一種用于氨氣檢測(cè)的纖維素基復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于氨氣檢測(cè)的纖維素基復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料含有天然纖維素基體和粉末導(dǎo)電性填料；本發(fā)明采用棉纖維為基體，基體高分子鏈有大量的羥基，易于與極性的氨氣氣體形成氫鍵結(jié)合，從而使本發(fā)明的復(fù)合材料具有對(duì)氨氣表現(xiàn)較強(qiáng)響應(yīng)的氣敏特性。本發(fā)明的復(fù)合材料利用天然纖維素纖維為基體，與導(dǎo)電性填料復(fù)合而成，在遇到氨氣時(shí)復(fù)合材料的電阻會(huì)迅速發(fā)生變化。該復(fù)合材料的最終產(chǎn)品無毒無味，不會(huì)污染環(huán)境。本發(fā)明的復(fù)合材料還具有高穩(wěn)定性和重復(fù)使用性，可為制造檢測(cè)氨氣的氣敏元器件提供基材。
【專利說明】一種用于氨氣檢測(cè)的纖維素基復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)電高分子復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于氨氣檢測(cè)的纖維素基復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以導(dǎo)電性填料(如碳納米管等)填充纖維素基體所構(gòu)成的氣敏導(dǎo)電高分子復(fù)合材料，具有在較大范圍內(nèi)可調(diào)的導(dǎo)電性能、易于成型加工、成本低及對(duì)氨氣響應(yīng)度高等特點(diǎn)。其工作原理是:復(fù)合材料置于氨氣氣體中，氣體很快進(jìn)入材料內(nèi)部，能夠與纖維素形成氫鍵結(jié)合，導(dǎo)致纖維素與碳納米管之間的氫鍵就會(huì)被破壞，取而代之的是纖維素與氨氣形成分子間氫鍵，從而使得碳納米管與纖維素的相互作用大大減弱，碳納米管粒子的聚集作用增強(qiáng)，從而使材料的導(dǎo)電性能增加。當(dāng)處于空氣中時(shí)，氨氣向外擴(kuò)散，纖維素與碳納米管重新結(jié)合，電阻迅速增大。以合成聚合物為基體的氣敏材料有較低的逾滲值，從而具有良好的導(dǎo)電性，其力學(xué)性能較好，而以天然纖維素為基體的氣敏導(dǎo)電復(fù)合材料鮮有報(bào)道。此外，通過導(dǎo)電填料改性作用，增加了導(dǎo)電填料與基體之間的氫鍵結(jié)合，從而提高材料的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。
[0003]填充型氣敏導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的機(jī)體材料基本為非極性機(jī)體，通常只對(duì)可以使基體高分子材料溶脹或溶解的溶劑氣體呈現(xiàn)強(qiáng)的氣敏響應(yīng)。根據(jù)負(fù)蒸氣系數(shù)效應(yīng)，極性氣體傾向于與纖維素基體形成氫鍵結(jié)合，而非極性的氣體則傾向于溶脹或溶解非極性高分子基體。所以，采用纖維素作為基體所得的復(fù)合材料只對(duì)極性氣體(如氨氣)有較大的響應(yīng)性能，而對(duì)非極性的氣體的 響應(yīng)很小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種檢測(cè)氨氣的纖維素基復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料具有逾滲值低，穩(wěn)定性好、靈敏度高、重復(fù)使用性能優(yōu)異等特性，具體技術(shù)方案如下。
[0005]一種用于氨氣檢測(cè)的纖維素基復(fù)合材料，其含有天然纖維素基體A和粉末導(dǎo)電性填料B ;天然纖維素基體A和粉末導(dǎo)電性填料B的質(zhì)量比為:16.7-66.7:1。
[0006]上述述纖維素基復(fù)合材料的制備方法，其包括如下步驟:
①將粉末導(dǎo)電性填料經(jīng)過濃硝酸處理、十二烷基磺酸鈉處理后放入干燥器中備用；
②在容器中加入相當(dāng)于導(dǎo)電性填料質(zhì)量1.67X IO3倍的離子液體，通入氮?dú)獠⒃谟驮″佒屑訜釘嚢?，溫度?0-105°C，之后加入纖維素基體；
③待上述物質(zhì)(纖維素基體)完全溶解后，按計(jì)算量加入經(jīng)步驟①處理后的粉末導(dǎo)電填料，繼續(xù)通氮?dú)鈹嚢?-10min得粘狀物；
④將所得粘狀物涂于玻璃電極板上，用去離子水洗去離子液體，于70-80°C抽真空干燥9-10min，得纖維素基氣敏導(dǎo)電復(fù)合材料即所述用于氨氣檢測(cè)的纖維素基復(fù)合材料。
[0007]進(jìn)一步的，所述的離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([811頂](:1)、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽([BMM]Ac)、l-乙基-3-甲基咪唑氯鹽([EMM] Cl)或1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽([EMM] Ac)。
[0008]進(jìn)一步的，所述玻璃電極板的電極為兩根銅絲平行纏繞在長(zhǎng)2cm、寬Icm的玻璃板上，此時(shí)電阻R= 00。
[0009]進(jìn)一步的，所述的粉末導(dǎo)電性填料為碳納米管，具有典型的一維結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，其直徑< 2nm，長(zhǎng)度為5-15 μ m，比表面積500-700 m2/g，導(dǎo)電粉末純度大于95%。
[0010]進(jìn)一步的，所述纖維素基體為棉纖維。
[0011]本發(fā)明對(duì)纖維素基體無特殊限制，主要原料為棉纖維。本發(fā)明導(dǎo)電性填料一般是粉末狀，如碳納米管。使用前需要經(jīng)過改性處理。
[0012]針對(duì)填充型氣敏導(dǎo)電高分子復(fù)合材料絕大部分基體均為合成高分子或半導(dǎo)體金屬氧化物的事實(shí)，本發(fā)明采用棉纖維為基體，基體高分子鏈有大量的羥基，易于與氨氣形成氫鍵結(jié)合，從而使本發(fā)明的復(fù)合材料具有對(duì)氨氣表現(xiàn)較強(qiáng)響應(yīng)的氣敏特性。
