聚醚砜树脂/石墨烯纳米片多孔纳米复合材料、制备方法及其用途与流程

本发明属于导电高分子复合材料的制备技术，特别是涉及一种一种聚醚砜树脂/石墨烯纳米片多孔纳米复合材料、制备方法及其用途。

背景技术：

气体传感材料由于在环境保护中的广泛应用，特别是用于检测挥发性和有毒气体方面，近年来吸引了科研人员的极大兴趣。传统的气体传感器通常为半导体金属氧化物（例如，氧化锌）。最近，包含碳纳米管（cnt），碳纳米纤维和石墨烯纳米片的碳基纳米材料，由于具有大的比表面积，高电子迁移率等特点也使其成为气体传感器的优良选择。为了进一步增强检测极限，选择性和灵敏度，通常采用金属氧化物和碳纳米材料与其它组分复合的方式。这样可以实现表面催化性能的改善，增加表面反应位点，改善气体传感性能。

虽然半导体金属氧化物，碳纳米材料及其混合材料能作为气体传感器的材料，但它们仅限于几种气体如氢气，氨气和二氧化氮，并且通常不能完全适用于各种有毒或有机溶剂蒸汽。此外，较低的选择性和传感强度，较高的功率消耗和缺乏灵活性限制了它们在实际中的进一步应用。

通过研究发现，导电聚合物复合材料（cpc）由于其质轻，柔性好和较高的传感强度已被开发作为气体传感器材料。当cpc暴露于有机溶剂（液体或蒸汽）时，电阻率通常会显著增加。这是由于有机溶剂蒸汽能够扩散或渗透到cpc中，导致聚合物基体的溶胀，因此导电填料之间的距离增大，电阻率升高。另一方面，当溶剂蒸汽逸出cpc时，电阻率又会降低到其原始值，这是由于蒸汽的解吸引起基体的去溶胀并因此导致导电填料间隔的减小，恢复导电网络。多种因素如聚合物基体和溶剂的溶解度参数，cpc的形状和微观结构以及外部环境（温度，蒸汽压力等）的变化都可以影响气体传感。并且，纳米尺寸的导电填料容易（特别是在高浓度下）聚集，这可能限制材料性质甚至破坏其性能。此外，上述提到的cpc具有固体微观结构，这表明用于溶剂蒸汽的吸附或解吸的平衡时间更长，因此降低了气体传感效率和强度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于气体传感的聚醚砜树脂/石墨烯纳米片多孔纳米复合材料及其制备方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种聚醚砜树脂/石墨烯纳米片多孔纳米复合材料，所述的复合材料是通过将石墨烯纳米片填充到聚醚砜树脂（pes）上得到，其中，石墨烯纳米片占聚醚砜树脂质量分数的0.05-5%。

上述复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）pes粉末溶于dmf中，在60-65℃下磁力搅拌4-6小时，然后得到均匀的pes溶液；

（2）然后，石墨烯纳米片与dmf混合超声形成均匀分散的溶液，超声时间0.5-1.5h，将步骤（1）所述溶液与石墨烯纳米片的dmf溶液混合在一起，在60-65℃下经6-8小时磁力搅拌；

（3）将步骤（2）所述的pes/石墨烯纳米片溶液于密闭条件下静置12小时以上，再将沉淀的纳米复合材料置于85-90℃的水中浸泡12小时以上，冷冻干燥，得到所述的复合材料。

进一步的，步骤（1）中，pes溶液中pes的浓度为10-20wt%。

进一步的，步骤（2）中，石墨烯纳米片的dmf溶液中石墨烯纳米片的含量为0.0056-1.2wt%。

进一步的，步骤（2）中，步骤（1）所述溶液与石墨烯纳米片的dmf溶液按体积比为1:1混合。

上述聚醚砜树脂/石墨烯纳米片多孔纳米复合材料在气体传感方面的应用。

进一步，所述的响应气体包括二氯甲烷、乙醇、丙酮、四氢呋喃等气体。

与现有技术相比，本发明的优点是：（1）所述材料制备过程速度快，耗能低，设备体积小且易于操作。（2）本发明制备的气体传感复合材料重量轻，柔性好和较高的传感强度，循环性能优异，适用范围广。

附图说明

图1为本发明多孔石墨烯纳米片/pes纳米复合材料的制备方法示意图，（a）：pes和石墨烯纳米片溶于dmf的溶液；（b）：溶液出现相分离之后的照片；（c）：测试石墨烯纳米片/pes复合材料韧性；（d）：石墨烯纳米片/pes复合材料的扫描电镜图。

