专利名称：一种常温检测氨气的柔性传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种氨气传感器，具体来说是一种常温检测氨气的柔性传感器及其制备方法。
背景技术：
氨气是一种无色剧毒气体，在低浓度下就能使人体健康受到很大的�：Γ逼觳庠诠ひ�、医药、制冷、农业、大气检测、国防等很多领域具有非常广泛的应用。氨气传感器是利用某种物质对氨气具有很强的敏感性，氨气微小的量的变化都会引起该种物质的某些物理或化学性能的很大的变化(电阻、温度、燃烧点、光学性能等)。目前气体传感器的研究发展比较迅速，有很多方法被用来制备气体传感器，如化学气相沉积法(CVD)，印刷法，涂布，静电纺丝法等。但化学气相沉积法存在工艺复杂，而涂布法和印刷法存在表面粗糙导致性能的差异，此外静电纺丝法由于要采取一些挥发性强的有机溶剂对制备及生产环境带来影响。总体来讲，当前的研究及方法普遍存在制备工艺复杂，在制备过程中要采取一些挥发性强的有机溶剂，以及在制备和氨气检测过程中需要高温等比较苛刻的条件，并且其敏感度不够高，适应范围不够广，稳定性不够好等不足。此外在氨气传感器材料方面也有很多研究，如采用SnO2掺杂质量比10%的多壁碳纳米管制备成的薄膜传感器对40ppm浓度的氨气在常温条件下的敏感系数在20%，但必须在550°C的高温，及真空度为O. OlTorr的条件下才能制备实现。采用TiO2制备出的传感器则存在灵敏度不高的弱点，而利用ITO-PAN1-TiO2-1TO等不同的涂层制备氨气传感器，其敏感系数即使在200ppt浓度下最高也只有18%，容易造成比较大的偏差。采用MoOjP V2O5等金属制备的传感器恢复时间则比较长。并且其所需温度高达500°C。采用钛掺杂In2O3陶瓷制备氨气传感器则制备温度达到145°C，且敏感系数不够高。2011年6月22日公开的中国专利号为CN 102103103A的一种用于检测氨气的传感器及其制备方法，是以P型有机半导体聚(3-烷基)噻吩为聚(3-己基)噻吩为功能层原料，采用氧化和真空蒸镀的方法制备，制备时间较长，需要较高的温度，且检测时需要较高的温度。2007年7月11日公开的中国专利号为CN 1996004A的涂覆式氨气传感器薄膜及其制备方法，是以三氧化铟和钛酸丁酯为原料，采用煅烧及涂覆的方法制备，在制备传感器薄膜和氨气检测时都需要高温的条件。2012年8月15日公开的中国专利号为CN 102636522A的石墨烯/ 二氧化锡纳米复合电阻型薄膜气体传感器及其制作方法，以陶瓷为基体，以石墨烯/ 二氧化锡为原料，通过光刻、蒸发和涂覆的方法制备，其可在常温下检测，但由于其不可弯曲性，在很多领域的应用受到限制。可以看出，上述公开的技术方案存在如制备条件比较苛刻、在常温常压条件不能很好使用、对气体敏感系数不够高、及稳定性不够好等弱点，或者由于其不可折叠弯曲性，在很多领域的应用受到限制。植物纤维相比金属、塑料、陶瓷等材料，具有轻质、可折叠的特点，并且其自身具有的疏松多孔的三维结构，有助于纳米粒子或溶液与之良好结合，在功能材料领域得到广泛的应用。但其同时也具有导电性非常差的缺点。碳纳米管因其特殊的物理和化学性质，用碳纳米管制备出的氨气传感器检测氨气的范围更广，并且只需要在常温条件下就可以检测至IJ。但同时这种氨气传感器的灵敏度由于具有比较低的吸附能和结合力，其敏感性比较低，并且可选择性也比较低。由于PABS对氨气具有非常敏感的特点，在常温条件下极容易与氨气结合。将单壁碳纳米管与PABS结合，可以显著提高单壁碳纳米管气体传感器的敏感性，其在保持单壁碳纳米管的良好导电性的基础上，保持PABS对氨气的非常敏感的特点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的，在于提供一种能在常温条件下对氨气进行检测的柔性传感器及其制备方法，为实现上述目的，本发明的技术解决方案为一种用于常温检测氨气的柔性传感器，所述的柔性传感器，由相纸、纳米银层二电极式电极、及其两端连接的源电极和漏电极、和SWNT-PABS功能层组成，所述相纸为基体，纳米银层二电极式电极对称喷涂在相纸的含感光乳层的保护膜的表面，SffNT-PABS功能层喷涂在对称的纳米银层二电极式电极之间，源电极和漏电极连接在对称的纳米银层二电极式电极的两端。所述的相纸(2)的克重为90_160g/m2。所述的SWNT-PABS功能层(3)采用经二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管材料。一种用于常温检测氨气的传感器的制备方法，所述制备方法，包括以下步骤a制备柔性传感器纳米银层二电极式电极选定基体相纸，采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置将粒径为40-82nm，浓度为1. 10-2. 60g/ml的纳米银溶液喷印在相纸含感光乳层的保护膜的表面制备出对称的纳米银层二电极式电极，纳米银层厚度为8-30微米。其中，纳米银层二电极式电极长8-35mm，宽2_15mm，纳米银层二电极式电极之间间隔为1. 0-3. 0mm。b制备柔性传感器SWNTs-PABS功能层将二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管颗粒溶于去离子水体系中，通过高频超声分散，频率为10% -40%，每次超声4-20分钟，暂停5分钟，重复3-20次，制备出浓度为2mg/ml-5mg/ml,粘度为常温下< 40Pa. S的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液。