聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器，包括柔性膜、聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺层、叉指电极层。本发明专利技术制备的传感器对氨气的检测具有高灵敏度，高选择性和高稳定性；本发明专利技术可以通过调控苯胺、过硫酸铵和PSS溶液的浓度，来调节聚苯胺膜层的导电性和气敏性能，本发明专利技术具有小型化，室温工作的优势，从而可降低功耗，同时本发明专利技术具有可规模化生产，低成本的优势，有利于工业化生产。另外，本发明专利技术剩余溶液经过滤、干燥后可得到聚苯胺，减少浪费，节约成本。

【技术实现步骤摘要】
聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器及其制备方法
本专利技术涉及气体传感器，具体涉及氨气的检测传感器，同时涉及其制备方法。
技术介绍
如今，大气污染问题无疑正在影响着人类的正常生产和生活活动。众所周知，氨气由于其高毒性和强腐蚀性从而对人类健康具有严重的危害，此外，针对人体呼吸气体成分检测中，氨气还是尿毒症、十二指肠溃疡等疾病诊断的潜在生物标志物。因此发展高性能柔性室温气体传感器，对环境检测、人体健康预警以及军事国防等领域具有重要的意义。由于人体呼吸气体中反应人体健康状况的相关气体一般具有低浓度和成分复杂的因素，因此对用于人体健康状况预警的气体传感器有高灵敏度和高选择性的要求。为达到工业化生产的目的，此类传感器也要求同时具有高稳定性、低成本、制造简单、可大规模制造等优点。再者，在产品的实际应用中，一般要求可柔性化、低温工作、低功耗、小型化、集成化、无线化等。当前有关氨气检测的敏感材料一般分为四类：金属氧化物、碳管、石墨烯和有机聚合物。其中金属氧化物材料是现在气体检测的常规气敏材料，但是金属氧化物一般需要非常高的工作温度，因此功耗较大，且其探测的浓度大都在ppm级别以上，不适合应用于人体呼吸气体检测方面的可穿戴设备。碳管和石墨烯材料一般灵敏度较低，选择性较差等缺点，有机聚合物因具有可室温工作、灵敏度高、制造方法简单、稳定性好等优点，是现在氨气检测方面的重要研究材料。但是一般有机聚合物如聚苯胺，制造传感器的方式是将粉末溶于有机溶剂中(如六氟异丙醇、氮甲基吡咯烷酮)，然后通过滴涂或旋涂等方式覆盖于电极上。此类方法制造的传感器具有灵敏度较小、稳定性差、制造复杂等缺点。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术上的不足，提供了一种聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器，得到的气体传感器性能相对于其它氨气传感器来说，有了大幅度的提高。本专利技术的技术方案是提供一种聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器，其特征在于，依次包括柔性膜、聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺层、叉指电极层。进一步地，聚苯胺层采用原位生长法生长在柔性膜层之上。进一步地，聚苯乙烯磺酸掺杂为采用将复合聚苯胺的柔性膜浸泡于PSS(聚苯乙烯磺酸)溶液中形成。进一步地，柔性膜材质可以是聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。进一步地，叉指电极层是指将导电材料通过丝网印刷或喷墨打印等方法沉积于聚苯胺层上；其中导电材料为银导电油墨或铜导电油墨两者中的一种。本专利技术还提供聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器的制备方法，包括如下步骤：(1)将柔性膜依次分别浸泡在乙醇、丙酮中，超声清洗，一般超声时间为15-20分钟；之后在50-150℃热处理10-100分钟；(2)取苯胺0.01-3g加入到1MHCl300ml中超声振荡10-100分钟，将步骤(1)处理后的柔性膜放入溶液中，得到溶液A，再将溶液A放入冰水中；(3)加过硫酸铵1-10g于20ml去离子水中并超声振荡5-100分钟，将得到的溶液加入溶液A中，保持在冰水中反应5-30小时；(4)取出柔性膜，去离子水冲洗，之后在30-150℃热处理10-100min；(5)配备质量分数0.1％-50％的PSS水溶液，将步骤(4)得到的柔性膜浸泡于溶液中10-600min；(6)重复步骤4；(7)将银导电墨水、铜导电墨水的一种利用丝印、喷墨打印或溅射沉积于柔性膜上，之后在40-200℃之间热处理30-200分钟。本专利技术的优点和有益效果：本专利技术制备的传感器具有高灵敏度，对低浓度氨气(100ppb)也具有较好的响应；高选择性，只对氨气具有较大的响应；高稳定性，多次测量初始电阻基本不变。