一种交联结构聚苯胺包覆碳纤维杂化气敏材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料合成和气体传感器领域；具体设及一种交联结构聚苯胺包覆碳纤 维杂化气敏材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 半导体气敏传感器通常由敏感元件、转换元件及检测器件所组成。其中，敏感元件 是传感器的核屯、，它决定传感器的选择性、灵敏度、线性度、稳定性等。因此，选择并优化敏 感材料W及新功能材料的开发和应用一直是传感器研究的热点。
[0003] 导电聚合物应用于气体传感器敏感材料的研究始于上世纪八十年代。可W用作气 敏材料的导电聚合物主要有聚苯胺、聚化咯、聚嚷吩等。聚苯胺W其独特的导电机理而获得 了广泛的关注，成为导电聚合物研究的热点。聚苯胺及其复合物作为气敏材料具有价格低 廉、制备工艺简单、结构可控、操作溫度低、灵敏度高等优点。但也同时存在着响应恢复时间 长、环境稳定性差等缺点。渗杂改性可W影响聚苯胺的导电性和气敏性能。因此，人们采取 了一系列的措施对其性能进行改进，如在其大分子链上引入侧基、与无机物粒子或高分子 基材进行共混或共聚形成复合材料等。氧化石墨締、碳纳米管、碳微球、碳纤维等碳材料W 其独特的电学性质和结构特性成为了导电聚合物作为气敏材料的优异渗杂材料。碳材料具 有比表面积大、稳定性好等优点，但存在灵敏度低、选择性差等缺点。因此，制备碳基聚苯胺 杂化材料可W实现材料的优势互补，是气敏材料的研究热点。
[0004] 总之，设计并合成碳基导电聚合物杂化体系是极有发展前景的一个研究方向。尤 其在气体传感器方面有着巨大的应用开发潜力，有望为能源和环境的可持续发展提供解决 途径，产生巨大的经济和社会效益。
【发明内容】
阳〇化]本发明要解决现有导电聚合物作为气体传感器气敏材料存在气敏响应时间长，稳 定性差的问题。本发明的目的在于提供可W用作气体传感器用气敏材料的一种新的交联结 构聚苯胺包覆碳纤维杂化材料。本发明还提供了一种交联结构聚苯胺包覆碳纤维杂化材料 的制备方法。该方法通过热解聚合物的方法制备交联结构碳纤维。W所制备的碳纤维为骨 架原位合成聚苯胺包覆碳纤维杂化材料。制备工艺简单，原材料价格低廉，适合大量制备。
[0006] 为了解决聚苯胺作为气敏材料存在的技术问题，本发明的一种交联结构聚苯胺包 覆碳纤维杂化气敏材料的制备方法，其特征在于该制备方法是按下述步骤进行的：
[0007] 步骤一、将十六烷基Ξ甲基漠化锭（CTAB)溶解于盐酸水溶液中，磁力揽拌条件下 加入过硫酸锭（APS)，继续揽拌至均匀，得到乳黄色溶液，在冰水浴条件下，缓慢滴加化咯单 体（Pyrrole)，滴加完毕后继续反应12~3化后，用水洗涂二次后再用无水乙醇洗涂，烘干， 得到黑色粉末状聚化咯；
[0008] 步骤二、将步骤一制得的聚化咯放入真空气氛管式炉中，在惰性气体的保护下，升 溫至500~900°C恒溫炭化反应1~化后，降溫至室溫后取出，得到交联结构碳纤维；
[0009] 步骤Ξ、将苯胺单体与盐酸水溶液混合，然后加入步骤二制得的交联结构碳纤维， 超声混合Ih;然后在惰性气体保护下冰水浴，缓慢滴加含有过硫酸锭（ΑΡ巧的盐酸水溶液， 滴加完毕后反应24~4她后，用水洗涂二次后再用无水乙醇和丙酬洗涂，烘干；即得到聚苯 胺包覆碳纤维杂化材料（墨绿色粉末状）。
[0010] 步骤一中化咯单体（Pyrrole)和十六烷基Ξ甲基漠化锭（CTAB)的摩尔比为 (10 ~20) :1。 W11] 步骤一中化咯单体（Pyrrole)和过硫酸锭（AP巧的摩尔比为（1~W: 1。
[0012] 步骤一中烘干溫度为60°C~80°C。烘干时间为化~12h。
