專利名稱：無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器及其制備方法，屬于紡 織新材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的各種有害氣體(如氨氣、硫化氫、一 氧化氮、二氧化氮等)，日益危害著人們的生活健康，因此如何快速、高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)工業(yè) 生產(chǎn)過(guò)程中排放的有毒氣體，是一項(xiàng)重要的研究工作，對(duì)人類的健康有著重要意義，對(duì)社會(huì) 環(huán)境的良性的發(fā)展具有十分積極的意義。使用金屬氧化半導(dǎo)體制作的氣體傳感器的性質(zhì)受到氣體流動(dòng)和表面反應(yīng)的影響。 目前一些研究者使用氧化物納米線來(lái)試圖解決這些問(wèn)題，例如二氧化錫傳感器、氧化鋅傳 感器等，但是存在傳感器上氧化物膜的穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種氧化物膜穩(wěn)定性好、且具有較高檢測(cè)靈敏度的氣體傳感 器及其制備方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感 器，由陶瓷基體、陶瓷基體表面形成的叉指鉬電極、弓丨線和電路組成，測(cè)試時(shí)將叉指鉬電極 通過(guò)引線連入電路，其特征在于，所述叉指鉬電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜。本發(fā)明還提供了上述無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器的制備方法，其特 征在于，在叉指鉬電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的具體步驟為第一步，將疏水性聚合物溶解于溶劑中，添加二氧化鈦納米顆?；蚩扇苄遭侞}，攪 拌形成均一溶液；第二步，將第一步得到的溶液進(jìn)行靜電紡絲，將紡成的纖維直接沉積到叉指鉬電 極上形成纖維膜；第三步，將第二步所得的叉指鉬電極浸入溶劑中，立即取出并放入真空干燥箱中 干燥，所述溶劑與第一步中所用溶劑相同；第四步，將第三步所得的叉指鉬電極在90-120°C、l-10MPa壓力下，熱壓20-60分 鐘，隨后進(jìn)行400-500°C煅燒，除去雜化纖維中的有機(jī)成分，從而得到涂覆有無(wú)機(jī)納米多孔 二氧化鈦纖維膜的高靈敏氣體傳感器。所述第一步中的疏水性聚合物為乙基纖維素、醋酸纖維素酯、聚丙烯腈、聚苯乙 烯、玉米蛋白、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚醋酸乙烯酯、聚乳酸、聚氯乙烯、聚丙烯腈、 聚己內(nèi)酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸丁二醇-共-對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚羥基戊酸酯 或聚酰胺。所述第一步中的溶劑為N，N-二甲基甲酰胺，N, N-二甲基乙酰胺，四氫呋喃，二氯 甲烷，二氯乙烷，三氯甲烷，一氯甲烷，丙酮，甲酸，苯，甲苯，環(huán)己烷，六氟異丙醇以及三氟乙醇中的一種或兩種以上的混合物。所述第一步中的可溶性鈦鹽為四異丙氧基鈦。無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜，是由直徑在100-500納米范圍內(nèi)的無(wú)機(jī)納米多孔 二氧化鈦纖維隨機(jī)堆砌而成的無(wú)紡布，纖維本身?yè)碛?-100納米的孔道及微小纖維組成， 使得纖維具有比普通實(shí)心纖維高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的比表面積。另外，二氧化鈦是以一種N型半 導(dǎo)體金屬氧化物，具有與金屬不同的連續(xù)能帶結(jié)構(gòu)，一般由填滿電子的低能價(jià)帶(價(jià)帶空 穴濃度)和空的高能導(dǎo)帶(導(dǎo)帶電子濃度)構(gòu)成，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶，它的導(dǎo)電是靠 “空穴”的移動(dòng)作用而使電子傳導(dǎo)得以實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的 電極吸附一些氧化性氣體時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大；當(dāng)還原性氣體吸附 到電極上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值將隨之發(fā) 生變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時(shí)間 (響應(yīng)時(shí)間)一般不超過(guò)lmin。