基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法技术

本发明专利技术提供基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，该方法首先通过化学氧化法制备聚苯胺PANI粉末并将其溶解在低毒的溶剂中，其次在经过等离子体处理的盖玻片上进行旋涂成膜，然后提出了一种水分离PANI薄膜、漂浮去掺杂、再掺杂的方法，制备了无基底PANI薄膜。再掺杂的过程对PANI薄膜表面进行了脂肪酸的表面化学修饰，最后将PANI薄膜附着再带有叉指电极的柔性基底上制作气敏传感器。本发明专利技术制备方法有效廉价、新颖环保并且制备的PANI薄膜体积可控，PANI薄膜表面修饰的不同碳链长度的脂肪酸在PANI薄膜表面形成了疏水层，明显改善了PANI薄膜的气敏性能，可以有效降低高浓度水蒸汽的响应，并为无湿度影响的气敏传感器的设计和应用提高了新的思路。

【技术实现步骤摘要】
基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法
本专利技术属于薄膜气敏传感器制备
，具体涉及一种基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法。技术背景气敏传感器是用来监测气体浓度和成分的传感器，它在环境监督、食品安全监督和疾病检测等方面起着重要的作用。气敏传感器是暴露在简单或者复杂的环境下，由于监测环境的温度、湿度、油雾、粉尘等因素变化很大，部分干扰气体会附着在传感元件表面，往往使得气敏传感器的传感性能变差。所以要求气敏传感器可以连续稳定的长期工作，重复性好，响应速度快，选择性和抗干扰气体能力强等。常见的气体传感器有电阻变化型气体传感器、场效应晶体管气体传感器、固态电化学气体传感器和石英晶体微量天平气体传感器。电阻变化型气体传感器是由于分析物和传感材料相互作用引起电阻变化型的探测装置，主要的敏感元件分为半导体金属氧化物型和高分子导电聚合物型。基于高分子材料的化学电阻式气体传感器具有成本低、操作简单、便于携带、工作条件灵活、稳定性高等特点，可用来检测与大气污染物或某些疾病生物标记物有关的各种挥发性有机化合物(VOCs)。聚苯胺一种高分子化合物，具有特殊的电学和光学性质，经过一定的处理后可制得性能优异和特殊功能的传感器，如可作为生物或化学传感器的酶传感器、选择性和灵敏度高的气敏传感器等。此外，聚苯胺因其原料易得、合成工艺简单、掺杂机制独特、化学及环境稳定性好等特点受到了广泛的研究。随着生活质量的提高，人们对健康的关注越来越高，可穿戴的医疗设备用来实时监测人体的健康状态成为了研究的热点和难点。研究发现，人体在新陈代谢的时候可以产生与疾病相关的生物标记物VOCs。然而，真正采集的呼吸样本中总是会含有不同浓度的湿度。具体来说，人体呼吸样本的相对湿度超过90%，水是一种极性分子，传感材料一旦接触到它，总是会引起电导率的变化，VOCs的传感信号会受到湿度响应的干扰。为了减少水蒸汽对待测其气体的干扰，一种方法是将待测气体进行干燥，但是经过干燥后待测气体的浓度会发生变化；另外一种是利用交叉反应传感器阵列，通过模式识别方法检测特定气体，但整个过程太过复杂。姚明水等人用疏水的金属有机物框架(MOF)包覆在敏感材料上，利用MOF的筛选作用抑制了水蒸汽对待测气的影响，提高了气体选择性。参见：姚明水，Yao,M.-S.,Tang,W.-X.,Wang,G.-E.,etc.MOFThinFilm-CoatedMetalOxideNanowireArray:SignificantlyImprovedChemiresistorSensorPerformance[J].AdvancedMaterials,Jul13,2016,28(26):5229.邓云峰等人通过在PANI膜在修饰油酸疏水层用来选择性抑制水汽，同时还保持了VOCs的传感信号。参见：邓云峰，Deng,Y.,Sun,J.,Jin,H.,etc.ChemicallyModifiedPolyanilinefortheDetectionofVolatileBiomarkersofMinimalSensitivitytoHumidityandBending[J].AdvancedHealthcareMaterials,Aug8,2018,7(15).