[發明專利]一種交聯結構聚苯胺包覆碳纖維雜化氣敏材料的制備方法

有效

• 申請號: 201510835009.9
• 申請日: 2015-11-25
• 公開（公告）號: CN105254876A
• 公開（公告）日: 2016-01-20
• 發明（設計）人: 闞侃;田媛;石雨;高宇;崔寶玉
• 申請（專利權）人: 黑龍江省科學院大慶分院
• 主分類號: C08G73/02
• 分類號: C08G73/02;C08L79/02;C08K7/06;D01F9/24
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 張金珠

技術領域

本發明屬于材料合成和氣體傳感器領域；具體涉及一種交聯結構聚苯胺包覆碳纖維雜化氣敏材料的制備方法。

背景技術

半導體氣敏傳感器通常由敏感元件、轉換元件及檢測器件所組成。其中，敏感元件是傳感器的核心，它決定傳感器的選擇性、靈敏度、線性度、穩定性等。因此，選擇并優化敏感材料以及新功能材料的開發和應用一直是傳感器研究的熱點。

導電聚合物應用于氣體傳感器敏感材料的研究始于上世紀八十年代?？梢杂米鳉饷舨牧系膶щ娋酆衔镏饕芯郾桨?、聚吡咯、聚噻吩等。聚苯胺以其獨特的導電機理而獲得了廣泛的關注，成為導電聚合物研究的熱點。聚苯胺及其復合物作為氣敏材料具有價格低廉、制備工藝簡單、結構可控、操作溫度低、靈敏度高等優點。但也同時存在著響應恢復時間長、環境穩定性差等缺點。摻雜改性可以影響聚苯胺的導電性和氣敏性能。因此，人們采取了一系列的措施對其性能進行改進，如在其大分子鏈上引入側基、與無機物粒子或高分子基材進行共混或共聚形成復合材料等。氧化石墨烯、碳納米管、碳微球、碳纖維等碳材料以其獨特的電學性質和結構特性成為了導電聚合物作為氣敏材料的優異摻雜材料。碳材料具有比表面積大、穩定性好等優點，但存在靈敏度低、選擇性差等缺點。因此，制備碳基聚苯胺雜化材料可以實現材料的優勢互補，是氣敏材料的研究熱點。

總之，設計并合成碳基導電聚合物雜化體系是極有發展前景的一個研究方向。尤其在氣體傳感器方面有著巨大的應用開發潛力，有望為能源和環境的可持續發展提供解決途徑，產生巨大的經濟和社會效益。

發明內容

本發明要解決現有導電聚合物作為氣體傳感器氣敏材料存在氣敏響應時間長，穩定性差的問題。本發明的目的在于提供可以用作氣體傳感器用氣敏材料的一種新的交聯結構聚苯胺包覆碳纖維雜化材料。本發明還提供了一種交聯結構聚苯胺包覆碳纖維雜化材料的制備方法。該方法通過熱解聚合物的方法制備交聯結構碳纖維。以所制備的碳纖維為骨架原位合成聚苯胺包覆碳纖維雜化材料。制備工藝簡單，原材料價格低廉，適合大量制備。

為了解決聚苯胺作為氣敏材料存在的技術問題，本發明的一種交聯結構聚苯胺包覆碳纖維雜化氣敏材料的制備方法，其特征在于該制備方法是按下述步驟進行的：

步驟一、將十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)溶解于鹽酸水溶液中，磁力攪拌條件下加入過硫酸銨(APS)，繼續攪拌至均勻，得到乳黃色溶液，在冰水浴條件下，緩慢滴加吡咯單體(Pyrrole)，滴加完畢后繼續反應12～36h后，用水洗滌二次后再用無水乙醇洗滌，烘干，得到黑色粉末狀聚吡咯；

步驟二、將步驟一制得的聚吡咯放入真空氣氛管式爐中，在惰性氣體的保護下，升溫至500～900℃恒溫炭化反應1～3h后，降溫至室溫后取出，得到交聯結構碳纖維；

步驟三、將苯胺單體與鹽酸水溶液混合，然后加入步驟二制得的交聯結構碳纖維，超聲混合1h；然后在惰性氣體保護下冰水浴，緩慢滴加含有過硫酸銨(APS)的鹽酸水溶液，滴加完畢后反應24～48h后，用水洗滌二次后再用無水乙醇和丙酮洗滌，烘干；即得到聚苯胺包覆碳纖維雜化材料(墨綠色粉末狀)。

步驟一中吡咯單體(Pyrrole)和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的摩爾比為(10～20):1。

步驟一中吡咯單體(Pyrrole)和過硫酸銨(APS)的摩爾比為(1～5):1。

步驟一中烘干溫度為60℃～80℃。烘干時間為8h～12h。

步驟二所述的惰性氣體為氮氣或者氬氣；步驟三所述的惰性氣體為氮氣或者氬氣。

步驟二中以5℃/min速率升溫。

步驟三中超聲頻率為5kHz～40kHz，超聲時間為20min～60min。

步驟三中苯胺單體和交聯結構碳纖維的比質量為1:(0.2～1)。

步驟三中苯胺單體(Aniline)和過硫酸銨(APS)的摩爾比為1:(1～3)。

本發明與碳納米管、碳微球和石墨烯等碳基材料相比，交聯狀的碳纖維具有環形相互連通的獨特結構。一方面，該環形交聯的碳纖維作為復合材料的骨架，可以用于構建三維的空間結構；使復合材料具有較高的比表面積，提高氣體與材料的接觸面積，有利于氣體在材料表面的吸附，從而提高氣敏材料對待測氣體的響應靈敏度。另一方面，該環形交聯的碳纖維可以作為復合材料的導線，為電子的傳輸提供通道。使三維的復合材料具有良好的電學特性，加速氣體在復合材料表面的反應，縮短氣敏材料對待測氣體響應時間。

附圖說明