本發(fā)明涉及一種聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法。
背景技術(shù):
隨著人類對(duì)自身健康的重視和對(duì)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注日益加深,國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求,對(duì)環(huán)境pH的監(jiān)測(cè)控制提出了更高的要求。這為pH傳感器的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
高分子型pH傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)室溫檢測(cè),能耗低,能夠向微型化,小型化發(fā)展,已引起各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注和重視。聚苯胺作為一種典型的導(dǎo)電高分子材料,其價(jià)格便宜,合成簡(jiǎn)單,其具有高的導(dǎo)電性和可逆的氧化還原、摻雜與解摻雜特性,在pH傳感器領(lǐng)域潛在的良好的應(yīng)用前景。然而以聚苯胺為敏感材料制備的pH傳感器雖然響應(yīng)靈敏度高,但回復(fù)時(shí)間長(zhǎng),可逆性欠佳,pH響應(yīng)范圍有限,更重要的是它一般不溶不熔,難以加工,這對(duì)于其研究和應(yīng)用帶來(lái)了很大的障礙。為此,制備以可加工的納米結(jié)構(gòu)聚苯胺為敏感材料的pH傳感器引起了廣泛的關(guān)注。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
有鑒于此,本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)H值響應(yīng)范圍廣,具有可逆響應(yīng),且靈敏度高,響應(yīng)較快,用于pH傳感器檢測(cè)酸雨和水體中的pH值變化的pH敏感電極的加工方法,效果遠(yuǎn)優(yōu)于市面上采用玻璃電極的pH值檢測(cè)設(shè)備,能夠更加直觀、準(zhǔn)確的檢測(cè)溶液pH值。
本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.01的苯胺水溶液中,加入0.05的過(guò)硫酸銨,在4℃條件下保溫6-10小時(shí),高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以25-60%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;特別的,所述體積比濃度是指納米聚苯胺顆?;烊刖郾┧狨ト芤汉蟮臐舛?。
S3.通過(guò)熱或者紫外光固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極。
進(jìn)一步的,所述的聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.05-0.2M的苯胺水溶液中,加入0.1-0.2M的過(guò)硫酸銨,在0-4℃條件下保溫8小時(shí),以150-180r/min高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以30-50%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;
S3.通過(guò)熱或者紫外光固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極。
進(jìn)一步的,所述pH敏感電極的厚度為60-80um。
進(jìn)一步的,所述熱固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物; 對(duì)所述pH敏感組合物有選擇地照射化學(xué)射線進(jìn)行曝光的曝光工序 ; 用堿性顯影液對(duì)所述pH敏感組合物的曝光部進(jìn)行顯影的顯影工序 ; 用清洗液清洗所述顯影液,并且將所述pH敏感組合物的曝光部除去的清洗工序;和 對(duì)所述pH敏感組合物進(jìn)行加熱,形成薄膜電極的固化工序。
進(jìn)一步的,所述紫外光固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物,進(jìn)行紅外光照射固化,得到紫外pH值敏感電極的基層;在基層表面均勻涂布或印刷具有圖案裝飾作用的紫外光固化油墨,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化油墨裝飾圖案層 ;在紫外光固化油 墨裝飾圖案層上均勻涂布pH敏感組合物,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化pH值敏感的高分子薄膜電極。
更進(jìn)一步的,所述的紅外固化是將紅外線加熱溫度調(diào) 至10-20℃,流平時(shí)間7-12min; 所述的紫外光照射固化的工藝是 :在裝有4 支 25kw 的紫外光燈管,4 支 25kw 的金屬鹵素?zé)艄艿墓夤袒瘷C(jī)中進(jìn)行紫外光照射,所用光源的波長(zhǎng)為 150-350nm,光固化機(jī)的 傳輸速度為24-37 m/min。
本發(fā)明通過(guò)聚苯胺獲得和失去氫離子,導(dǎo)致電子傳輸變化和顏色變化的響應(yīng)原理,具體過(guò)程如圖1所示,針對(duì)溶液中pH的響應(yīng)問(wèn)題,設(shè)計(jì)將聚苯胺做成顆粒,形成納米聚苯胺。將納米聚苯胺分散到高分子聚丙烯酸酯聚丙烯酸酯材料中形成薄膜。這一薄膜隨著溶液中pH值從酸性變化至堿性的過(guò)程中,顏色從綠色變化至紫色。同時(shí),薄膜的電阻也逐漸升高。這樣就可以通過(guò)顏色和阻值兩項(xiàng)直觀和客觀的數(shù)據(jù)測(cè)量溶液中的pH數(shù)據(jù)。