無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器就是利用氣體的 吸附而使半導(dǎo)體本身的電阻率發(fā)生變化這一機(jī)理來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的穩(wěn)定性和使用壽命。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1一種無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器，由陶瓷基體、陶瓷基體表面形成 的叉指鉬電極、引線和電路組成，測(cè)試時(shí)將叉指鉬電極通過(guò)引線連入電路，其特征在于，所 述叉指鉬電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜。第一步，將醋酸纖維素酯(Mn 40000)溶解于N，N- 二甲基甲酰胺/丙酮(質(zhì)量比 2/1)溶液中，配制成濃度為10%的溶液(以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算)；然后將1克四異丙氧基鈦 和0. 5克乙酸添加到5克預(yù)先配制好的醋酸纖維素酯溶液中，攪拌形成均一溶液。第二步，將第一步制備好的溶液在室溫下進(jìn)行靜電紡絲，所采用的紡絲條件為電 壓為17千伏，纖維接收距離為16厘米，溶液注射速度為1.5毫升/小時(shí)，靜電紡絲所制備 的纖維直接沉積到預(yù)先準(zhǔn)備好的叉指鉬電極上。第三步，將第二步制備好帶有含鈦雜化纖維的叉指鉬電極浸沒(méi)在N，N-二甲基甲 酰胺/丙酮(質(zhì)量比2/1)溶液中約三秒鐘，立即取出并放入真空干燥箱中干燥。真空干燥 箱中溫度約80攝氏度，干燥時(shí)間5小時(shí)。第四步，將第三步制備好的有機(jī)/無(wú)機(jī)二氧化鈦雜化纖維加熱到120°C，并保持20 分鐘，然后施加SMPa的壓力；然后將制備好的纖維膜在馬弗爐中400°C下煅燒一個(gè)小時(shí)，除 去雜化纖維中的有機(jī)成分，從而得到涂覆有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的高靈敏氣體傳 感器，其使用方法與普通的金屬氧化半導(dǎo)體氣體傳感器相同，制備的無(wú)機(jī)納米多孔二氧化 鈦纖維傳感器對(duì)二氧化氮的檢測(cè)極限達(dá)到lOOppb，響應(yīng)時(shí)間為5秒。實(shí)施例2一種無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器，由陶瓷基體、陶瓷基體表面形成 的叉指鉬電極、引線和電路組成，測(cè)試時(shí)將叉指鉬電極通過(guò)引線連入電路，其特征在于，所 述叉指鉬電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜。
第一步，將乙基纖維素(Mn 97000)溶解于二甲基甲酰胺/四氫呋喃(質(zhì)量比3/1) 溶液中，配制成濃度為9%的溶液(以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算)；然后將2克二氧化鈦納米顆粒(粒 徑為10-100納米，阿拉丁網(wǎng)商品形式購(gòu)買)添加到20克預(yù)先配制好的乙基纖維素溶液中， 攪拌形成均一溶液。第二步，將第一步制備好的溶液在室溫下進(jìn)行靜電紡絲，所采用的紡絲條件為電 壓為18千伏，纖維接收距離為15厘米，溶液注射速度為2毫升/小時(shí)，靜電紡絲所制備的 纖維直接沉積到預(yù)先準(zhǔn)備好的叉指鉬電極上。第三步，將第二步制備好帶有含鈦雜化纖維的叉指鉬電極浸沒(méi)在二甲基甲酰胺/ 四氫呋喃(質(zhì)量比3/1)溶液中約三秒鐘，立即取出并放入真空干燥箱中干燥。真空干燥箱 中溫度約80攝氏度，干燥時(shí)間5小時(shí)。第四步，將第三步制備好的有機(jī)/無(wú)機(jī)二氧化鈦雜化纖維加熱到90°C，并保持60 分鐘，然后施加IMPa的壓力；然后將制備好的纖維膜在馬弗爐中500°C下煅燒一個(gè)小時(shí)，除 去雜化纖維中的有機(jī)成分，從而得到涂覆有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的高靈敏氣體傳 感器，其使用方法與普通的金屬氧化半導(dǎo)體氣體傳感器相同，制備的無(wú)機(jī)納米多孔二氧化 鈦纖維傳感器對(duì)二氧化氮的檢測(cè)極限達(dá)到200ppb，響應(yīng)時(shí)間為10秒。實(shí)施例3一種無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器，由陶瓷基體、陶瓷基體表面形成 的叉指鉬電極、引線和電路組成，測(cè)試時(shí)將叉指鉬電極通過(guò)引線連入電路，其特征在于，所 述叉指鉬電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜。