近年来,导电高分子复合材料(CPCs)成为高分子材料功能化研究的一个热点[1–3]。CPCs内部由导电填料相互搭接构建而成的导电网络在外场(如应力、温度、有机气体等)刺激作用下会发生重构而呈现一定规律的电信号,即CPCs的外场应激响应行为,因此其在开发新型智能传感器方面具有广阔的应用前景[4–7]。有机挥发性气体广泛存在于化工、冶金、石油、煤矿等场所,人类长期暴露在有机挥发性气体中会引起多种疾病,如呼吸道疾病、眼角膜疾病、神经性疾病、癌症等,甚至造成死亡[8–9]。此外,有机挥发性气体如乙醇、甲醇、汽油等蒸气与空气混合会形成可爆炸的混合气体,遇到热源或明火有燃烧爆炸的危险。当前对有机挥发性气体的检测方法有很多,如红外吸收法、气相色谱法、电化学法以及高分子传感器法等。高分子传感器由于其易加工,低制造成本,适用范围广,可根据检测对象的不同通过改性、修饰或者掺杂来提高传感器的灵敏度并缩短传感器的响应时间,所以越来越多的研究人员投入到了这一类传感器的研究工作当中[10–13]。
I.Marriam等[14]使用静电纺丝技术制备了可拉伸苯乙烯–丁二烯–苯乙烯三嵌段共聚物/石墨烯(SBS–G)复合纤维,与仅对极性或非极性/低极性有机蒸气响应的传统CPCs不同的是,所制备的SBS–G复合纤维在低温情况下对极性和非极性气体均具有快速响应的性能,并具有高灵敏度,优异的可逆性和再现性。LiuHu等[15]采用简单的溶液共混法制备了热塑性聚氨酯(PUR-T)/石墨烯纳米复合材料,发现提高石墨烯在PUR-T基体中的分散性有益于有效导电路径的形成和稳定电信号的产生。
常州大学采用简单的溶液共混方法,通过超声和高速搅拌制备了PUR-T/单壁碳纳米管(SWCNTs)复合薄膜,采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征复合薄膜微观形貌,使用X射线衍射(XRD)仪对复合薄膜进行物相分析,采用热失重(TG)分析仪对复合薄膜进行热性能分析,并探讨了该复合薄膜在有机气体响应上的运用。
主要原材料
PUR-T:A,巴斯夫(中国)有限公司;
SWCNTs:CAS号为–56–6,俄罗斯OCSiAl公司;
N,N–二甲基甲酰胺(DMF)、正己烷及丙酮:分析纯,国药集团化学试剂有限公司。
主要仪器与设备
电子分析天平:FAB型,上海越平科学仪器有限公司;
超声波清洗器:KQ–KDE型,昆山市超声仪器有限公司;
高速均质机:FA–25型,上海弗鲁克实业有限公司;
FESEM:SUPRA55型,德国Zeiss公司;
XRD仪:D/maxPC型,日本理学株式会社;
TG分析仪:TGF3型,美国PerkinElmer公司;
四探针测试仪:RTS–8型,广州四探针科技有限公司;
直流电阻测试仪:TH型,常州同惠电子股份有限公司。
样品制备
用电子分析天平称取1?gPUR-T,加入10?mLDMF溶解,制得溶液A;称取一定量(质量分数分别为0%,1%,2%,3%,4%,5%)的SWCNTs加入20?mLDMF中,在超声波清洗器中预超声3?h,制得分散液B;然后将溶液A和分散液B混合,将混合液先用高速均质机搅拌20?min,再超声分散3?h,反复3次。将分散均匀的混合液在室温下真空脱泡5?min后,用吸管将其在玻璃片上流延铺满后,置于真空烘箱中于90℃干燥成膜,制得PUR-T/SWCNTs复合导电薄膜。
结论
采用简单的溶液共混方法,即通过超声和高速搅拌实现了SWCNTs在PUR-T基体中的均匀分散,并制备了PUR-T/SWCNTs复合导电薄膜。SWCNTs的加入对PUR-T的物相结构不会产生明显的影响,但一定程度上破坏了PUR-T的微相分离结构,从而降低了其热稳定性;当SWCNTs质量分数为5%时,复合导电薄膜的电导率达到.4?S/m。当SWCNTs质量分数为5%时,复合导电薄膜对非极性正己烷饱和气体表现出良好的响应行为和可循环性,但在极性丙酮饱和气体中可循环性较差并产生了残余电阻。
江苏省研究生科研与实践创新计划项目(KYCX18-)
沈业鹏,罗钟琳,乔艺卉,等.PUR-T/SWCNTs复合导电薄膜对有机气体的响应行为[J].工程塑料应用,,47(11):–.
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