具體的,隨著pH的的增加,本發(fā)明聚苯胺/聚丙烯酸酯的顏色由綠色變?yōu)樗{(lán)色再變?yōu)樽仙R罁?jù)顏色和電導(dǎo)率可以pH從1~12范圍可分為3個(gè)部分,其中當(dāng)pH=1~4時(shí),復(fù)合膜處于較高電導(dǎo)率區(qū)間,電導(dǎo)率在3.0×10-4~4.5×10-4S/cm區(qū)域,復(fù)合膜的顏色為綠色;當(dāng)pH=5~8時(shí),復(fù)合膜的電導(dǎo)率顯著降低,為1.0×10-4~0.3×10-5S/cm,復(fù)合膜的顏色也從藍(lán)綠轉(zhuǎn)為深藍(lán)色。當(dāng)pH=9~12時(shí),此時(shí)復(fù)合膜基本上喪失了導(dǎo)電性,接近絕緣體,其電導(dǎo)率在1.0×10-5~1.0×10-6S/cm區(qū)域,且膜的顏色也變?yōu)樽仙?/p>
進(jìn)一步考察本發(fā)明聚苯胺/聚丙烯酸酯膜對(duì)pH的感應(yīng)特性和循環(huán)使用的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。用H2SO4和NaOH配成pH=1和pH=12的水溶液,將同一塊圓形膜先后置于這兩種pH溶液1min,重復(fù)5次。每次測(cè)試后,擦掉膜表面的水分后,將復(fù)合膜置于真空干燥箱中在60°C下干燥20分鐘,以進(jìn)一步除去表面的水分。用四位探針儀測(cè)其電導(dǎo)率,結(jié)果如圖2所示。
由圖2可以看出,在經(jīng)過(guò)5次循環(huán)之后,聚苯胺/聚丙烯酸酯復(fù)合膜的顏色由綠轉(zhuǎn)紫的顏色變化非常穩(wěn)定,而且膜的形態(tài)幾乎不發(fā)生改變。而且1min的時(shí)間足以讓復(fù)合膜的顏色發(fā)生徹底轉(zhuǎn)變,說(shuō)明聚苯胺良好的pH感應(yīng)性能。聚苯胺復(fù)合膜經(jīng)過(guò)摻雜和去摻雜之后,在相同pH條件下,電導(dǎo)率基本保持穩(wěn)定,均在4.0×10-4S/cm以上。
本發(fā)明通過(guò)在溶液中形成聚苯胺顆粒作為相應(yīng)顆粒,負(fù)載在高分子薄膜中,通過(guò)涂膜獲得pH值響應(yīng)的聚合物薄膜,具有巨大的比表面積,有利于檢測(cè)溶液分子的擴(kuò)散滲透,利于提高靈敏度和響應(yīng)速度;加工過(guò)程簡(jiǎn)單環(huán)保,而且可簡(jiǎn)便地通過(guò)改變聚丙烯酸酯濃度與薄膜電極厚度等參數(shù),調(diào)節(jié)pH敏感元件對(duì)溶液pH的響應(yīng)靈敏度和回復(fù)性;薄膜電極的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高,可大大提高pH敏感元件響應(yīng)的一致性,能夠大幅度降低線路電阻所帶來(lái)的信號(hào)失真;可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)中pH敏感的傳感器加工的傳感器件,主要用于檢測(cè)酸雨和水體中的pH值變化,既可以有顏色變化而且有電阻響應(yīng)。附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明聚苯胺在酸堿溶液中質(zhì)子化和去質(zhì)子化的原理示意圖;
圖2為本發(fā)明不同pH下的聚苯胺/聚丙烯酸酯復(fù)合膜的電導(dǎo)率示意圖。
圖3為實(shí)施例3的聚苯胺/聚丙烯酸酯復(fù)合膜的顯微結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例。
實(shí)施例1
一種聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.05M的苯胺水溶液中,加入0.1M的過(guò)硫酸銨,在4℃條件下保溫8小時(shí),以150r/min高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以30%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;
S3.通過(guò)熱固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極。
進(jìn)一步的,所述pH敏感電極的厚度為60um。
進(jìn)一步的,所述熱固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物; 對(duì)所述pH敏感組合物有選擇地照射化學(xué)射線進(jìn)行曝光的曝光工序 ; 用堿性顯影液對(duì)所述pH敏感組合物的曝光部進(jìn)行顯影的顯影工序 ; 用清洗液清洗所述顯影液,并且將所述pH敏感組合物的曝光部除去的清洗工序;和 對(duì)所述pH敏感組合物進(jìn)行加熱,形成薄膜電極的固化工序。
實(shí)施例2
一種所述的聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.2M的苯胺水溶液中,加入0.2M的過(guò)硫酸銨,在0℃條件下保溫8小時(shí),以180r/min高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以50%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;
S3.通過(guò)熱固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極。
進(jìn)一步的,所述pH敏感電極的厚度為80um。
進(jìn)一步的,所述熱固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物; 對(duì)所述pH敏感組合物有選擇地照射化學(xué)射線進(jìn)行曝光的曝光工序 ; 用堿性顯影液對(duì)所述pH敏感組合物的曝光部進(jìn)行顯影的顯影工序 ; 用清洗液清洗所述顯影液,并且將所述pH敏感組合物的曝光部除去的清洗工序;和 對(duì)所述pH敏感組合物進(jìn)行加熱,形成薄膜電極的固化工序。
實(shí)施例3
一種所述的聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.1M的苯胺水溶液中,加入0.15M的過(guò)硫酸銨,在4℃條件下保溫8小時(shí),以160r/min高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以40%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;
