一种开孔高分子气敏材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及一种复合材料领域，具体地说涉及一种开孔高分子气敏材料及其制备方法与应用。

背景技术：

由于导电填料//聚合物气敏导电材料的电阻随周围气体环境的变化而发生显著变化，因此在环境监测、对化工生产中有害试剂、气体的泄露监控与“电子鼻”等方面有着广阔的应用前景。传统的导电填料//聚合物气敏导电材料以半导体氧化物作为导电填料、陶瓷等作为基底的无机复合气敏材料。

目前聚合物基气敏材料具有价格低廉、加工温度低、柔韧性好、易成型等特点备受关注。作为气敏材料使用时，导电高分子复合材料通常被热压或者浇铸成薄膜，这样有利于气体的浸入或者溶胀，从而实现高气敏强度，但是，这样的薄膜存在牢固度不够，作用面积小，稳定性低等缺点，如在监测管道中流动气体时，只要有一定流速和压强的气流就容易冲破薄膜，从而限制了导电粒子/聚合物气敏导电材料在类似领域的应用。因此，设计一种新的具有优异耐压性能、可用于高速流动气体通过与检测的气敏高分子材料，对进一步拓展其应用领域意义重大。

技术实现要素：

为解决导电高分子复合材料作为气敏材料存在的问题，本发明提出了一种开孔高分子气敏材料及其制备方法，该气敏材料具有利于高速流动气体通过、强度高、响应度灵敏、且制备工艺简单、可规模化生产等特性。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种开孔高分子气敏材料是具有导电填料网络结构的复合材料，电阻值为10⁸~10Ω，开孔高分子气敏材料由下述各组份制成，各组份中聚合物泡沫的重量份为5-99，导电填料的重量份为1-40，胶粘剂的重量份为0-84。

所述聚合物泡沫选自聚苯乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、三聚氰胺、聚酯泡沫中的一种，

所述的导电填料选自氧化石墨烯纳米片、氧化石墨烯纳米带、石墨烯纳米片、石墨烯纳米带、炭黑、碳纤维、纳米碳纤维、碳纳米管中的一种。

所述的粘胶剂胶选自有机硅胶粘剂。优选自有机硅硅树脂或者有机硅橡胶型胶粘剂，交联方式为加成型或者缩合型。

所述的开孔高分子气敏材料的制备方法为：将导电填料分散于分散液中，制得质量浓度为0.1-60%的导电填料混合液，然后将聚合物泡沫浸于上述导电填料混合液中，后处理得到开孔高分子气敏材料。分散液选自液体胶粘剂、胶粘剂与稀释溶剂的混合液、有机溶剂、水中一种。稀释溶剂选自正己烷、石油醚、正庚烷、甲苯、二甲苯、四氢呋喃中一种或者几种，胶粘剂与稀释溶剂的混合液中，胶粘剂的质量浓度为20-70%，有机溶剂选自丙酮、乙醇中的一种或者两者。

后处理步骤为：当分散液选自有机溶剂或水时，通过烘干干燥排除有机溶剂或水得到开孔高分子气敏材料，或者通过烘干排除有机溶剂或水后还原氧化石墨烯带或者氧化石墨烯修饰聚合物泡沫得到开孔高分子气敏材料；当分散液含胶粘剂时，将胶粘剂固化或者先排除稀释溶剂再胶粘剂固化，得到开孔高分子气敏材料。

作为优选，所述的还原氧化石墨烯带或者氧化石墨烯修饰聚合物泡沫的工艺为，水合肼80-100℃蒸汽还原3-8h。

所述高分子气敏材料是导电填料和开孔聚合物泡沫两者或者导电填料、开孔聚合物泡沫和胶粘剂三者形成的具有导电网络结构的复合材料，解决了薄膜气敏材料牢固度不够、检测流动气体易破、稳定性低等缺点，灵敏性、稳定性和重复使用性优良、可应用在检测高气压高流速的流动气体、监测有毒、有害气体泄漏的开孔高分子气敏材料，或作为导电高分子材料使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）该气敏材料具有利于高速流动气体通过、强度高、响应度灵敏、良好的稳定性和重复使用性；

（2）制备工艺简单、可规模化生产。

附图说明

图1（a）、（b）为实施例1制备的开孔高分子气敏材料1在不同溶剂蒸汽中的响应曲线，其中相对电阻（瞬时电阻R/初始电阻R₀）表征材料的气敏响应度；

图2（a）、（b）为实施例3制备的开孔高分子气敏材料3在不同溶剂蒸汽中的响应曲线，其中相对电阻（瞬时电阻R/初始电阻R₀）表征材料的气敏响应度。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，实施例中所用原料均可市购。

实施例1

将氧化石墨烯纳米片加入乙醇中，超声分散配成质量百分比浓度为0.1%的氧化石墨烯乙醇溶液，将20×20×10 mm的聚氨酯开孔泡沫浸泡于其中，采用挤压和真空脱泡的方法将泡沫充分浸润，然后取出置于铜网上，100 ℃鼓风干燥。重复上述浸泡-干燥4次。取上述填料修饰聚氨酯泡沫，置于反应釜中上部，底下滴加水合肼，密闭置于90 ℃烘箱中3 h。即制得开孔高分子气敏材料1。