第一步，將聚丁二酸丁二醇酯(Mn 20000)溶解于二氯甲烷/三氯甲烷(質(zhì)量比 3/1)溶液中，配制成濃度為12%的溶液(以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算)；然后將2克二氧化鈦納米 顆粒(粒徑為10-100納米，阿拉丁網(wǎng)商品形式購(gòu)買)添加到20克預(yù)先配制好的乙基纖維 素溶液中，攪拌形成均一溶液。第二步，將第一步制備好的溶液在室溫下進(jìn)行靜電紡絲，所采用的紡絲條件為電 壓為20千伏，纖維接收距離為15厘米，溶液注射速度為2毫升/小時(shí)，靜電紡絲所制備的 纖維直接沉積到預(yù)先準(zhǔn)備好的叉指鉬電極上。第三步，將第二步制備好帶有含鈦雜化纖維的叉指鉬電極浸沒(méi)在二氯甲烷/三氯 甲烷(質(zhì)量比3/1)溶液中約三秒鐘，立即取出并放入真空干燥箱中干燥。真空干燥箱中溫 度約80攝氏度，干燥時(shí)間5小時(shí)。第四步，將第三步制備好的有機(jī)/無(wú)機(jī)二氧化鈦雜化纖維加熱到120°C，并保持30 分鐘，然后施加9MPa的壓力；然后將制備好的纖維膜在馬弗爐中500°C下煅燒一個(gè)小時(shí)，除 去雜化纖維中的有機(jī)成分，從而得到涂覆有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的高靈敏氣體傳 感器，其使用方法與普通的金屬氧化半導(dǎo)體氣體傳感器相同，制備的無(wú)機(jī)納米多孔二氧化 鈦纖維傳感器對(duì)二氧化氮的檢測(cè)極限達(dá)到500ppb，響應(yīng)時(shí)間為15秒。實(shí)施例4一種無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器，由陶瓷基體、陶瓷基體表面形成 的叉指鉬電極、引線和電路組成，測(cè)試時(shí)將叉指鉬電極通過(guò)引線連入電路，其特征在于，所 述叉指鉬電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜。第一步，將聚醋酸乙烯酯(Mn 500000)溶解于二甲基甲酰胺溶液中，配制成濃度為11. 5%的溶液(以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算)；然后將2克二氧化鈦納米顆粒(粒徑為10-100納 米，阿拉丁網(wǎng)商品形式購(gòu)買)添加到20克預(yù)先配制好的聚醋酸乙烯酯溶液中，攪拌形成均 一溶液。第二步，將第一步制備好的溶液在室溫下進(jìn)行靜電紡絲，所采用的紡絲條件為電 壓為20千伏，纖維接收距離為15厘米，溶液注射速度為2毫升/小時(shí)，靜電紡絲所制備的 纖維直接沉積到預(yù)先準(zhǔn)備好的叉指鉬電極上。第三步，將第二步制備好帶有含鈦雜化纖維的叉指鉬電極浸沒(méi)在二甲基甲酰胺溶 液中約三秒鐘，立即取出并放入真空干燥箱中干燥。真空干燥箱中溫度約80攝氏度，干燥 時(shí)間5小時(shí)。第四步，將第三步制備好的有機(jī)/無(wú)機(jī)二氧化鈦雜化纖維加熱到120°C，并保持30 分鐘，然后施加9MPa的壓力；然后將制備好的纖維膜在馬弗爐中500°C下煅燒一個(gè)小時(shí)，除 去雜化纖維中的有機(jī)成分，從而得到涂覆有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的高靈敏氣體傳 感器，其使用方法與普通的金屬氧化半導(dǎo)體氣體傳感器相同，制備的無(wú)機(jī)納米多孔二氧化 鈦纖維傳感器對(duì)二氧化氮的檢測(cè)極限達(dá)到800ppb，響應(yīng)時(shí)間為20秒。實(shí)施例5一種無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器，由陶瓷基體、陶瓷基體表面形成 的叉指鉬電極、引線和電路組成，測(cè)試時(shí)將叉指鉬電極通過(guò)引線連入電路，其特征在于，所 述叉指鉬電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜。第一步，聚丙烯腈(Mn 80000)溶解于二甲基甲酰胺溶液中，配制成濃度為15%的 溶液(以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算)；然后將2克二氧化鈦納米顆粒(粒徑為10-100納米，阿拉丁 網(wǎng)商品形式購(gòu)買)添加到20克預(yù)先配制好的聚丙烯腈溶液中，攪拌形成均一溶液。第二步，將第一步制備好的溶液在室溫下進(jìn)行靜電紡絲，所采用的紡絲條件為電 壓為20千伏，纖維接收距離為15厘米，溶液注射速度為1毫升/小時(shí)，靜電紡絲所制備的 纖維直接沉積到預(yù)先準(zhǔn)備好的叉指鉬電極上。第三步，將第二步制備好帶有含鈦雜化纖維的叉指鉬電極浸沒(méi)在二甲基甲酰胺溶 液中約三秒鐘，立即取出并放入真空干燥箱中干燥。真空干燥箱中溫度約80攝氏度，干燥 時(shí)間5小時(shí)。第四步，將第三步制備好的有機(jī)/無(wú)機(jī)二氧化鈦雜化纖維加熱到120°C，并保持30 分鐘，然后施加9MPa的壓力；然后將制備好的纖維膜在馬弗爐中500°C下煅燒一個(gè)小時(shí)，除 去雜化纖維中的有機(jī)成分，從而得到涂覆有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的高靈敏氣體傳 感器，其使用方法與普通的金屬氧化半導(dǎo)體氣體傳感器相同，制備的無(wú)機(jī)納米多孔二氧化 鈦纖維傳感器對(duì)二氧化氮的檢測(cè)極限達(dá)到lOOOppb，響應(yīng)時(shí)間為25秒。
