气相生长纳米炭纤维/聚合物基复合材料导电和气敏性能的研究

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近年来,掺杂型聚合物基导电复合材料由于具有合适的性价比、易于成形、性能稳定和能够大规模生产等优点而使国内外对它的研究迅速发展。而气敏型聚合物基导电复合材料作为它的一个分支也获得快速发展。目前,关于气敏型导电复合材料的研究主要是围绕炭黑作导电填料,以单一聚合物做基体来开展的。 气相生长纳米炭纤维具有优异的导电性能和力学性能,但用气相生长纳米炭纤维作导电填料制备气敏型导电复合材料的报道较少。而从其它文献中了解到:气相生长纳米炭纤维由于长径比较大,因此可以在含量较低的情况下获得较好的导电性;同时,也由于它的长径比,所制备的复合材料的气敏性能稳定。所以,本文选择气相生长纳米炭纤维做导电填料,选择混合基体对导电网络实现有效调控以及改善复合材料的气敏性能。研究所制备的复合材料的电性能和气敏性能,结果表明: 1.气相生长纳米炭纤维在聚合物基体中形成“桥式导电网络”,复合材料的逾渗阈值和逾渗区间较低;气相生长纳米炭纤维在混合基体中呈现“选择性分散”,主要分散在极性较大的基体中,因此可以对气相生长纳米炭纤维在基体中形成的导电网络进行有效地调控; 2.复合材料在蒸气中的气敏响应受导电填料的含量、溶剂的电性能、聚合物基体的性质等因素的影响;以混合基体制备的复合材料在多种蒸气中都具有较好的气敏响应,在许多蒸气中气敏响应比以单一聚合物制备的复合材料要高; 3.不同的导电网络在蒸气中的气敏响应是不同的,当聚合物基体中没有导电网络形成时,复合材料在有机蒸气中的表现为电阻下降的“负蒸气效应”;当气相生长纳米炭纤维的含量较高时,聚合物基体中有完备的导电网络形成,溶胀的复合材料的电阻比有机蒸气在电极之间所形成的导电层的电阻要小,此时复合材料在有机蒸气中表现为电阻上升的正蒸气效应;在导电填料的含量高于逾渗阈值而又达不到形成完备的导电网络时,复合材料中只有少量的导电网络形成,复合材料由于吸附蒸气产生溶胀在开始阶段引起复合材料电阻的上升,这个溶胀所升高的电阻大于有机溶剂在电极之间形成导电层的电阻,在电极间形成的有机溶剂导电层和溶胀的复合材料形成一个并联电路,引起电阻的下降; 4.复合材料对基体良溶剂蒸气吸附量的大小对气敏响应具有很大的影响,吸附量高,气敏响应就大;复合材料在基体的不良溶剂蒸气中的气敏响应很低,这些蒸气分子被吸附在复合材料的孔隙内,能够限制电子的跃迁,使电阻少量升高; 5.复合材料在良溶剂蒸气中的电阻变化和吸附量变化之间的关系存在一个滞后,气相生长纳米炭纤维的含量越高,滞后越明显;而在不良溶剂蒸气中的电阻变化和吸附量变化之间的关系不存在滞后,但吸附量变化和电阻变化都很小; 6.复合材料在不同条件下的气敏响应不同,在含水的混合蒸气中响应,由于水层与溶胀的复合材料形成并联电路,当在空气中解吸干燥时,它的电阻出现先上升后下降的现象;温度对气敏响应的影响是,高温下复合材料的吸附量降低,且在高温时溶剂的导电性较好,所以使复合材料的气敏响应随温度的升高而下降;另外,复合材料在蒸气中的气敏响应受蒸气压力的影响,压力大气敏响应高; 7.气相生长纳米炭纤维在聚合物基体中能够均匀地分散和形成“桥式导电网络”,可以在聚合物基体分子之间起到一个类似交联的作用,因此复合材料的气敏稳定性、重现性以及在空气中存储的稳定性较好; 8.由实验结果说明,以气相生长纳米炭纤维所制备的导电复合材料是优异的制备气敏传感器的候选材料。
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