开孔高分子气敏材料1中石墨烯纳米片的质量百分数为2%，开孔高分子气敏材料1的电阻为44.8KΩ。

开孔高分子气敏材料1在不同溶剂蒸汽中的响应曲线如图1所示，其中相对电阻（（瞬时电阻R/初始电阻R₀）表征材料的气敏响应度；

实施例2

将石墨烯纳米片加入丙酮中，超声分散配成质量百分比浓度为1%的石墨烯乙醇丙酮溶液，将20×20×10 mm的聚乙烯开孔泡沫浸泡于其中，采用挤压和真空脱泡的方法将泡沫充分浸润，然后取出置于铜网上，100 ℃鼓风干燥。即制得开孔高分子气敏材料2。

开孔高分子气敏材料2中石墨烯纳米片的质量百分数为3.8%，开孔高分子气敏材料1的电阻为12.3KΩ。

实施例3

将氧化石墨烯纳米带加入乙醇中，超声分散配成质量百分比浓度为1.5%的氧化石墨烯带乙醇溶液，将20×20×10 mm的聚氨酯开孔泡沫浸泡于其中，采用挤压和真空脱泡的方法将泡沫充分浸润，然后取出置于铜网上，100 ℃鼓风干燥。取上述填料修饰聚氨酯泡沫，置于反应釜中上部，底下滴加水合肼，密闭置于90 ℃烘箱中3 h。即制得开孔高分子气敏材料3。

开孔高分子气敏材料3中石墨烯纳米带的质量百分数为5%，开孔高分子气敏材料3的电阻为147.2KΩ。

开孔高分子气敏材料3在不同溶剂蒸汽中的响应曲线如图2所示，其中相对电阻（瞬时电阻R/初始电阻R₀）表征材料的气敏响应度。

实施例4

将氧化石墨烯带加入乙醇中，超声分散配成质量百分比浓度为2.5%的氧化石墨烯带乙醇溶液，将20×20×10 mm的三聚氰胺开孔泡沫浸泡于其中，采用挤压和真空脱泡的方法将泡沫充分浸润，然后取出置于铜网上，鼓风干燥。取上述氧化石墨烯带修饰聚氨酯泡沫，置于反应釜中上部，底下滴加水合肼，密闭置于100 ℃烘箱中5 h。即制得开孔高分子气敏材料5。

开孔高分子气敏材料4中石墨烯带的质量百分数为10%，开孔高分子气敏材料4的电阻为110.8KΩ。

实施例5

将石墨烯纳米带加入乙醇中，超声分散配成质量百分比浓度为0.5%的石墨烯带乙醇溶液，将20×20×10 mm的三聚氰胺开孔泡沫浸泡于其中，采用挤压和真空脱泡的方法将泡沫充分浸润，然后取出置于铜网上，鼓风干燥。即制得开孔高分子气敏材料5。

开孔高分子气敏材料5中石墨烯纳米带的质量百分数为6%，开孔高分子气敏材料5的电阻为1258.6KΩ。

实施例6

将交联方式为加成型的有机硅树脂溶解于正己烷中配成质量分数为70%的混合液，然后将石墨烯纳米带加入上述混合液中，超声15min后，再机械搅拌共混20-50min，得到导电填料浓度为20%的分散液。将聚氯乙烯泡沫浸入制备好的导电填料混合液中，经过反复挤压，真空排泡，离心的方法使其均匀涂敷。随后在70℃排溶剂30min，升温至80℃条件下，固化2h，得到开孔高分子气敏材料6。

开孔高分子气敏材料6中石墨烯纳米带的质量百分数为16 %，胶粘剂的重量份为56 %，开孔高分子气敏材料6的电阻为2.5 KΩ。

实施例7

将交联方式为加成型的有机硅橡胶型胶粘剂溶解于甲苯中配成质量分数为20%的混合液，然后将碳纳米管加入上述混合液中，超声15min后，再机械搅拌共混20-50 min，得到导电填料浓度为1%的分散液。将PU泡沫浸入制备好的导电填料混合液中，经过反复挤压，真空排泡，离心的方法使其均匀涂敷。随后在70℃排溶剂30min，升温至80℃条件下，固化2h，得到开孔高分子气敏材料7。

开孔高分子气敏材料7中碳纳米管的质量百分数为2.3%，胶粘剂的重量份为46%，开孔高分子气敏材7的电阻为12.3 KΩ。

实施例8

将纳米碳纤维加入到交联方式为缩合型的有机硅橡胶型胶粘剂中，超声20min后，再机械搅拌共混20-50 min，得到导电填料浓度为12%的分散液。将PU泡沫浸入制备好的导电填料混合液中，经过反复挤压，真空排泡，离心的方法使其均匀涂敷。随后在室温固化72h，得到开孔高分子气敏材料8。

开孔高分子气敏材料8中纳米碳纤维的质量百分数为9.6%，胶粘剂的重量份为80%，开孔高分子气敏材8的电阻为25.4 KΩ。