一种具有气体敏感性能的柔性导电薄膜及其应用的制作方法

本发明属于气体传感材料制备技术领域，特别涉及一种具有气体敏感性能的柔性导电薄膜及其应用。

背景技术：

环境污染与食品安全关系到大众切身利益，因此研究气体传感材料对空气质量及食品品质进行监控很有必要。无机纳米材料是最早应用于气体传感领域的材料，但其需要高温测试条件，限制了其在易燃易爆气体环境、高度集成电路、微纳器件等方面的应用。

在工业生产中，三乙胺及氨气是一种石油化工释放的有毒有害气体，危害人体健康。在食品方面，肉类及鱼虾海鲜类产品腐败时会释放三乙胺、乙二胺、氨气等含氮气体，高浓度三乙胺、乙二胺、氨气等含氮气体的食物直接危害消费者的饮食安全。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有气体敏感性能的柔性导电薄膜及其应用，具体技术方案如下：

一种具有气体敏感性能的柔性导电薄膜为二维纳米材料在pet薄膜基底上堆叠成三维网状结构，导电高分子材料附着在三维网状结构上形成的复合薄膜；

所述二维纳米材料为三氧化钼、三氧化钨、四氧化三钴、氧化锡、氧化锌中的一种或多种，形状为薄片状、棒状、针状、线状或空心管状。

所述导电高分子材料为质子化聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩。

所述二维纳米材料优选为薄片状三氧化钼、棒状三氧化钨、针状四氧化三钴、线状氧化锡、线状氧化锡氧化锌复合物或空心管状氧化锡。

所述薄片状三氧化钼厚度1～30nm，宽度20～100nm，长度500nm～5μm；

所述棒状三氧化钨直径2～50nm,，长度500nm～3μm；

所述针状四氧化三钴长度200nm～4μm；

所述线状氧化锡、线状氧化锡氧化锌复合物直径50～100nm，长度大于1μm；

所述空心管状氧化锡壁厚1～10nm，长度大于1μm。

所述pet薄膜面积小于1cm²，厚度小于0.15mm。

所述pet薄膜基底上二维纳米材料的负载量为0.05～15mg/cm²。

所述导电高分子材料与所述二维纳米材料的重量比为1:10～10:1。

所述导电高分子材料在催化剂过硫酸铵或三氯化铁的作用下以金属氧化物酸性活性位点为附着点聚合生长为剑鞘形式或凸起阵列附着于所述二维纳米材料表面。

所述具有气体敏感性能的柔性导电薄膜的应用为，所述柔性导电薄膜在室温下用于检测三乙胺、乙二胺、氨气、乙醇、丙酮、二氧化氮的气体浓度。

所述三乙胺、乙二胺、氨气、乙醇、丙酮、二氧化氮的气体浓度检测下限≤1ppm。

所述柔性导电薄膜的电阻响应值与被检测气体三乙胺、乙二胺、氨气、乙醇、丙酮、二氧化氮的气体浓度呈线性相关；呈线性相关的气体浓度优选为0ppm～100ppm；呈线性相关的气体浓度进一步优选为0.5ppm～100ppm。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的柔性导电薄膜以pet薄膜为基底，使得柔性导电薄膜能适用于可穿戴及微型电子设备；在pet薄膜表面涂覆二维纳米材料，交织堆叠为三维网状结构，不仅为导电高分子附着生长提供骨架，增大气敏材料暴露于空气的表面积，为气体吸附提供更多位点，提高材料气敏灵敏度；而且提高了导电高分子由于受较高温度结构坍塌影响检测灵敏的最高适用温度。导电高分子材料的加入使柔性导电膜在室温下具有气体敏感性能。

(2)本发明提供的柔性导电薄膜可在室温下对三乙胺、乙二胺、氨气、乙醇、丙酮、二氧化氮等气体的浓度进行检测，克服了无机纳米材料的高温监测缺陷；在室温下检测三乙胺、乙二胺、氨气、乙醇、丙酮、二氧化氮气体的浓度时，其电阻响应值与被检测气体浓度呈线性关系，易于检测；

