聚苯胺/石墨烯涂覆聚丙烯腈织物制备可穿戴氨气传感器

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氨气(NH3)作为一种有毒气体,吸入这种气体可能导致各种急性呼吸道疾病,因此开发一种功耗低、选择性好、灵敏度高以及稳定性好的氨敏传感器是大势所趋。氨敏材料作为传感器的核心,对其进行深入的研究极为重要,而聚苯胺(PANI)是一种导电传感聚合物,其优异的掺杂/脱掺杂特性被广泛应用于氨敏传感器中,对NH3有很好的响应性。二维材料的石墨烯(Graphene)因具有优异的导电性能、物化性质及化学稳定性,能一定程度上提高传感器性能,是气体传感的理想候选材料之一,与PANI复合能很好的提高传感性能。基体材料也很重要,聚丙烯腈(PAN)长丝织物经轻微水解后,织物表面会产生一定数量的羧基,易于改性,成为复合材料基材的最佳选择之一。通常来说,制备PAN基传感织物分为两个步骤:首先是苯胺(An)单体的涂覆,其次是An单体在织物上的聚合。由于PANI与基体的结合力为范德华力,结合力较弱,涂覆效率低下,负载率较低。鉴于此,为了提高PANI的负载量与牢固度,本实验旨在探究了一种新的涂覆方法,并对其气体传感性能进行了一系列研究。论文主要内容与结论如下:(1)采用碱法水解对PAN长丝织物表面进行一定程度水解,让其表面产生一定的羧基、酰胺基等官能团。利用静电吸附力涂覆PANI,控制水解温度等变量,探讨传感器对NH3的响应性能,确定最佳的水解工艺,利用红外光谱、电镜和数字万用表方法表征了所制备的传感织物的结构和导电性能。数据分析表明,织物处理的最佳制备条件为在8 wt%浓度的NaOH中以90℃水解2 h;选用An单体与引发剂的浓度比为1:1时,盐酸掺杂浓度为1 mol/L,此时PANI的涂覆效果最好,且拥有更高的响应值(100 ppm NH3下,灵敏度为1000%左右),恢复时间更快(响应速度相比90℃水解1 h增快29%,回复速度增快31%);在多次测量后拥有较好的稳定性,在不同NH3浓度下其响应值呈现出较好的线性(R=0.997),并且弯曲测试表明器件具有良好的力学性质与抗弯曲性能,洗涤测试证明其耐水洗性能得到很大的度提升(10次30 min水洗后电阻率仅增加了8.8%)。(2)将苯胺单体(An)于GO表面进行聚合,制得PANI/GO复合涂层。利用红外光谱、拉曼光谱、电镜和数字万用表等方法表征了所制备的传感织物的结构和传感性能。利用FT-IR和SEM对PANI/GO复合涂层结构和形貌进行分析,发现PANI在GO纳米片上形成了纳米棒阵列,通过Raman表征了rGO的还原程度(ID/IG=1.27),最后测试了PAN/GO/PANI与PAN/rGO/PANI织物的传感性能,并对其传感机制进行了分析。结果表明:在100 ppm NH3下PAN/GO/PANI有高的响应值(2100%),PAN/rGO/PANI有更的响应速度(63 s)与回复速度(34s);此外我们还研究了GO与rGO对PANI传感性能影响的机制,探讨了p-n异质结对传感性能的促进作用。上述研究为可穿戴柔性传感器提供了一种新型制备方法,简单快捷高效,且有较好的稳定性,因此该制备方法在柔性传感器和室温气体检测产品中具有广阔的应用前景。
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