气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法技术

本发明专利技术提供一种气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法，所述气体传感器包括凝胶，所述凝胶包括聚合物网络、与所述聚合物网络结合共同形成凝胶态的溶剂以及溶解在所述溶剂中的电解质盐，所述聚合物网络具有用于与待测气体结合的功能基团。

【技术实现步骤摘要】
气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法
本专利技术涉及传感器
，特别是涉及一种气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法。
技术介绍
柔性可拉伸传感器能紧密贴在具有复杂形状的弯曲结构的表面，因此在电子皮肤、可穿戴式电子、人机界面、柔性机器人和健康医疗等多个领域展现出广阔的应用前景。在各种应用中，气体检测显得日益重要。在穿戴式应用中，气体传感器可贴在弯曲结构的表面(例如衣服、动物和机器人皮肤等)进行实时检测。在柔性机器人的应用中，人们希望电子皮肤不仅能像人类的皮肤一样具有伸缩的能力，而且能像人的鼻子一样，能在复杂环境中“闻”到有害气体(电子鼻)，从而警告人们远离不利环境。另外，设置在衣服、袜子、手套和包包等服饰上面的可穿戴式化学传感器通过测量人体的气味和湿度可以检测人体的健康情况；通过测量环境中的有毒气体或者爆炸性物质的浓度可以提醒人们避开潜在的危险。但当穿戴者穿上、脱下、清洗这些可穿戴式服饰时，甚至在日常运动的过程中时，这些穿戴式传感器很容易被拉长。因此，柔性可拉伸的气体传感器的研发很有必要。目前报道的柔性气体传感器大多数基于无机纳米材料，包括石墨烯、MoS2、碳纳米碳(CNTs)和胶体量子点等。制备这些柔性NO2气体传感器需要使用额外的柔性基底作为支撑，但这些器件均缺乏可拉伸性。例如，有报道利用MoS2作为薄膜晶体管(TFT)的通道材料，同时利用还原氧化石墨烯(RGO)作为TFT的电极材料，在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)柔性基底上制备了NO2气体传感器。PET和纸等柔性基底虽然可以经受弯曲，但却不易制备可拉伸的传感器。也有少数报道将石墨烯等气敏材料沉积在可拉伸的基底例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(Ecoflex)上制备可拉伸的气体传感器，但这种方法需要复杂的工艺来制备可拉伸的系统，因此如何通过简单的制备方法得到可拉伸性的气体传感器是我们亟待解决的问题。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种气体传感器及其应用、设备和气体传感器的制备方法。本专利技术提供一种气体传感器，包括凝胶，所述凝胶包括聚合物网络、与所述聚合物网络结合共同形成所述凝胶的溶剂以及溶解在所述溶剂中的电解质盐。在其中一个实施例中，所述聚合物网络具有用于与待测气体结合的功能基团，所述待测气体优选为NO2和NH3中至少一种，优选的，所述功能基团包括-NH2、SO3-和-OH中的至少一种，更优选包括-NH2、SO3-和-OH。在其中一个实施例中，所述溶剂包括水，并且包括或不包括有机溶剂，所述有机溶剂优选为碳原子数为1～10的小分子多元醇，更优选为丙三醇和乙二醇中的至少一种。在其中一个实施例中，所述凝胶为双网络凝胶，包括第一聚合物网络和第二聚合物网络。在其中一个实施例中，所述第二聚合物网络用于包覆所述溶剂，所述第一聚合物网络用于增强所述凝胶的力学强度，优选的，所述第一聚合物网络与所述第二聚合物网络的质量比为16:1～1.3:1，优选的，所述第一聚合物网络为聚丙烯酰胺，所述第二聚合物网络为卡拉胶。在其中一个实施例中，所述凝胶具有透明性，所述凝胶在可见光波段的光学透过率大于60％，所述凝胶的拉伸应变性大于1200％。在其中一个实施例中，还包括电极，所述电极用于测量能够反映所述电解质盐在所述凝胶中的离子迁移速率的参数，优选的，所述参数为所述电解质盐的离子电导率或离子电阻率，或者所述凝胶的电阻。在其中一个实施例中，还包括所述参数的检测装置，与所述电极电连接，用于通过所述电极测量所述参数。在其中一个实施例中，还包括包裹在所述凝胶外用于隔离湿气的包装。本专利技术还提供一种所述的气体传感器的应用，所述气体传感器用于通过所述电解质盐在所述凝胶中的离子迁移速率的变化检测环境中的待测气体的浓度变化。本专利技术还提供一种设备，所述设备为可穿戴气体感测装置、气体感测电子皮肤、人机界面、柔性机器人或医疗设备，所述设备包括所述的气体传感器。在其中一个实施例中，所述设备还包括柔性基底和/或报警器，所述气体传感器层叠设置在所述柔性基底表面，当所述气体传感器感测到待测气体浓度超过设定值时所述报警器报警。本专利技术还提供一种气体传感器的制备方法，包括如下步骤：将单体、交联剂、引发剂、第二聚合物、电解质盐以及溶剂在加热条件下混合均匀，得到混合溶液，所述单体、所述交联剂及所述引发剂用于形成第一聚合物网络，所述第二聚合物能够与所述溶剂形成凝胶；使所述单体、所述交联剂及所述引发剂在所述混合溶液中发生交联聚合反应形成所述第一聚合物网络，然后冷却形成第二聚合物网络，得到所述凝胶。