(3)本发明提供的柔性导电薄膜对三乙胺、乙二胺、氨气、乙醇、丙酮、二氧化氮气体的最低检测浓度≤1ppm，可应用于食品检测领域如肉类、鱼虾等海鲜类产品新鲜程度检测，也能用于石油化工释放的有毒有害气体的预警检测，以保障饮食安全和人体健康。

附图说明

附图1为本发明柔性导电薄膜结构示意图；

附图2为实施例1柔性导电薄膜扫描电镜图；

附图3为实施例1柔性导电薄膜电阻响应值与三乙胺气体浓度的相关性；

附图4为实施例2柔性导电薄膜在室温下测试对100ppm三乙胺、乙二胺、氨气、乙醇、丙酮的响应值；

附图5为实施例3柔性导电薄膜在室温下对不同浓度氨气的响应值；

附图6为实施例4所得聚噻吩柔性导电膜电镜图；

附图7为实施例4聚噻吩柔性导电薄膜在室温下对不同浓度二氧化氮的响应值。

具体实施方式

本发明提供了一种具有气体敏感性能的柔性导电薄膜及其应用，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

附图1为本发明柔性导电薄膜结构示意图，弯曲线条为导电高分子，棒状图形为二维纳米材料，立方图形为pet薄膜。

实施例1

将厚度为0.1mm的pet薄膜裁剪成表面积为0.49cm²的正方形薄膜，在上面涂覆3～4mg薄片状三氧化钼，三氧化钼优选尺寸为三氧化钼厚度5～10nm、宽度20～50nm、长度3～5μm，苯胺与三氧化钼以重量比1:10、1:3、10:1混合，在酸性溶液中在过硫酸铵的催化下，苯胺依附于三氧化钼表面的酸性活性位点聚合生成质子化聚苯胺，制得柔性导电薄膜，所得柔性导电膜电镜图分别如图2中图a、b、c所示。

将所得柔性导电薄膜在室温下测试0ppm～100ppm范围内的三乙胺浓度，三乙胺的最低监测浓度为0.5ppm其响应值为1.2，在1ppm时响应值为2.8(响应值为柔性导电薄膜在空气中的电阻与在测试气氛中电阻的比值)，所得柔性导电薄膜对三乙胺的响应值与三乙胺的浓度呈线性相关性，拟合关系为y＝2.65+0.193x(r²＝0.997)，具体如图3所示。通过监测柔性导电薄膜电阻变化来监测环境中三乙胺浓度变化，从而得知肉类海鲜产品是否变质。

实施例2

将厚度为0.1mm的pet薄膜裁剪成表面积为0.49cm²的正方形薄膜，在上面涂覆0.5～1.5mg棒状三氧化钨，三氧化钨优选尺寸直径10～20nm、长度1.5～2μm，苯胺与三氧化钨以重量比1:2混合，在酸性溶液中在过硫酸铵的催化下，苯胺依附于三氧化钨表面聚合成质子化聚苯胺，制得柔性导电薄膜。

将所得柔性导电薄膜在室温下测试对100ppm三乙胺、乙二胺、氨气、乙醇、丙酮的响应值，测试结果如图4。

实施例3

选用厚度为0.1mm的pet薄膜裁剪成表面积为0.49cm²的正方形薄膜，在上面涂覆0.5～1.5mg、壁厚1～10nm、长度大于1μm的空心管状氧化锡，按吡咯与氧化锡以重量比1:2混合，在酸性溶液中在过硫酸铵的催化下，吡咯在空心管状氧化锡表面聚合形成聚吡咯，制得柔性导电薄膜。

将所得柔性导电薄膜在室温下测试氨气浓度数据如图5，通过监测柔性导电薄膜电阻变化来监测石油化工生产过程中环境中氨气浓度变化。

实施例4

将厚度为0.1mm的pet薄膜裁剪成表面积为0.49cm²的正方形薄膜，在上面涂覆0.5～1.5mg棒状三氧化钨，三氧化钨优选尺寸直径10～20nm、长度1.5～2μm，噻吩与三氧化钨以重量比1:2混合，在三氯化铁的催化下噻吩依附于三氧化钨表面活性位点聚合成聚噻吩，制得柔性导电薄膜，电镜图片如图6；将所得柔性导电薄膜在室温下测试对二氧化氮的响应值，测试结果如图7。