S3.通過(guò)紫外光固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極,其顯微結(jié)構(gòu)如圖3所示。
進(jìn)一步的,所述pH敏感電極的厚度為70um。
進(jìn)一步的,所述紫外光固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物,進(jìn)行紅外光照射固化,得到紫外pH值敏感電極的基層;在基層表面均勻涂布或印刷具有圖案裝飾作用的紫外光固化油墨,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化油墨裝飾圖案層 ;在紫外光固化油 墨裝飾圖案層上均勻涂布pH敏感組合物,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化pH值敏感的高分子薄膜電極。
更進(jìn)一步的,所述的紅外固化是將紅外線加熱溫度調(diào) 至15℃,流平時(shí)間9min; 所述的紫外光照射固化的工藝是 :在裝有4 支 25kw 的紫外光燈管,4 支 25kw 的金屬鹵素?zé)艄艿墓夤袒瘷C(jī)中進(jìn)行紫外光照射,所用光源的波長(zhǎng)為 150-350nm,光固化機(jī)的 傳輸速度為28 m/min。
本發(fā)明通過(guò)在溶液中形成聚苯胺顆粒作為相應(yīng)顆粒,負(fù)載在高分子薄膜中,通過(guò)涂膜獲得pH值響應(yīng)的聚合物薄膜,具有巨大的比表面積,有利于檢測(cè)溶液分子的擴(kuò)散滲透,利于提高靈敏度和響應(yīng)速度;加工過(guò)程簡(jiǎn)單環(huán)保,而且可簡(jiǎn)便地通過(guò)改變聚丙烯酸酯濃度與薄膜電極厚度等參數(shù),調(diào)節(jié)pH敏感元件對(duì)溶液pH的響應(yīng)靈敏度和回復(fù)性;薄膜電極的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高,可大大提高pH敏感元件響應(yīng)的一致性,能夠大幅度降低線路電阻所帶來(lái)的信號(hào)失真;可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)中對(duì)用于pH敏感的傳感器加工中作為傳感器件,或獲得的pH值敏感電極用于檢測(cè)酸雨和水體中的pH值變化,既可以有顏色變化而且有電阻響應(yīng)。
實(shí)施例4
一種所述的聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.1M的苯胺水溶液中,加入0.15M的過(guò)硫酸銨,在4℃條件下保溫8小時(shí),以160r/min高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以40%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;
S3.通過(guò)熱固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極。
進(jìn)一步的,所述pH敏感電極的厚度為70um。
進(jìn)一步的,所述熱固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物; 對(duì)所述pH敏感組合物有選擇地照射化學(xué)射線進(jìn)行曝光的曝光工序 ; 用堿性顯影液對(duì)所述pH敏感組合物的曝光部進(jìn)行顯影的顯影工序 ; 用清洗液清洗所述顯影液,并且將所述pH敏感組合物的曝光部除去的清洗工序;和 對(duì)所述pH敏感組合物進(jìn)行加熱,形成薄膜電極的固化工序。
實(shí)施例5
一種聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.15M的苯胺水溶液中,加入0.15M的過(guò)硫酸銨,在4℃條件下保溫10小時(shí),以170r/min高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以35%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;
S3.通過(guò)紫外光固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極。
進(jìn)一步的,所述pH敏感電極的厚度為65um。
進(jìn)一步的,所述紫外光固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物,進(jìn)行紅外光照射固化,得到紫外pH值敏感電極的基層;在基層表面均勻涂布或印刷具有圖案裝飾作用的紫外光固化油墨,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化油墨裝飾圖案層 ;在紫外光固化油 墨裝飾圖案層上均勻涂布pH敏感組合物,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化pH值敏感的高分子薄膜電極。
更進(jìn)一步的,所述的紅外固化是將紅外線加熱溫度調(diào) 至10℃,流平時(shí)間12min; 所述的紫外光照射固化的工藝是 :在裝有4 支 25kw 的紫外光燈管,4 支 25kw 的金屬鹵素?zé)艄艿墓夤袒瘷C(jī)中進(jìn)行紫外光照射,所用光源的波長(zhǎng)為 150-350nm,光固化機(jī)的 傳輸速度為24 m/min。
實(shí)施例6
一種聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.13M的苯胺水溶液中,加入0.18M的過(guò)硫酸銨,在2℃條件下保溫6小時(shí),以155r/min高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以45%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;