權(quán)利要求
一種無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器，由陶瓷基體、陶瓷基體表面形成的叉指鉑電極、引線和電路組成，測(cè)試時(shí)將叉指鉑電極通過(guò)引線連入電路，其特征在于，所述叉指鉑電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜。
2.權(quán)利要求1所述的無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器的制備方法，其特征在 于，在叉指鉬電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的具體步驟為第一步，將疏水性聚合物溶解于溶劑中，添加二氧化鈦納米顆?；蚩扇苄遭侞}，攪拌形 成均一溶液；第二步，將第一步得到的溶液進(jìn)行靜電紡絲，將紡成的纖維直接沉積到叉指鉬電極上 形成纖維膜；第三步，將第二步所得的叉指鉬電極浸入溶劑中，立即取出并放入真空干燥箱中干燥， 所述溶劑與第一步中所用溶劑相同；第四步，將第三步所得的叉指鉬電極在90-120°C、I-IOMPa壓力下，熱壓20-60分鐘，隨 后進(jìn)行400-500°C煅燒，除去雜化纖維中的有機(jī)成分，從而得到涂覆有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化 鈦纖維膜的高靈敏氣體傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器的制備方法，其特征 在于，所述第一步中的疏水性聚合物為乙基纖維素、醋酸纖維素酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、玉 米蛋白、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚醋酸乙烯酯、聚乳酸、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚己內(nèi) 酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚丁二酸丁二醇-共-對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚羥基戊酸酯、聚對(duì)苯 二甲酸乙二醇酯或聚酰胺。
4.如權(quán)利要求2所述的無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器的制備方法，其特征 在于，所述第一步中的溶劑為N，N-二甲基甲酰胺，N, N-二甲基乙酰胺，四氫呋喃，二氯甲 烷，二氯乙烷，三氯甲烷，一氯甲烷，丙酮，甲酸，苯，甲苯，環(huán)己烷，六氟異丙醇以及三氟乙醇 中的一種或兩種以上的混合物。
5.如權(quán)利要求2所述的無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器的制備方法，其特征 在于，所述第一步中的可溶性鈦鹽為四異丙氧基鈦。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜氣體傳感器及其制備方法。所述的傳感器包括陶瓷基體、陶瓷基體表面形成的叉指鉑電極、引線和電路，其特征在于，所述叉指鉑電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜。所述的制備方法，其特征在于，在叉指鉑電極上沉積有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的具體步驟為將疏水性聚合物溶解于溶劑中，添加二氧化鈦納米顆?；蚩扇苄遭侞}，攪拌形成均一溶液；進(jìn)行靜電紡絲，將紡成的纖維直接沉積到叉指鉑電極上；浸入溶劑中，立即取出并放入真空干燥箱中干燥；熱壓，隨后進(jìn)行煅燒，除去雜化纖維中的有機(jī)成分，從而得到涂覆有無(wú)機(jī)納米多孔二氧化鈦纖維膜的高靈敏氣體傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的穩(wěn)定性和使用壽命。
文檔編號(hào)G01N27/12GK101915787SQ20101023118
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者丁彬, 俞建勇, 孫剛, 林金友, 王先鋒 申請(qǐng)人:東華大學(xué)