采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置，将经步骤b制备出的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液喷墨印刷在经步骤a的纳米银层二电极式电极之间，并与纳米银层二电极式电极的两端相连接，喷墨印刷15-30层，形成SffNTs-PABS 功能层。c制备柔性传感器在对称的纳米银层二电极式电极的外端分别连接源电极和漏电极，制备出用于常温检测氨气的柔性传感器。由于采用了以上技术方案，与现有技术方案相比，本发明具有以下优点本发明所述的柔性传感器是以相纸为基体，具有随意折叠、裁剪和弯曲的特点。本发明采用喷墨印刷方法在相纸含感光乳层的保护膜表面进行喷印制备纳米银层二电极式电极和SWNT-PABS功能层，相纸对纳米银溶液和SWNT-PABS导电溶液具有良好的吸附性，并且工艺简单，可达到微型尺寸，易于集成化。SWNT-PABS作为氨气柔性传感器的功能层，由于PABS对氨气具有非常敏感的特点，在常温下就能对氨气进行检测，检测浓度低至lppm，具有非常敏感的特点，在经过长达4个月时间还能保持良好的稳定性，并且采用去离子水分散避免了因加入其他分散剂而造成SWNT-PABS纤维的阻隔而降低涂层导电性的问题，同时避免了采用有机溶剂分散带来的环境污染；
图1为本发明柔性传感器结构示意具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，见附图。一种用于常温检测氨气的柔性传感器，所述的柔性传感器，由相纸2、纳米银层二电极式电极1、及其两端连接的源电极4和漏电极5、和SWNT-PABS功能层3组成，所述相纸2为基体，纳米银层二电极式电极I对称喷涂在相纸2的含感光乳层的保护膜的表面，SffNT-PABS功能层3喷涂在对称的纳米银层二电极式电极I之间，源电极4和漏电极5连接在对称的纳米银层二电极式电极I的两端。所述的SWNT-PABS功能层3采用经二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管材料。由于PABS在常温下对氨气具有非常敏感的特点，当传感器接触氨气时，SWNT-PABS与氨气发生反应，从而引起经过功能层连接的纳米银层二电极式电极电阻会发生急剧的变化，对氨气的检测浓度低至lppm，传感器具有非常敏感的特点，在经过长达4个月时间还能保持良好的稳定性。由于是采用相纸为基体，采用DimatixMaterials Printer-2800喷墨印刷装置将纳米银溶液和SWNT-PABS导电溶液在相纸含感光乳层的保护膜表面进行喷墨印刷，首先相纸基体，相比以陶瓷、玻璃、薄膜等材料为基体，其对导电溶液具有良好的吸附性；并且采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置对纳米银溶液和SWNT-PABS导电溶液进行喷墨印刷，能保证涂层的表面更加均匀细致从而具有更好的导电性能，且使得传感器能做到微型化和集成化；同时相纸克重为90-160g/m2，使得传感器既具有一定的力学性能，同时又保持纸张的柔性可切割、裁剪、弯曲的特点。所述制备方法，包括以下步骤a制备柔性传感器纳米银层二电极式电极I选定基体相纸2,采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置将粒径为40-82nm，浓度为1. 10-2. 60g/ml的纳米银溶液喷印在相纸2含感光乳层的保护膜的表面，经过多次喷�。票赋龆猿频哪擅滓愣缂降缂�1，最后纳米银层厚度为8-30微米，在相纸2含感光乳层的保护膜的表面喷墨印刷纳米银溶液，主要是为提高传感器的导电率。其中，纳米银层二电极式电极I长8-35mm，宽2_15mm，纳米银层二电极式电极I之间间隔为1. 0-3. 0mm。b制备柔性传感器SWNTs-PABS功能层I将二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管颗粒溶于去离子水体系中，通过高频超声分散，频率为10% -40%,每次超声4-20分钟，暂停5分钟，重复3-20次，制备出浓度为2mg/ml-5mg/ml，粘度为常温下< 40Pa. S的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液；采用去离子水能均匀分散二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液，能避免因加入其他分散剂而造成SWNT-PABS纤维的阻隔而降低涂层导电性的问题，同时避免了采用有机溶剂分散带来的环境污染，粘度控制在常温下< 40Pa. S，可确保溶液能够在喷印时不被堵塞。采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置，将经步骤b制备出的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液喷墨印刷在经步骤a的纳米银层二电极式电极I之间，并与纳米银层二电极式电极I的两端相连接，喷墨印刷15-30层，形成SffNTs-PABS 功能层 3。