但是，调控工艺条件制备选择性抑制水蒸汽的气敏传感器从而优化传感性能的仍是当前技术的关键和难点。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，本专利技术基于聚苯胺薄膜表面修饰的，制备的气敏传感器具有抑制干扰气体的影响，同时该制备方法新颖、绿色环保，传感器成本低廉、性能优异。为解决本专利技术的技术问题采用如下技术方案：一种基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，具体工艺如下：（1）聚苯胺粉末的制备苯胺经过提纯处理后与盐酸、去离子水形成溶液A；过硫酸铵和去离子水混合形成溶液B；在0℃下，将B溶液加入A溶液中反应，反应结束后，将制备的聚苯胺PANI粉体洗涤后浸泡在浓氨水中，浸泡后洗涤，洗涤后在氮气保护下用甲苯、乙醇和水的混合液交换去除低聚物，过滤收集产物，真空干燥得到聚苯胺粉末；（2）无基底PANI薄膜的制备将步骤（1）得到的聚苯胺粉末溶解在N-甲基吡咯烷酮NMP中，搅拌至完全溶解，在盖玻片上旋涂得到PANI薄膜，常温真空存储过夜后将带有PANI膜的盖玻片暴露在有盐酸蒸汽的环境中后，将盖玻片取出得到无基底的PANI薄膜，静置待用；（3）无基底的PANI薄膜表面修饰将步骤（2）制备的无基底的PANI薄膜浸泡在去离子水中容器中，待无基底的PANI薄膜颜色由半透明绿色变为半透明蓝色后用磷酸溶液把去离子水置换出来，然后用脂肪酸甲苯溶液将一半磷酸溶液置换出来，再将剩余的一半脂肪酸甲苯溶液加入对无基底的PANI薄膜表面进行修饰，静置后待用；（4）叉指电极的制作将聚对苯二甲酸乙二醇酯PET的中间部位用保鲜膜包覆住后磁控溅射，先镀一层Ti膜,再镀一层Ag膜，镀膜结束后将所包裹的保鲜膜拿下来，叉指电极制作完成；（5）将步骤（3）表面修饰后的PANI薄膜捞起放置叉指电极上后真空除去水蒸气和溶剂得到PANI薄膜气敏传感器，最后在PANI薄膜传感器的电极两端用银浆把导线和电极固定在一起，引出电极线。所述步骤（3）中磷酸溶液的浓度为0.01mol/L。所述步骤（4）中，溅射Ti的时间为30s，厚度为30nm，溅射Ag的时间为5min，厚度为100nm。所述步骤（2）中旋涂的参数为，低速：500-700r/min时间：300-600S，高速：3000-5000r/min时间：8-15S。所述步骤（3）中脂肪酸甲苯溶液为辛酸C8、葵酸C9、壬酸C10、十一酸C11、月桂酸C12、十七酸C17和山俞酸C22甲苯溶液中的一种，其中脂肪酸甲苯溶液浓度为0.01mol/L。上述基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，具体步骤如下：（1）聚苯胺粉末的制备苯胺先经过减压蒸馏，然后取11.4mL苯胺、1mol/L的盐酸12.5mL、125mL去离子水形成溶液A；取14.25g过硫酸铵溶解于125mL去离子水中形成溶液B；将B溶液以250ml/h的速率逐渐缓慢加入A溶液中，在0℃的条件下搅拌反应8-10h，观察到溶液由无色透明变为墨绿色，过滤并用水冲洗干净，将收集的产物分散在浓氨水中搅拌12-14h，过滤并用水冲洗，得到脱掺杂态聚苯胺，在氮气保护下，依次再用甲苯、乙醇和水的混合液进行溶剂交换去除低聚物，过滤收集产物，真空干燥过夜得到聚苯胺粉末；（2）无基底PANI薄膜的制备取0.2g聚苯胺粉末溶解在15mLN-甲基吡咯烷酮NMP中，搅拌至完全溶解，形成均匀的深蓝色油墨溶液，将22*22*0.16m的盖玻片先用等离子体处理，取聚苯胺溶液70µL，均匀滴在盖玻片上，调整旋涂的参数为低速：500-700r/min时间：300S，高速：3000-5000r/min时间：10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，其特征在于具体工艺如下：/n（1）聚苯胺粉末的制备/n苯胺经过提纯处理后与盐酸、去离子水形成溶液A；过硫酸铵和去离子水混合形成溶液B；在0℃下，将B溶液加入A溶液中反应，反应结束后，将制备的聚苯胺PANI粉体洗涤后浸泡在浓氨水中，浸泡后洗涤，洗涤后在氮气保护下用甲苯、乙醇和水的混合液交换去除低聚物，过滤收集产物，真空干燥得到聚苯胺粉末；/n（2）无基底PANI薄膜的制备/n将步骤（1）得到的聚苯胺粉末溶解在N-甲基吡咯烷酮NMP中，搅拌至完全溶解，在盖玻片上旋涂得到PANI薄膜，常温真空存储过夜后将带有PANI膜的盖玻片暴露在有盐酸蒸汽的环境中后，将盖玻片取出得到无基底的PANI薄膜，静置待用；/n（3）无基底的PANI薄膜表面修饰/n将步骤（2）制备的无基底的PANI薄膜浸泡在去离子水中容器中，待无基底的PANI薄膜颜色由半透明绿色变为半透明蓝色后用磷酸溶液把去离子水置换出来，然后用脂肪酸甲苯溶液将一半磷酸溶液置换出来，再将剩余的一半脂肪酸甲苯溶液加入对无基底的PANI薄膜表面进行修饰，静置后待用；/n（4）叉指电极的制作/n将聚对苯二甲酸乙二醇酯PET的中间部位用保鲜膜包覆住后磁控溅射，先镀一层Ti膜,再镀一层Ag膜，镀膜结束后将所包裹的保鲜膜拿下来，叉指电极制作完成；/n（5）将步骤（3）表面修饰后的PANI薄膜捞起放置叉指电极上后真空除去水蒸气和溶剂得到PANI薄膜气敏传感器，最后在PANI薄膜传感器的电极两端用银浆把导线和电极固定在一起，引出电极线。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，其特征在于具体工艺如下：
（1）聚苯胺粉末的制备
苯胺经过提纯处理后与盐酸、去离子水形成溶液A；过硫酸铵和去离子水混合形成溶液B；在0℃下，将B溶液加入A溶液中反应，反应结束后，将制备的聚苯胺PANI粉体洗涤后浸泡在浓氨水中，浸泡后洗涤，洗涤后在氮气保护下用甲苯、乙醇和水的混合液交换去除低聚物，过滤收集产物，真空干燥得到聚苯胺粉末；
（2）无基底PANI薄膜的制备
将步骤（1）得到的聚苯胺粉末溶解在N-甲基吡咯烷酮NMP中，搅拌至完全溶解，在盖玻片上旋涂得到PANI薄膜，常温真空存储过夜后将带有PANI膜的盖玻片暴露在有盐酸蒸汽的环境中后，将盖玻片取出得到无基底的PANI薄膜，静置待用；
（3）无基底的PANI薄膜表面修饰
将步骤（2）制备的无基底的PANI薄膜浸泡在去离子水中容器中，待无基底的PANI薄膜颜色由半透明绿色变为半透明蓝色后用磷酸溶液把去离子水置换出来，然后用脂肪酸甲苯溶液将一半磷酸溶液置换出来，再将剩余的一半脂肪酸甲苯溶液加入对无基底的PANI薄膜表面进行修饰，静置后待用；
（4）叉指电极的制作
将聚对苯二甲酸乙二醇酯PET的中间部位用保鲜膜包覆住后磁控溅射，先镀一层Ti膜,再镀一层Ag膜，镀膜结束后将所包裹的保鲜膜拿下来，叉指电极制作完成；
（5）将步骤（3）表面修饰后的PANI薄膜捞起放置叉指电极上后真空除去水蒸气和溶剂得到PANI薄膜气敏传感器，最后在PANI薄膜传感器的电极两端用银浆把导线和电极固定在一起，引出电极线。


2.根据权利要求1所述的基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中磷酸溶液的浓度为0.01mol/L。


3.根据权利要求1或2所述的基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，溅射Ti的时间为30s，厚度为30nm，溅射Ag的时间为5min，厚度为100nm。


4.根据权利要求3所述的基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中旋涂的参数为，低速：500-700r/min时间：300-600S，高速：3000-5000r/min时间：8-15S。


5.根据权利要求1或4所述的基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中脂肪酸甲苯溶液为辛酸C8、葵酸C9、壬酸C10、十一酸C11、月桂酸C12、十七酸C17和山俞酸C22甲苯溶液中的一种，其中脂肪酸甲苯溶液浓度为0.01mol/L。


6.根据权利要求1所述的基于聚苯胺薄膜表面修饰的气敏传感器的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）聚苯胺粉末的制备
苯胺先经过减压蒸馏，然后取11.4mL苯胺、1mol/L的盐酸12.5mL、125mL去离子水形成溶液A；取14.25g过硫酸铵溶解于125mL去离子水中形成溶液B；将B溶液以...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴巍炜，间瑛瑛，胡文文，李英东，姜雪，唐宁，吕锐婵，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61