[0013] 步骤二所述的惰性气体为氮气或者氣气；步骤Ξ所述的惰性气体为氮气或者氣 气。
[0014] 步骤二中W5°C/min速率升溫。
[0015] 步骤Ξ中超声频率为5曲Z~40曲Z，超声时间为20min~60min。
[0016] 步骤Ξ中苯胺单体和交联结构碳纤维的比质量为1: (0.2~1)。
[0017] 步骤Ξ中苯胺单体（Aniline)和过硫酸锭（AP巧的摩尔比为1: (1~3)。
[0018] 本发明与碳纳米管、碳微球和石墨締等碳基材料相比，交联状的碳纤维具有环形 相互连通的独特结构。一方面，该环形交联的碳纤维作为复合材料的骨架，可W用于构建Ξ 维的空间结构；使复合材料具有较高的比表面积，提高气体与材料的接触面积，有利于气体 在材料表面的吸附，从而提高气敏材料对待测气体的响应灵敏度。另一方面，该环形交联的 碳纤维可W作为复合材料的导线，为电子的传输提供通道。使Ξ维的复合材料具有良好的 电学特性，加速气体在复合材料表面的反应，缩短气敏材料对待测气体响应时间。
【附图说明】
[0019] 图1为【具体实施方式】二所制备的交联碳纤维的SEM图；图2为【具体实施方式】二制 备的交联结构聚苯胺包覆碳纤维杂化材料的SEM图；图3为室溫下【具体实施方式】二制备的 交联结构聚苯胺包覆碳纤维杂化材料薄膜传感器对不同浓度NH3的气敏响应性能测试响 应-恢复曲线；图4为室溫下【具体实施方式】二制备的交联结构聚苯胺包覆碳纤维杂化材料 薄膜传感器对l(K)ppmNHs的气敏响应稳定性测试响应-恢复曲线。
【具体实施方式】
[0020] 通过下面【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限 于所述内容。
[0021]
【具体实施方式】一：本实施方式中一种交联结构聚苯胺包覆碳纤维杂化气敏材料的 制备方法是按下述步骤进行的： 阳02引步骤一、将5.8g十六烷基Ξ甲基漠化锭（CTAB)溶解于100血浓度为1.Omol/L盐 酸水溶液中，磁力揽拌条件下加入13. 7g的过硫酸锭（APS)，继续揽拌至均匀，得到乳黄色 溶液，在冰水浴条件下，缓慢滴加（每3秒钟1滴）16g化咯单体（Pyrrole)，滴加完毕后继 续反应24h后，用水洗涂二次后再用无水乙醇洗涂，80°C烘干lOh，得到黑色粉末状聚化咯；
[0023] 步骤二、将1.Og步骤一制得的聚化咯放入真空气氛管式炉中，在氮气（80血/min) 的保护下，W5°C/min的升溫速率升溫至800°C恒溫炭化反应化后，降溫至室溫后取出，得 到交联结构碳纤维；
[0024] 步骤Ξ、将1. 4g苯胺单体与50血浓度为1.Omol/L盐酸水溶液混合，然后加入 0.6g步骤二制得的交联结构碳纤维，超声混合Ih(超声频率为20kHz);然后在氮气保护下 冰水浴，缓慢滴加（每3秒钟1滴）含有3. 42g过硫酸锭（AP巧的盐酸水溶液（1.Omol/L 50mL)，滴加完毕后反应24h后，用水洗涂二次后再用无水乙醇和丙酬洗涂，在80°C条件下 烘干12h;即得到聚苯胺包覆碳纤维杂化材料（墨绿色粉末状）。
[0025] 本实施例所述步骤一中化咯单体（Pyrrole)和十六烷基Ξ甲基漠化锭（CTAB)的 摩尔比为15:1。化咯单体（Pyrrole)和过硫酸锭（AP巧的摩尔比为4:1。 阳0%] 本实施例所述步骤二中炭化溫度为800°C，恒溫炭化时间为化。
[0027] 本实施例所述步骤Ξ中苯胺单体（Aniline)和交联结构碳纤维的比质量为 1:0. 43。苯胺单体（Aniline)和过硫酸锭（AP巧的摩尔比为1:1。
【具体实施方式】 [0028] 二：本实施方式中一种交联结构聚苯胺包覆碳纤维杂化气敏材料的 制备方法是按下述步骤进行的：
[0029] 步骤一、将7. 3g十六烷基Ξ甲基漠