c制备柔性传感器在对称的纳米银层二电极式电极I的外端分别连接源电极4和漏电极5，源电极4和漏电极5与纳米银层二电极式电极I之间可采用卡式连接，制备出用于常温检测氨气的柔性传感器，源电极4和漏电极5的连接可使得柔性传感器很容易与其他装置或材料结合，形成集成化。具体实施例实施例1 :a制备柔性传感器纳米银层二电极式电极选定基体相纸，采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置将粒径为40nm左右，浓度为1. 10g/ml的纳米银溶液喷印在相纸含感光乳层的保护膜的表面，选择80°C环境干燥50分钟，制备出对称的纳米银层二电极式电极，纳米银层厚度为8微米左右;其中，纳米银层二电极式电极长8mm，宽2mm，纳米银层二电极式电极之间间隔为1.Omm ；b制备柔性传感器SWNTs-PABS功能层将二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管颗粒溶于去离子水体系中，通过高频超声分散，频率为40%，每次超声4分钟，暂停5分钟，重复3次，制备出浓度为2mg/ml，粘度为常温下< 40Pa. S的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液，再通过粘度分析仪分析溶液的粘度，采用纤维粒径分析仪和AFM分析SWNTs-PABS纳米粒子的微观形态；采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置,将经步骤b制备出的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液喷墨印刷在经步骤a的纳米银层二电极式电极之间，并与纳米银层二电极式电极的两端相连接，喷印后，都选择80°C环境干燥5分钟，再重复下一工序，喷墨印刷30层，形成SWNTs-PABS功能层；c制备柔性传感器在对称的纳米银层二电极式电极的外端分别连接源电极和漏电极，制备出用于常温检测氨气的柔性传感器。实施例2 a制备柔性传感器纳米银层二电极式电极选定基体相纸，采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置将粒径为60nm左右，浓度为1.50g/ml的纳米银溶液喷印在相纸含感光乳层的保护膜的表面，选择70°C环境干燥10分钟，制备出对称的纳米银层二电极式电极，纳米银层厚度为14微米左右;其中，纳米银层二电极式电极长10mm，宽3mm，纳米银层二电极式电极之间间隔为
2.Omm ；b制备柔性传感器SWNTs-PABS功能层将二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管颗粒溶于去离子水体系中，通过高频超声分散，频率为20%，每次超声10分钟，暂停5分钟，重复10次，制备出浓度为3mg/ml，粘度为常温下< 40Pa. S的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液，再通过粘度分析仪分析溶液的粘度，采用纤维粒径分析仪和AFM分析SWNTs-PABS纳米粒子的微观形态；采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置,将经步骤b制备出的3mg/ml的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液喷墨印刷在经步骤a的对称的纳米银层二电极式电极之间，并与纳米银层二电极式电极的两端相连接，喷印后，都选择70°C环境干燥15分钟，再重复下一工序，喷墨印刷20层，形成SWNTs-PABS功能层；c制备柔性传感器在对称的纳米银层二电极式电极的外端分别连接源电极和漏电极，制备出用于常温检测氨气的柔性传感器。实施例3 a制备柔性传感器纳米银层二电极式电极选定基体相纸，采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置将粒径为70nm左右，浓度为2. 10g/ml的纳米银溶液喷印在相纸含感光乳层的保护膜的表面，选择75°C环境干燥15分钟，制备出对称的纳米银层二电极式电极，纳米银层厚度为20微米左右;其中，纳米银层二电极式电极长20mm，宽gmm，纳米银层二电极式电极之间间隔为
2.5mm ；b制备柔性传感器SWNTs-PABS功能层将二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管颗粒溶于去离子水体系中，通过高频超声分散，频率为30%，每次超声15分钟，暂停5分钟，重复15次，制备出浓度为4mg/ml，粘度为常温下< 40Pa. S的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液，再通过粘度分析仪分析溶液的粘度，采用纤维粒径分析仪和AFM分析SWNTs-PABS纳米粒子的微观形态；采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置,将经步骤b制备出的4mg/ml的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液喷墨印刷在经步骤a的纳米银层二电极式电极之间，并与纳米银层二电极式电极的两端相连接，喷印后，都选择75°C环境干燥15分钟，再重复下一工序，喷墨印刷20层，形成SWNTs-PABS功能层；c制备柔性传感器在对称的纳米银层二电极式电极的外端分别连接源电极和漏电极，制备出用于常温检测氨气的柔性传感器。
