导电高分子聚苯胺及其复合材料的制备和气敏性研究

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气体传感器是化学传感器中重要的一类,其广泛地应用在环境、食品、石油化工以及航空航天等领域。气敏材料是气体传感器的核心,与传统的二氧化锡、二氧化钛、氧化锌等无机半导体气敏材料相比,导电高分子气敏材料聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等具有价格低廉、易得、制备简单的优点。最重要的一点是导电高分子气敏材料可以在室温下使用,因此,气体传感器的应用范围被拓宽了。其中,聚苯胺由于其掺杂机制独特、导电性及环境稳定性良好等特点成为了最具有应用前景的导电高分子气敏材料之一。然而由于单一的聚苯胺分子间存在巨大的相互作用力,几乎不溶不熔,较差的机械性能及加工性能,导致很多实际应用都受到了限制。而聚苯胺与无机物复合的复合材料则能改善其性能,提高灵敏度,获得单一材料所不具备的优良特性,从而能得到更广泛的使用。针对以上问题,本文主要研究了以下四个部分:(1)采用化学氧化法,以苯胺为单体,过硫酸胺为成链剂,在酒石酸、水杨酸和樟脑磺酸中,分别制备了苯胺与酸的摩尔比为1:0.5、1:1和1:1.5的聚苯胺(PANI)材料,对其进行了表征及气敏特性的研究。实验结果表明,在25℃、60℃和90℃下,在樟脑磺酸中按照1:1的比例下制得的PANI材料对H2灵敏度、响应-恢复时间最佳。(2)利用化学氧化法,分别制备含多壁碳纳米管(MWCNTs)5%、10%、15%的PANI/MWCNTs复合材料。采用水热法合成了 MWCNTs/SnO2二元复合材料,并分别研制出含 MWCNTs/SnO2 为 5%、10%、15%的 PANI/MWCNTs/SnO2 三元复合材料,分别对二元及三元复合材料进行傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)分析,证明实验已合成复合材料。(3)实验分别研究了不同含量MWCNTs与聚苯胺复合的复合材料的氢敏特性。在25℃、60℃和90℃下对复合材料的氢敏特性进行分析,研究结果表明,在温度60℃时,15%PANI/MWCNTs复合材料具有更高的灵敏度、更短的响应时间及良好的重复性。(4)实验在25℃、60℃和90℃下,分别研究了不同含量MWCNTs/SnO2与聚苯胺复合的三元复合材料的氢敏特性,结果表明,三元复合材料比PANI材料的氢敏特性有较大的提高,在温度为60℃时,10%PANI/MWCNTs/SnO2复合材料具有更高的灵敏度、更短的响应-恢复时间及较好的重复性。
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