本發明專利技術屬于氣敏材料制備領域，尤其涉及一種金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件及其制備方法。本發明專利技術是通過將金屬氧化物多孔納米固體研磨，加入去離子水制成漿料涂覆到基片上，然后經過高溫燒結形成多孔厚膜；再將摻雜態聚苯胺研磨加溶劑調制成漿，然后涂覆在多孔厚膜上，自然晾干，形成氣敏材料復合涂層的方法實現的。本發明專利技術的金屬氧化物//聚苯胺復合電阻型氣敏元件，其多孔厚膜與基片之間、多孔厚膜與聚苯胺之間的粘接性均很好，不易脫落；還有選擇性好、靈敏度高、響應時間短、恢復時間短，恢復性好；成本低、工藝簡單的優點。尤其可用于檢測低濃度的二氧化氮氣體。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及ー種，屬于氣敏材料制備領域。
技術介紹
氣敏傳感器多用來檢測ー氧化碳、氫氣、甲烷、城市煤氣、液化石油氣等易燃易爆氣體以及氮氧化物、氨氣、硫化氫等有毒氣體和苯、甲苯等有機可揮發蒸氣。以上這些有毒有害氣體的泄露所引起的爆炸、火災以及安全事故嚴重威脅著人們的生命及財產安全，因此對這些氣體做出快速而準確的檢測和監控是十分必要的。氣敏材料是氣敏傳感器的核心，因此選擇并優化氣敏材料、開發和應用新功能氣敏材料，一直是傳感器研究的熱點。 考慮到SnO2等無機半導體材料和導電聚合物聚苯胺(PANI)作為氣敏材料各有優勢，為充分發揮二者的協同作用，并利用納米尺寸效應、大的比表面積，有研究者已報道了嘗試將無機納米材料與導電聚合物聚苯胺復合用于敏感元件。聚苯胺與無機半導體氣敏材料復合后對特定的目標氣體如氨氣、ニ氧化氮等具有較高的靈敏度和選擇性，可以在常溫下使用，同時便于修飾，可按功能基團所需進行分子設計和合成，因此該類復合材料逐漸成為氣敏傳感器領域的研究熱點。從目前的研究結果看，與傳統的無機半導體材料相比，人們對其研究還不夠深入，而國內的研究更是剛剛起歩，該類氣敏傳感器還存在著響應-恢復時間長、目標氣體不能夠完全脫附，檢測目標氣體単一等缺點，而且人們對其氣敏機理還不是很清楚，不能夠很好地指導此類氣敏材料及元件的開發。因此，加強對聚苯胺與無機半導體材料組裝復合材料的合成及氣敏特性研究具有重要的理論及實際意義。鑒于金屬氧化物/聚苯胺復合氣敏材料具有巨大的應用潛力，目前開展的應用研究主要有N02、C0、NH3等。目前制備金屬氧化物/聚苯胺復合氣敏材料主要是采用(2005年，Manoj Kumar Ram, O zlem Yavuz, Vitawat Lahsangah, Matt Aldissi)機械共M法制備了聚苯胺/ ニ氧化錫復合氣敏材料、聚苯胺/ ニ氧化鈦復合氣敏材料，對CO和NO2進行檢測。2007年L. N. Geng等人(L. N. Geng, Y. Q. Zhao, X. L. Huang, S. R. Wang, S. Μ.Zhang, S. H. ffu, Sens. Actua. B 120(2007) 568-572)利用水熱法制備了 PANI/ SnO2 復合粉狀氣敏材料，其厚膜在90°C下對250ppm的こ醇蒸氣的靈敏度為I. 36，而對800ppm的丙酮蒸氣的靈敏度為1.455. 氣敏元件的靈敏度為電阻靈敏度，其定義是元件在空氣中的電阻值和在目標氣體中的電阻值之比，即 ^ =/ a/7 g (對還原性氣體)=RgfRa (對氧化性氣體) 式中Ra——氣敏元件在潔凈空氣中的電阻值(Ω );Rg——氣敏元件在被測氣體中的電阻值(Ω )。2009 年 N. G. Deshpande, Y. G. Gudage, Ramphal Sharma, J. C. Vyas, J. B.Kim, Y. P. Lee通過將SnO2納米顆粒懸浮于聚苯胺溶液中，獲得了 Sn02/PANI復合薄膜氣敏材料在室溫下對300ppm的NH3的靈敏度為I. 5。通常ニ氧化錫等金屬氧化物氣敏材料涂覆在三氧化ニ鋁等基片上，必須經過高溫(600°C以上)燒結，才能提高其與基片的粘接性。但由于聚苯胺在300°C以上極易分解，所以聚苯胺與ニ氧化錫等金屬氧化物復合后的氣敏材料無法經過高溫燒結，因此經過上述簡單復合并涂覆在基片上的材料，與基片的粘接性很差，氣敏材料極易從基片上脫落，從而限制了此類復合氣敏材料的應用。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種氣敏材料與基片之間的粘接性能好、不易脫落的金屬 氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件及其制備方法。