本专利技术可以通过调控苯胺、过硫酸铵和PSS溶液的浓度，来调节聚苯胺膜层的导电性和气敏性能，本专利技术具有小型化，室温工作的优势，从而可降低功耗，同时本专利技术具有可规模化生产，低成本的优势，有利于工业化生产。另外，本专利技术剩余溶液经过滤、干燥后可得到聚苯胺，减少浪费，节约成本。本专利技术制造简单，成本低廉，反应条件温和，可控性好，有利于工业化生产。附图说明图1为本专利技术实施例1中制备的氨气传感器对不同浓度氨气响应测试。图2为本专利技术实施例1中制备的氨气传感器对不同种类气体的选择性测试。图3为本专利技术实施例1中制备的氨气传感器多次重复的实时响应值变化情况。图4为本专利技术实施例1中制备的氨气传感器长期响应性能稳定测试。图5为本专利技术制备的氨气传感器性能测试流程示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步说明。实施例1(1)将聚偏二氟乙烯多孔膜依次分别在丙酮、乙醇中超声清洗20分钟，再在电鼓风干燥箱中80℃热处理20分钟；(2)配备浓度为1M的盐酸100ml，之后加入0.3g苯胺超声振荡50分钟，将聚偏二氟乙烯多孔膜放入溶液中，再将溶液放入冰水中，得到溶液A；(3)配备浓度为1M盐酸20ml，之后加入0.9g过硫酸铵超声振荡10分钟，将得到的溶液加入溶液A中，保持在冰水中反应20小时；(4)取出聚偏二氟乙烯多孔膜，去离子水冲洗，之后80℃热处理20分钟；(5)配备质量分数1％PSS水溶液200ml，将上一步得到的聚偏二氟乙烯多孔膜浸泡于PSS溶液中2h；(6)取出聚偏二氟乙烯多孔膜，去离子水冲洗，之后100℃热处理30分钟；(7)将银浆利用丝网印刷的方式沉积于聚偏二氟乙烯多孔膜上，之后再120℃热处理30分钟；(8)最后得到的柔性PVDF/PANI-PSS复合膜即可做为氨气传感器进行性能测试，测试流程为首先将制作的传感器放入测试管内，抽取一定浓度的NH3通入测试管内，通过蓝牙设备将采集到的传感器电阻变化传输到电脑端，在PC端对数据进行存储和处理，测试流程示意图参见图5；测试结果如图1至4所示。实施例2(1)将聚酰亚胺膜分别在丙酮、乙醇中超声清洗20分钟，再在电鼓风干燥箱中80℃热处理20分钟。(2)配备浓度为1M的盐酸100ml，之后加入0.8g苯胺超声振荡100分钟，将聚偏二氟乙烯多孔膜放入溶液中，再将溶液放入冰水中，得到溶液A。(3)配备浓度为1M盐酸20ml，之后加入1.3g过硫酸铵超声振荡10分钟，将得到的溶液加入溶液A中，保持在冰水中反应10小时。(4)取出聚酰亚胺膜，去离子水冲洗，之后100℃热处理20分钟。(5)配备质量分数10％PSS水溶液200ml，将上一步得到的聚偏二氟乙烯多孔膜浸泡于PSS溶液中6h；(6)取出聚酰亚胺膜，去离子水冲洗，之后100℃热处理30分钟。(7)将银浆利用丝网印刷的方式沉积于聚偏二氟乙烯多孔膜上，之后再120℃热处理30分钟。(8)最后得到的柔性PVDF/PANI-PSS复合膜即可做为氨气传感器进行性能测试，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器，其特征在于，依次包括柔性膜、聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺层、叉指电极层。/n

【技术特征摘要】
1.聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器，其特征在于，依次包括柔性膜、聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺层、叉指电极层。


2.根据权利要求1所述的聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器，其特征在于，所述聚苯胺层采用原位生长法生长在柔性膜层之上。


3.根据权利要求1所述的聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器，其特征在于，所述聚苯乙烯磺酸掺杂为采用将复合聚苯胺的柔性膜浸泡于聚苯乙烯磺酸溶液中形成。


4.根据权利要求1所述的聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器，其特征在于，所述柔性膜材质为聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。


5.根据权利要求1所述的聚苯乙烯磺酸掺杂的聚苯胺复合柔性膜为基的高效氨气传感器，其特征在于，所述叉指电极层是指将导电材料通过丝网印刷、喷墨打印、溅射沉积方法沉积于聚苯胺层上；其中导电材料为银导电油墨或铜导电油墨两者中的一种。...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈文锋，吕大伍，宋伟杰，谭瑞琴，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33