图2为本发明所述的石墨烯纳米片/pes纳米复合材料在丙酮蒸汽中的响应强度随时间变化曲线图。

图3为石墨烯纳米片含量与石墨烯纳米片/pes纳米复合材料的导电性关系图。

图4为本发明所述的石墨烯纳米片/pes纳米复合材料对不同溶剂有机溶剂气体的响应强度。

具体实施方式

本发明的技术方案通过如下具体步骤实现：

实施例1：

（1）实验中，首先制造石墨纳米片（gnp）。石墨插层化合物（gic）在高温下进行快速膨胀以获得膨胀石墨（eg）。将制备的eg分散在水中，然后进行超声处理30分钟，最后在50℃下真空干燥24小时。多孔gnps/pes纳米复合材料的制备：取1gpes粉末溶于9gdmf中，在60℃下磁力搅拌4小时，然后得到均匀的pes溶液；之后0.0005g石墨烯纳米片在9gdmf中超声分散0.5小时。然后，将制备的两种溶液混合，如图1a为pes和石墨烯纳米片混合溶液照片。随后在60℃下磁力搅拌6小时。之后，将均匀分散的pes/石墨烯纳米片溶液置于贮水的密闭容器中12小时，然后将沉淀的纳米复合材料浸入85℃的水中12小时，以交换出大部分dmf，如图1b为水蒸气与混合液中dmf溶剂交换后的照片。之后，将石墨烯纳米片/pes冷冻干燥以除去残留的水和dmf。最后，获得多孔pes/石墨烯纳米片膜。实验过程如图1示意图所示，1c为制备的复合材料柔韧性测试照片。（2）导电性测试，将聚醚砜树脂/石墨烯纳米片多孔复合材料剪成长条状，两端接上导线并涂上导电银浆在80ºc下固化12小时，固化结束后用电阻测试仪测量样品的电阻，为了保证测量结果的准确，多次测试样品电阻，取平均值，其测试结果石墨烯纳米片体积含量与电导率的关系如图3所示。（3）气体传感测试，将一定量丙酮装入锥形瓶中，待溶剂蒸汽饱和之后，放入两侧涂有导电银浆并接导线的聚醚砜树脂/石墨烯纳米片复合材料，导线和电阻测试仪相连接，电阻随时间的变化被原位记录下来，其测试结果如图2所示。按照此方法测试其他气体的响应强度。

实施例2：

（1）取1.5gpes粉末溶于8.5gdmf中，在62℃下磁力搅拌5小时，然后得到均匀的pes溶液；之后0.038g石墨烯纳米片在8.5gdmf中超声分散1小时。然后，将制备的两种溶液混合。随后在62℃下磁力搅拌7小时。之后，将均匀分散的pes/石墨烯纳米片溶液置于贮水的密闭容器中13小时，然后将沉淀的纳米复合材料浸入87℃的水中13小时，以交换出大部分dmf。之后，将石墨烯纳米片/pes冷冻干燥以除去残留的水和dmf。最后，获得多孔pes/石墨烯纳米片膜。其中1d为本实施例制备的复合材料扫描电子显微镜照片。（2）导电性测试，将聚醚砜树脂/石墨烯纳米片多孔复合材料剪成长条状，两端接上导线并涂上导电银浆在80ºc下固化12小时，固化结束后用电阻测试仪测量样品的电阻，为了保证测量结果的准确，多次测试样品电阻，取平均值，其测试结果石墨烯纳米片体积含量与电导率的关系如图3所示。（3）气体传感测试，将一定量丙酮装入锥形瓶中，待溶剂蒸汽饱和之后，放入两侧涂有导电银浆并接导线的聚醚砜树脂/石墨烯纳米片复合材料，导线和电阻测试仪相连接，电阻随时间的变化被原位记录下来。按照此方法测试其他气体的响应强度，本实施例制备的复合材料测试结果如图4，其中a.二氯甲烷b.乙醇c.丙酮d.四氢呋喃。

实施例3：

（1）取2gpes粉末溶于8gdmf中，在65℃下磁力搅拌6小时，然后得到均匀的pes溶液；之后0.1g石墨烯纳米片在8gdmf中超声分散1.5小时。然后，将制备的两种溶液混合。随后在65℃下磁力搅拌8小时。之后，将均匀分散的pes/石墨烯纳米片溶液置于贮水的密闭容器中14小时，然后将沉淀的纳米复合材料浸入90℃的水中14小时，以交换出大部分dmf。之后，将石墨烯纳米片/pes冷冻干燥以除去残留的水和dmf。最后，获得多孔pes/石墨烯纳米片膜。（2）导电性测试，将聚醚砜树脂/石墨烯纳米片多孔复合材料剪成长条状，两端接上导线并涂上导电银浆在80ºc下固化12小时，固化结束后用电阻测试仪测量样品的电阻，为了保证测量结果的准确，多次测试样品电阻，取平均值，其测试结果石墨烯纳米片体积含量与电导率的关系如图3所示。（3）气体传感测试，将一定量丙酮装入锥形瓶中，待溶剂蒸汽饱和之后，放入两侧涂有导电银浆并接导线的聚醚砜树脂/石墨烯纳米片复合材料，导线和电阻测试仪相连接，电阻随时间的变化被原位记录下来。按照此方法测试其他气体的响应强度。

从上述实施例可知，石墨烯纳米片含量增加到0.005vol%时，材料的电导率显著增加，之后随着石墨烯纳米片含量增加电导率缓慢增加，当石墨烯纳米片含量在0.05vol%时增加到最大。