是未见报道。

发明内容

本发明的目的是探寻一种低逾渗CNT/PMMA/UHMWPE高分子液敏传感器的制备方法，并使之具有制备工艺简单，生产成本低，容易实现大批量生产，使生产的液敏传感器具有更低的逾渗值、良好的电学性能和较高的液体敏感性。

本发明的目的是通过如下手段实现的。

一种低逾渗碳纳米管高分子液敏传感器的制备方法，液敏传感器主要原料按如下重量百分比构成：

超高分子量聚乙烯UHMWPE    60～98％

聚甲基丙烯酸甲酯PMMA      1.9～38％

碳纳米管CNT               0.1～2％

采用的步骤如下：

(1)原料干燥：将直径5～100nm，长度1～50μm的CNT在烘箱中干燥，直到水分重量含量低于0.01％；

(2)CNT/PMMA导电母料制备：将步骤(1)中干燥后的CNT和直径为10～50μm的PMMA粒子按质量比1∶9～1∶4通过高速搅拌机混合均匀，实现CNT对PMMA的均匀包覆，保持混合过程中的温度不超过50°C；