[发明专利]一种低逾渗阈值、低检测限聚乳酸/多壁碳纳米管敏感材料及其应用

说明书

技术领域

本发明属于功能高分子(复合)材料技术领域，具体涉及一种低逾渗阈值、低检测限聚乳酸/多壁碳纳米管敏感材料及其应用。

背景技术

近年来，敏感性导电聚合物复合材料(SCPCs)由于能够感知外界环境刺激物，如温度、张力和挥发性有机物(VOCs)，受到了广泛关注。它们广泛地用作自控温加热电缆、过电流保护器(PolySwitch)和化学气体传感器(B.Kumar,M.Castro,J.F.Fell,Carbon 50(2012)3627–3634；P.Pissis,G.Georgousis,C.Pandis,M.Omastová,Procedia Eng.114(2015)590–597；T.Villmow,S.Pegel,A.John,R.Rentenberger,P.Mater Today 14(2011)340–345)。特别是，随着现代文明的发展，人类日益关心他们生活的环境和身体健康。因此，对空气及室内环境污染物的监测和预防就显得日益重要。这就要求开发一种高敏感的化学气体传感器或电子鼻元件，用于执行一些特定化学或环境检测、溶剂泄漏检测、地面矿物检测以及聚合物结构检测。由于作为传感器核心的敏感材料决定了传感器的选择性、灵敏性、线性相关性及稳定性，因此敏感材料的选择和优化以及新型功能材料的开发和应用一直是传感器研究的热点。

Morohashi等(H.Morohashi,T.Nakanoya,H.Iwata,T.Yamauchi,N.Tsubokawa,Polym.J.38(2006)548–553)报导了双亲性聚合物聚(N-异丙基丙烯酰胺)及聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)接枝炭黑气体传感材料用于有机溶剂蒸气的检测，该传感材料具有高的逾渗阈值，导电填料炭黑的填充量高达20wt％。刘凯华等(刘凯华,李军荣,何北海,梁明露.复合材料学报31(2014)1121-1126)报导了多壁碳纳米管(MWCNTs)/天然纤维素-壳聚糖导电复合材料，其逾渗阈值为2.8wt％，该材料表现出负蒸气系数效应，对氯仿蒸气具有良好的响应性和使用稳定性，但其响应-浓度关系及检测限有待进一步提高。韩国忠南大学S.C.Kang等(S.C.Kang,J.S.Im,S.H.Leek,Y.S.Lee,Colloids and Surfaces A:Physicochem.Eng.Aspects 384(2011)297-303)使用静电纺丝技术组装了基于聚丙烯腈/碳纳米管复合体的高灵敏性NO气体传感器，但其多壁碳纳米管有较高含量，且制备工艺复杂。中国发明专利(CN100514502C)公开了熔融共混法制备由至少两种聚合物材料或/和不少于两种不同的炭系导电填料组成的聚合物基炭系导电高分子复合材料，该复合材料具有低导电填料填充量和高导电性，最佳的导电填料所占质量含量在2％～15％。王劭妤等(王劭妤,石坚,郑来云.复合材料学报2012,(6):50-54)采用室温溶液共混法制备纯化和酸化碳纳米管(CNTs)/PLA复合膜，纯CNTs/PLA复合材料体积电阻率为10¹²～10¹⁴欧姆·厘米，经过酸化处理的CNTs/PLA复合材料体积电阻率降低到7.85×10⁸欧姆·厘米，但其分散稳定性较差，长时间放置容易分层，且复合材料的导电性远远未达到半导电的水平，不能用于对环境敏感气体的检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有聚合物/导电载流子复合导电体系中，碳纳米管填充量高、检测限低的缺陷，提供一种具有低逾渗阀值与低检测限的高分子量聚乳酸/多壁碳纳米管敏感材料，以及该材料在挥发性有机溶剂蒸气检测中的应用。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：所述敏感材料是将多壁碳纳米管超声分散于分散介质中，再加入聚乳酸，在40～50℃搅拌复合20～24小时形成的均匀分散体，其中以聚乳酸和多壁碳纳米管的总质量为100％计，聚乳酸为95.0％～97.5％、多壁碳纳米管为2.5％～5.0％，优选聚乳酸为96.5％～97.5％、多壁碳纳米管为2.5％～3.5％

上述的敏感材料是按照每毫升分散介质中共加入10～40mg聚乳酸和多壁碳纳米管形成的均匀分散体，优选每毫升分散介质中共加入15～25mg聚乳酸和多壁碳纳米管形成的均匀分散体。

上述的多壁碳纳米管由中国科学院成都有机化学研究所提供，纯度为95wt％，公称外径30～50nm，管长10～30μm，使用前预先研磨成粉末，并在120℃烘箱中干燥处理。