本專利技術的技術方案 ー種金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件，通過下述步驟制備而成 1)采用溶劑熱壓法將具有氣敏性能的納米金屬氧化物制備成金屬氧化物多孔納米固體； 2)將金屬氧化物多孔納米固體研磨至O.5-9 μ m，加入去離子水制成漿料涂覆到基片上，然后經過高溫燒結，在基片上得到厚度為1(Γ300μπι的多孔厚膜； 3)將導電聚苯胺溶解調制成漿料，然后涂覆在多孔厚膜上，自然晾干，形成厚度為5 100 μ m的涂層； 4)將基片固定在基座上即得金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件。聚苯胺涂層與金屬氧化物多孔厚膜復合在一起即形成了ー種金屬氧化物/聚苯胺復合膜；該金屬氧化物/聚苯胺復合膜中的金屬氧化物多孔納米固體是單獨通過高溫燒結在基片上的，從而保證了與基片之間牢固的粘接性，并保持了多孔結構；在燒結之后獲得的多孔厚膜上再涂覆聚苯胺，從而避免了使聚苯胺遇到高溫而分解，并且多孔的結構使聚苯胺很容易與其粘接。所述基片是指氣敏元件中用來涂覆氣敏材料的載體，目前常用的有三氧化ニ鋁陶瓷管、三氧化ニ鋁陶瓷片等。所述導電聚苯胺是指質子酸摻雜態的聚苯胺。多孔納米固體是指利用納米晶體構建的有一定的通道結構和適當機械強度的固體材料。本專利技術中的金屬氧化物多孔納米固體是以金屬氧化物納米粉體為原料，采用中國專利031118720中所述的可控汽化溶劑熱壓技術(即本專利技術中所述的溶劑熱壓法)制備而成的。本專利技術中，金屬氧化物多孔納米固體加去離子水制成漿料的粘稠度、以能夠形成適宜涂抹的漿體為宜。金屬氧化物多孔厚膜、有機涂層的厚度與采用現有技術中的其他氣敏材料涂覆在基片上時的常規厚度，沒有特別之處。本專利技術之所以采用金屬氧化物多孔納米固體而不是用金屬氧化物納米粉體直接經研磨涂覆得到多孔厚膜，因金屬氧化物納米粉體的比面積很大，表面能也很大，涂覆在陶瓷管等基片上后在燒結過程中晶粒長大速度過快，氣體聚集在晶界來不及排出，導致燒結致密度不高，且表面容易出現大的裂紋及溝道，導致厚膜極易從陶瓷管等基片表面剝落下來，也就是厚膜與基片的粘接性能很差；而當納米粉體制成多孔納米固體、再經過研磨涂覆到基片上，在燒結過程中，納米顆粒的熔連長大現象明顯減弱，從微觀表面形貌上看，未出現大的裂紋，從而提高了粘接性能，不易脫落。另外，多孔納米固體制成的厚膜具有的多孔結構有利于后期聚苯胺與之粘接復合。本專利技術的金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件的工作條件為120_250°C。上述的金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件，所使用的金屬氧化物多孔納米固體優選采用下述方法制備而成以金屬氧化物納米粉體為原料加造孔劑研磨，制成漿料，將漿料裝入溶劑熱壓反應釜中，在150-250V和50-90MPa下恒溫恒壓2_5小時，然后熱壓釜冷卻至室溫，取出樣品，即得到金屬氧化物多孔納米固體。試驗表明，當將金屬氧化物多孔納米固體研磨至3-6 μ m時，上述的金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件的金屬氧化物多孔納米固體與基片之間的粘接性最好。 上述的金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件，按照每克金屬氧化物多孔納米固體加I. 5-2. 5ml去離子水的比例調制的漿料，方便涂覆、且所得的多孔厚膜厚度均勻；當多孔厚膜的厚度為50-200 μ m時，其靈敏度最好。上述的金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件，按照每克聚苯胺加5_15ml溶劑的比例所配置的聚苯胺的粘稠度，方便涂覆、且所得的苯胺涂層與多孔厚膜之間的粘接性最好；此時聚苯胺涂層的厚度為10-100 μ m。上述的金屬氧化物/聚苯本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件，其特征在于，通過下述步驟制備而成：1）采用溶劑熱壓法，將具有氣敏性能的納米金屬氧化物顆粒制備成金屬氧化物多孔納米固體；2）將金屬氧化物多孔納米固體研磨至0.5？9μm，加入去離子水制成漿料涂覆到基片上，然后經過高溫燒結，在基片上得到厚度為10~300μm的多孔厚膜；3）將導電聚苯胺溶解調制成漿料，然后涂覆在多孔厚膜上，自然晾干，形成厚度為5~100μm的涂層；4）將基片固定在基座上即得金屬氧化物/聚苯胺復合電阻型氣敏元件。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：徐紅燕，陳興橋，曹丙強，
申請(專利權)人：濟南大學，
類型：發明
國別省市：
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