在其中一个实施例中，当所述溶剂为水时，还包括将所述凝胶置于有机溶剂中浸泡，所述有机溶剂优选为碳原子数为1～10的多元醇，更优选为丙三醇和乙二醇中的至少一种。本专利技术提供的气体传感器，利用凝胶特性，使待测气体吸附并溶解在凝胶的溶剂中，待测气体的浓度影响凝胶中电解质盐的阴阳离子的迁移，从而产生电学信号，形成凝胶对待测气体浓度的响应。利用凝胶作为气体传感器，可使传感器具备优异的可拉伸性和柔性，能广泛应用于可穿戴器件中。附图说明图1为本专利技术实施例双网络凝胶的一锅法合成过程及结构示意图；图2为本专利技术实施例双网络凝胶的丙三醇和乙二醇与水分子结合示意图；图3为本专利技术实施例双网络凝胶作为气体传感器的电荷传输示意图；图4为本专利技术实施例双网络凝胶的柔性及拉伸特性测试图；图5为本专利技术实施例双网络凝胶-18℃低温保存后的抗冻效果测试图；图6为本专利技术实施例双网络凝胶的自修复特性测试图；图7为本专利技术实施例双网络凝胶的光学透过率测试数据图；图8a为本专利技术实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器暴露于不同浓度NO2气体时的动态响应曲线；图8b为本专利技术实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对NO2气体浓度响应线性拟合曲线；图8c为本专利技术实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对100ppbNO2气体的动态响应曲线；图8d为本专利技术实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对500ppbNO2气体的不同暴露时间循环测试动态响应曲线；图8e为本专利技术实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对500ppbNO2气体的三次循环测试响应结果；图8f为本专利技术实施例双网络凝胶未形变时作为气体传感器对500ppbNO2气体一个周期的试验中响应时间和恢复时间测试曲线；图9a为本专利技术实施例双网络凝胶未形变、扭曲180°和弯曲180°状态下对NO2气体的响应曲线；图9b为本专利技术实施例双网络凝胶拉伸0％、拉伸50％、拉伸100％状态下对NO2气体的响应曲线；图9c为本专利技术实施例双网络凝胶不同拉伸状态下对NO2气体的响应的线性拟合曲线；图9d为本专利技术实施例双网络凝胶不同形变状态下对NO2气体的响应；图9e为本专利技术实施例1双网络凝胶以及实施例3丙三醇修饰的双网络凝胶对不同浓度NO2气体的动态响应曲线；图9f为本专利技术实施例1双网络凝胶以及实施例3丙三醇修饰的双网络凝胶对NO2气体响应随NO2气体浓度变化的示意图；图10为本专利技术实施例1双网络凝胶以及实施例3丙三醇修饰的双网络凝胶在2ppmNO2中连续监测9个月对气体的响应结果图。其中，附图标号为：N,N’-亚甲基双丙烯酰胺1，氯化钾离子2，丙烯酰胺单体3，卡拉胶4，聚丙烯酰胺5，卡拉胶网络6，氢键7，水分子8，丙本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体传感器，其特征在于，包括凝胶，所述凝胶包括聚合物网络、与所述聚合物网络结合共同形成所述凝胶的溶剂以及溶解在所述溶剂中的电解质盐，所述聚合物网络具有用于与待测气体结合的功能基团。

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器，其特征在于，包括凝胶，所述凝胶包括聚合物网络、与所述聚合物网络结合共同形成所述凝胶的溶剂以及溶解在所述溶剂中的电解质盐，所述聚合物网络具有用于与待测气体结合的功能基团。2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述待测气体优选为NO2和NH3中至少一种，所述功能基团包括-NH2、SO3-和-OH中的至少一种，优选包括-NH2、SO3-和-OH。3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述溶剂包括水，并且包括或不包括有机溶剂，所述有机溶剂优选为碳原子数为1～10的小分子多元醇，更优选为丙三醇和乙二醇中的至少一种。4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述凝胶为双网络凝胶，包括第一聚合物网络和第二聚合物网络。5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，所述第一聚合物网络用于包覆所述溶剂，所述第二聚合物网络用于增强所述凝胶的力学强度，优选的，所述第一聚合物网络与所述第二聚合物网络的质量比为16:1～1.3:1，优选的，所述第一聚合物网络为聚丙烯酰胺，所述第二聚合物网络为卡拉胶。6.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，还包括电极和/或包裹在所述凝胶外用于隔离湿气的包装，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴进，吴子轩，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44