[发明专利]一种基于柔性棉纤维/聚苯胺复合材料气体传感器的制备方法

说明书

本发明涉及一种将一种基于柔性棉纤维/聚苯胺复合材料气体传感器的制备的方法。该方法中涉及的装置是由4个传感器和8个电极组成。为了避免传统传感器基底带来的浪费，采用原位聚合法制备了棉纤维/聚苯胺复合材料。负载PANI棉条的传感器(CSPS)和棉线的传感器(CYPS)具有良好的气体传感性能。CSPS和CYPS对NH3均有很高的选择性，对湿度有很高的抗干扰性，传感器件重复性良好。与棉条CSPS相比，准一维棉线CYPS由于表面暴露率较高，因而具有更高的灵敏度、更快的响应速度和恢复速度。CYPS对100ppm NH3的响应从CSPS的‑32.1%提高到‑92.1%，恢复时间从CSPS的30.1 s缩短20.1 s。重要的是，研究赋予了棉纤维新的多样化功能，拓展了棉纤维的应用领域。

技术领域

本发明涉及有毒气体检测领域，特别是涉及一种可识别性检测有毒气氛的方法，该方法通过将聚苯胺负载在棉纤维上来制备气体传感器，且不需要衬底，以实现对多种目标气体的差异性响应。

背景技术

气体传感器在生产和生活中扮演着越来越重要的作用，是物联网的核心设备之一。传统的气体传感材料大多为固体粉末，需要刚性基底(陶瓷或石英)或柔性基底(塑料或橡胶)来支撑，寻找一种不需要刚性基底的气体传感器是一个挑战。目前，包括陶瓷和塑料在内的大多数基底都具有不可生物降解的、不可回收的，生物相容性差，渗透性差等缺点。例如，塑料需要450年才能分解，陶瓷与塑料相比几乎是不可降解的。而且多种传感器和柔性显示器的寿命平均为18个月。所以，电子应用会产生大量的垃圾，对保护环境来说是一个挑战。此外，这些基底的低渗透性阻碍了传感材料对目标气体分子的有效暴露，从而限制了气体传感性能的提高和改善。生物材料作为自然界中最大的材料系统，不仅具有良好的生物相容性、生物降解性和通用性，而且具有可持续性和低成本等优点。生物材料的柔性和可生物降解性因其可减少环境污染，所以越来越受到人们的重视。滤纸作为植物纤维的一种产品，由于其具有易降解、高渗透、低成本等特点，已发展成为一种简单、多用途、灵活、一次性的替代装置系统。Liu等人通过将胶体PbS量子点分别旋转涂覆在Al2O3、聚对苯二甲酸乙二醇酯和纸上，构建了NO2柔性气体传感器。结论显示，当NO2浓度为50ppm时，纸基传感器表现出最高的气体传感响应，这主要是因为较高的PbS暴露于目标气体分子的表面。Manohar等人报告说，将利用纤维素(纸和布)上包覆单壁碳纳米管(CNT)束薄膜的方法制成的化学传感器可以在250 ppb和500 ppb时探测到氧化性气体，如二氧化氮和氯。Swager等人还报道了，化学功能化碳纳米管可在纸上快速形成传感器阵列，并将其用于挥发性有机化合物(VOCs)的鉴别检测。与此同时，基于纸张的CNT传感器也被用于VOCs的选择性检测。然而，造纸过程中会产生大量的废水、废气、固体废物和噪音将对环境产生污染。Cho等人将石墨烯负载在蝴蝶翅膀上，制备了一种超灵敏的气体传感器，能够对丙酮蒸汽进行高选择性的检测，包括快速响应时间(1 s)、低检测基限(20 ppb)和优越的机械性能。然而，蝴蝶的翅膀并不容易获得，大量蝴蝶翅膀的获取可能会导致蝴蝶的灭绝，破坏生态系统。另一方面，制造柔性电子器件用的棉纤维因其价格低廉、加工方便、耐久性好和良好的机械性能而受到越来越多的关注。Torrisi等人通过真空过滤将氧化石墨烯(GO)分散体沉淀到棉织物上，制备出柔性导电棉织物。在此基础上，采用180℃热压60min的方法对棉织物进行还原，制备柔性压力传感器。Han等人将CNTs负载在棉纱上，制备出NH3气体传感器，其检测限为8ppm。CNTs-棉线传感器具有均匀性、重复性和良好的抗弯曲机械性。以上研究为棉纤维作为气体传感衬底的探索和气体传感器的发展提供了启示。

在传感材料方面，聚苯胺(PANI)因其形态可调、制备可扩展、易掺杂、成本低等优点，也被广泛研究作为柔性电子器件的发展方向。从结构上看，PANI的单体苯胺含有氨基，而天然纤维素含有丰富的羟基。羟基很容易与氨基形成氢键，使苯胺分子通过氢键吸附在棉纤维上。因此，本研究首次采用原位聚合的方法制备了棉纤维与PANI的多功能柔性复合材料。研究了柔性复合材料的气体传感性能。

发明内容