S3.通過(guò)熱固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極。
進(jìn)一步的,所述pH敏感電極的厚度為75um。
進(jìn)一步的,所述熱固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物; 對(duì)所述pH敏感組合物有選擇地照射化學(xué)射線進(jìn)行曝光的曝光工序 ; 用堿性顯影液對(duì)所述pH敏感組合物的曝光部進(jìn)行顯影的顯影工序 ; 用清洗液清洗所述顯影液,并且將所述pH敏感組合物的曝光部除去的清洗工序;和 對(duì)所述pH敏感組合物進(jìn)行加熱,形成薄膜電極的固化工序。
實(shí)施例7
一種聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.18M的苯胺水溶液中,加入0.13M的過(guò)硫酸銨,在3℃條件下保溫9小時(shí),以165r/min高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以38%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;
S3.通過(guò)紫外光固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極。
進(jìn)一步的,所述pH敏感電極的厚度為68um。
進(jìn)一步的,所述紫外光固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物,進(jìn)行紅外光照射固化,得到紫外pH值敏感電極的基層;在基層表面均勻涂布或印刷具有圖案裝飾作用的紫外光固化油墨,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化油墨裝飾圖案層 ;在紫外光固化油 墨裝飾圖案層上均勻涂布pH敏感組合物,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化pH值敏感的高分子薄膜電極。
更進(jìn)一步的,所述的紅外固化是將紅外線加熱溫度調(diào) 至20℃,流平時(shí)間7min; 所述的紫外光照射固化的工藝是 :在裝有4 支 25kw 的紫外光燈管,4 支 25kw 的金屬鹵素?zé)艄艿墓夤袒瘷C(jī)中進(jìn)行紫外光照射,所用光源的波長(zhǎng)為 150-350nm,光固化機(jī)的 傳輸速度為37 m/min。
實(shí)施例8
一種聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,包括以下具體步驟:
S1. 在0.1M的苯胺水溶液中,加入0.2M的過(guò)硫酸銨,在0℃條件下保溫10小時(shí),以150r/min高速攪拌獲得納米聚苯胺顆粒;
S2.將納米聚苯胺顆粒,以30%的體積比濃度分散于聚丙烯酸酯溶液中,混合均勻,獲得pH敏感組合物;
S3.通過(guò)熱或者紫外光固化,形成pH值敏感的高分子薄膜電極。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚苯胺響應(yīng)的pH敏感電極的加工方法,其特征在于,所述pH敏感電極的厚度為72um。
進(jìn)一步的,所述紫外光固化的方法是:在玻璃板表面旋涂所述獲得pH敏感組合物,進(jìn)行紅外光照射固化,得到紫外pH值敏感電極的基層;在基層表面均勻涂布或印刷具有圖案裝飾作用的紫外光固化油墨,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化油墨裝飾圖案層 ;在紫外光固化油 墨裝飾圖案層上均勻涂布pH敏感組合物,然后進(jìn)行紫外光照射固化,得到紫外光固化pH值敏感的高分子薄膜電極。
更進(jìn)一步的,所述的紅外固化是將紅外線加熱溫度調(diào) 至18℃,流平時(shí)間10min; 所述的紫外光照射固化的工藝是 :在裝有4 支 25kw 的紫外光燈管,4 支 25kw 的金屬鹵素?zé)艄艿墓夤袒瘷C(jī)中進(jìn)行紫外光照射,所用光源的波長(zhǎng)為 150-350nm,光固化機(jī)的 傳輸速度為31 m/min。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言,顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié),而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下,能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此,無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看,均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定,因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
此外,應(yīng)當(dāng)理解,雖然本說(shuō)明書(shū)按照實(shí)施方式加以描述,但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案,說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn),本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體,各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合,形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。本發(fā)明中所未詳細(xì)描述的技術(shù)細(xì)節(jié),均可通過(guò)本領(lǐng)域中的任一現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。特別的,本發(fā)明中所有未詳細(xì)描述的技術(shù)特點(diǎn)均可通過(guò)任一現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)。