聚吡咯及其納米復合敏感材料的制備及氣濕敏特性研究.pdf

1、本文設計和制備了三個系列八種具有室溫響應特性的高分子及其納米復合敏感材料和敏感元件。氣敏材料包括氣相聚合法制備的聚吡咯及其與金屬納米粒子、碳納米管的二元和三元復合物，軟模板法制備的聚吡咯納米粒子和聚吡咯納米纖維；濕敏材料包括交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)/聚吡咯及交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)/碳黑納米粒子復合物。采用TEM、SEM、AFM、FT-IR、UV-vis、XRD、TGA和循環(huán)伏安法等手段表征了材料組成、結構形貌和電化學性能。

2、研究了氣敏材料對氨氣等氣體的室溫響應特性，以及濕敏材料對濕度的室溫響應特性。討論了敏感材料組成、結構形貌及制備條件等因素對其響應性能的影響。探討了敏感材料的響應機理。
　　 采用氣相聚合法制備了聚苯乙烯磺酸摻雜聚吡咯(PPy-PSSA)及其與鈀納米粒子復合氣敏材料(PPy/Pd)。研究了聚合時間、聚合溫度、反應物濃度和比例，以及添加劑等制備條件對材料氣敏性能的影響。發(fā)現(xiàn)在聚吡咯中引入鈀納米粒子能明顯提高其對氨氣響應靈敏度。PPy

3、/Pd對50-2000ppm氨氣的響應靈敏度達到13.1-58.9％，約為單一聚吡咯的2倍。PPy/Pd對1000ppm氨氣的響應時間和恢復時間分別為14s和148s，表現(xiàn)出快速響應和恢復。復合物氣敏性能受鈀納米粒子尺寸和敏感膜形貌等因素影響。討論了PPy-PSSA及其與鈀納米粒子復合物的氣敏機理，提出鈀納米粒子可能促進氨氣分子與聚吡咯之間的電荷轉移。
　　 采用氮氧自由基調控活性自由基聚合法，結合原位還原金屬鹽法制備了聚苯乙烯

4、磺酸鈉接枝碳納米管(PSS-CNT)及其與鈀納米粒子復合物(PSS-CNT/Pd)。采用氣相聚合法制備了聚吡咯/PSS-CNI、(PPy/PSS-CNT。)和聚吡咯/PSS-CNT/鈀納米粒子復合氣敏材料(PPy/PSS-CNT/Pd)。研究了聚合溫度、聚合時間，氧化劑濃度以及碳納米管、鈀納米粒子含量等因素對復合材料氣敏性能的影響。發(fā)現(xiàn)PPy/PSS-CNT對氨氣響應靈敏度高于聚吡咯與聚苯乙烯磺酸鈉復合物(PPy/PSS)和PSS-CN

5、T。復合鈀納米粒子后，其對氨氣響應靈敏度提高，響應及恢復速度加快。PPy/PSS-CNT/Pd對5ppm氨氣響應靈敏度達到6.2％，對5.20ppm和20-100ppm氨氣均表現(xiàn)出線性響應。PPy/PSS-CNT/Pd對氨氣響應具有好的重復性和可逆性，且相對于有機蒸汽，具有好的選擇性。討論了PPy/PSS-CNT和PPy/PSS-CNT/Pd的氣敏機理。提出在PPy/PSS-CNT中，碳納米管與聚吡咯作用促進電荷轉移，提高對氨氣響應靈敏

6、度；在PPy/PSS-CNT/Pd中，鈀納米粒子、碳納米管和聚吡咯間可能存在協(xié)同作用，促進對氨氣響應靈敏度的提高。
　　 采用聚苯乙烯磺酸分子鏈為軟模板制備了具有良好水分散性的聚吡咯納米粒子氣敏材料(PPy-NPs)。研究了聚合溫度、摻雜劑濃度和氧化劑濃度等制備條件對其氣敏性能的影響。PPy-NPs對1ppm氨氣響應靈敏度高達2.5％，可實現(xiàn)對ppb級氨氣檢測。PPy-NPs對氨氣具有快速響應及恢復(對1000ppm氨氣響應時間

7、和恢復時間分別為16s和118s)，具有好的響應可逆性和重復性，且相對于有機蒸汽，具有很好的響應選擇性。
　　 采用甲基橙與FeCl3形成的纖維狀復合物為軟模板制備了聚吡咯納米纖維氣敏材料(PPy-NFs)。研究了結構形貌對其氣敏性能的影響。發(fā)現(xiàn)納米纖維結構聚吡咯對氨氣響應靈敏度大于顆粒結構聚吡咯。研究了過硫酸銨溶液浸泡、熱老化等后處理過程對PPy-NPs氣敏性能的影響。發(fā)現(xiàn)后處理過程可改變PPy-NPs的表面形貌，從而影響其氣

8、敏性能。
　　 采用氣相聚合法制備了交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)/聚吡咯復合濕敏材料(QC-P4VP/PPy)。采用氮氧自由基調控活性自由基聚合法，制備了交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)/碳黑納米粒子復合濕敏材料(QC-P4VP/CB)。研究了復合物組成、結構形貌對其濕敏特性的影響。發(fā)現(xiàn)交聯(lián)季胺化聚(4-乙烯基吡啶)與具有本征導電性的聚吡咯或碳黑納米粒子復合，可顯著減小低濕電阻，實現(xiàn)對低濕環(huán)境濕度(<10％RH)的檢測。QC-P