实施例4 a制备柔性传感器纳米银层二电极式电极选定基体相纸，采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置将粒径为82nm左右，浓度为2. 60g/ml的纳米银溶液喷印在相纸含感光乳层的保护膜的表面，选择80°C环境干燥20分钟，制备出对称的纳米银层二电极式电极，纳米银层厚度为30微米左右;其中，纳米银层二电极式电极长35mm，宽15mm，纳米银层二电极式电极之间间隔为 3. Omm ；b制备柔性传感器SWNTs-PABS功能层将二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管颗粒溶于去离子水体系中，通过高频超声分散，频率为40%，每次超声20分钟，暂停5分钟，重复20次，制备出浓度为5mg/ml，粘度为常温下< 40Pa. S的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液，再通过粘度分析仪分析溶液的粘度，采用纤维粒径分析仪和AFM分析SWNTs-PABS纳米粒子的微观形态；采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置,将经步骤b制备出的5mg/ml的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液喷墨印刷在经步骤a的纳米银层二电极式电极之间，并与纳米银层二电极式电极的两端相连接，喷印后，都选择80°C环境干燥20分钟，再重复下一工序，喷墨印刷15层，形成SWNTs-PABS功能层；c制备柔性传感器在对称的纳米银层二电极式电极的外端分别连接源电极和漏电极，制备出用于常温检测氨气的柔性传感器。
权利要求
1.一种用于常温检测氨气的柔性传感器，其特征在于:所述的柔性传感器，由相纸(2)、纳米银层二电极式电极(I)、及其两端连接的源电极⑷和漏电极(5)、和SWNT-PABS功能层⑶组成，所述相纸⑵为基体，纳米银层二电极式电极⑴对称喷涂在相纸⑵的含感光乳层的保护膜的表面，SWNT-PABS功能层(3)喷涂在对称的纳米银层二电极式电极(I)之间，源电极⑷和漏电极(5)连接在对称的纳米银层二电极式电极(I)的两端。
2.按权利要求1所述的一种用于常温检测氨气的柔性传感器，其特征在于:所述的相纸(2)的克重为90-160g/m2。
3.按权利要求1所述的一种用于常温检测氨气的柔性传感器，其特征在于:所述的SWNT-PABS功能层(3)采用经二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管材料。
4.按权利要求1所述的一种用于常温检测氨气的传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法，包括以下步骤: a制备柔性传感器纳米银层二电极式电极(I) 选定基体相纸(2),采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置将粒径为40-82nm，浓度为1.10-2.60g/ml的纳米银溶液喷印在相纸(2)含感光乳层的保护膜的表面制备出对称的纳米银层二电极式电极(I)，纳米银层厚度为8-30微米； 其中，纳米银层二电极式电极(I)长8-35mm，宽2-15mm，纳米银层二电极式电极(I)之间间隔为1.0-3.0mm ； b制备柔性传感器SWNTs-PABS功能层(3) 将二乙基丙炔胺甲酸 盐修饰的单壁碳纳米管颗粒溶于去离子水体系中，通过高频超声分散，频率为10% -40%，每次超声4-20分钟，暂停5分钟，重复3-20次，制备出浓度为2mg/ml-5mg/ml，粘度为常温下< 40Pa.S的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液； 采用Dimatix Materials Printer-2800喷墨印刷装置，将经步骤b制备出的均相二乙基丙炔胺甲酸盐修饰的单壁碳纳米管导电溶液喷墨印刷在经步骤a的纳米银层二电极式电极(I)之间，并与纳米银层二电极式电极(I)的两端相连接，喷墨印刷15-30层，形成SffNTs-PABS 功能层(3); c制备柔性传感器 在对称的纳米银层二电极式电极(I)的外端分别连接源电极(4)和漏电极(5)，制备出用于常温检测氨气的柔性传感器。
全文摘要
本发明涉及一种氨气传感器，具体来说是一种可在常温条件检测氨气的柔性传感器及其制备方法。本发明的柔性传感器是以相纸为基体，具有随意折叠、裁剪和弯曲的特点，采用喷墨印刷方法在相纸含感光乳层的保护膜表面进行喷印制备纳米银层二电极式电极和SWNT-PABS功能层，由于PABS对氨气具有非常敏感的特点，在常温下就能对氨气进行检测，检测浓度低至1ppm，具有非常敏感的特点，在经过长达4个月时间还能保持良好的稳定性，本发明的制备方法工艺简单，可达到微型尺寸，易于集成化。
文档编号G01N27/12GK103076370SQ20121057954
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者黄良辉, 徐卫林, 孟静, 王栋, 罗远芳, 陈克复 申请人:武汉纺织大学
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