[0013]本發(fā)明采用將導(dǎo)電填料改性，增加羥基的方法，使得導(dǎo)電填料粒子可以更為均勻的分散于纖維素基體當(dāng)中，從而有效降低了復(fù)合材料的逾滲值，使復(fù)合材料在基體力學(xué)性能無損的條件下獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性能。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:
本發(fā)明的整個(gè)制造工藝過程中不需要添加其它助劑，且基體為纖維素，所得材料無毒無味，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。
[0015]本發(fā)明采用離子液體溶解.纖維素的方法，溶解纖維素，使得材料具有較高的電導(dǎo)率，將碳納米管改性，增加了其表面的羥基，與纖維素充分混合，從而增加了填料與基體間的相容性，改善了導(dǎo)電性填料與纖維素基體間的相互作用，最終達(dá)到改善復(fù)合材料氣敏響應(yīng)靈敏度和穩(wěn)定性的目的。
[0016]本發(fā)明的復(fù)合材料對(duì)氨氣表現(xiàn)出較高靈敏性，而且具有高穩(wěn)定性和重復(fù)使用性。
[0017]以下通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1a?圖1d分別為不同纖維素基含量的復(fù)合材料(實(shí)施例1-4 )在氨氣中的響應(yīng)曲線，其中相對(duì)電阻(瞬時(shí)電阻R/初始電阻Rtl)表征復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)表現(xiàn)，測(cè)試溫度為30。。。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。
[0020]實(shí)施例廣4的配比如表I，其制備方法具體步驟如下:
①將碳納米管(直徑2nm，長(zhǎng)度15μ m,比表面積700 m2/g，純度為95%)經(jīng)過濃硝酸在120°C加熱回流4h，再將其置于十二烷基磺酸鈉-乙醇(十二烷基磺酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)溶液中70°C下加熱攪拌90min，最后用蒸餾水洗滌至中性后放入干燥器中備用；
②將Ig離子液體置于試管中，按計(jì)算量加入0.02g的棉纖維(每次取1/10，分批加入)，通入氮?dú)獠⒃谟驮″佒屑訜釘嚢?，溫度?00°C ；
③待上述棉纖維完全溶解(約Ih)后加入0.0006g經(jīng)步驟①處理過的導(dǎo)電性填料，繼續(xù)通氮?dú)鈹嚢鐸Omin ；
④將所得粘狀物涂于玻璃電極板上，用去離子水洗去離子液體，于80°C抽真空干燥IOmin,得復(fù)合材料。
[0021]按上述步驟共制作4組該復(fù)合材料，其中棉纖維的質(zhì)量(相對(duì)于導(dǎo)電性填料質(zhì)量的倍數(shù))分別為 16.7,33.3、50.0、66.7。
[0022]表2為復(fù)合材料(實(shí)施例1-4)在氨氣氣體中氣敏響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間，圖1 a?圖1d分別為不同纖維素含量的復(fù)合材料(實(shí)施例1-4)在氨氣中的響應(yīng)表現(xiàn)，測(cè)試溫度為30°C。
[0023]表I纖維素基復(fù)合材料組成配方*
【權(quán)利要求】
1.一種用于氨氣檢測(cè)的纖維素基復(fù)合材料，其特征是含有天然纖維素基體A和粉末導(dǎo)電性填料B ;天然纖維素基體A和粉末導(dǎo)電性填料B的質(zhì)量比為:16.7-66.7:1。
2.一種制備權(quán)利要求1所述纖維素基復(fù)合材料的方法，其特征在于包括如下步驟: ①將粉末導(dǎo)電性填料經(jīng)濃硝酸處理、十二烷基磺酸鈉處理后放入干燥器中備用； ②在容器中加入相當(dāng)于導(dǎo)電性填料質(zhì)量1.67X IO3倍的離子液體，通入氮?dú)獠⒃谟驮″佒屑訜釘嚢?，溫度?0-105°C，之后加入纖維素基體； ③待纖維素基體完全溶解后，按計(jì)算量加入經(jīng)步驟①處理后的粉末導(dǎo)電填料，繼續(xù)通氮?dú)鈹嚢?-10min得粘狀物； ④將所得粘狀物涂于玻璃電極板上，用去離子水洗去離子液體，于70-80°C抽真空干燥9-10min，得纖維素基氣敏導(dǎo)電復(fù)合材料即所述用于氨氣檢測(cè)的纖維素基復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([BMM]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽([BMM]Ac)、l-乙基-3-甲基咪唑氯鹽([EMM]Cl)或1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽([EMM]Ac)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述玻璃電極板的電極為兩根銅絲平行纏繞在長(zhǎng)2cm、寬Icm的玻璃板上,此時(shí)電阻R= 00。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的粉末導(dǎo)電性填料為碳納米管，具有典型的一維結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，其直徑< 2nm，長(zhǎng)度為5-15 μ m，比表面積500-700m2/g,導(dǎo)電粉末純度大于95%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟①所述經(jīng)濃硝酸處理的條件為:100-120°C加熱冷凝回流3. 5-4h，硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% ;所述經(jīng)十二烷基磺酸鈉處理的條件為:溫度60-70°C，pH=7，時(shí)間為90-100min，十二烷基磺酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%。
【文檔編號(hào)】C08K9/02GK103435849SQ201310372901
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】李軍榮, 劉凱華, 何北海, 陳政 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)