氟硅橡胶基导电复合材料的构筑及其气敏性能研究

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气敏传感材料可检测有毒、有害的挥发性有机化合物,在监控环境污染、空气质量、确保生活安全方面起着至关重要的作用。导电复合材料(CPC)的电阻式传感器具有制备简单,成本低,可塑性强等优点,受到了广泛的关注。研制高选择性、高敏感性、优异环境耐受性的气敏复合材料是目前研究的热点与迫切需求。本文利用氟硅橡胶兼具硅橡胶和氟橡胶的特性,结合导电填料的形貌、导电网络聚集形态对复合材料电性能及其外场刺激响应性的影响,开发有机氟硅材料基气敏材料,细致考察基体链型结构、导电粒子含量、粒子复配、孔洞结构等因素对复合材料结构、性能与功能的影响。具体内容如下:(1)制备含氟量为0%、50%、100%的氟硅油(FSi RF),再将FSi RF与气相生长碳纤维(VGCF)复合得到一系列气敏膜材料。对FSi RF进行核磁表征,并对复合材料进行FTIR分析,探讨基体链型结构与元素组成。系统研究了导电粒子含量、膜厚、基体参数对复合材料的导电、气敏、力学性能、环境耐受性等的影响。结果表明,不同含氟量的导电复合材料对不同有机蒸气(VOCs)的响应程度不同,VGCF/0%FSi RF对环己烷蒸气的响应度最高,VGCF/50%FSi RF和VGCF/100%FSi RF对乙酸乙酯蒸气的响应度最高,三类气敏材料均可检测2%浓度的VOCs。随着含氟量的增加或减少,对VOCs的选择性呈现规律性变化,这可归因于三氟丙基基团的引入改变了硅橡胶的极性。(2)以全氟硅橡胶为基体,超导炭黑(CB)为填充填料,二维金属碳氮化合物(MXene)水容易为发泡剂,将MXene原位自组装在全氟硅橡胶泡沫基体中,制备得到MXene/CB协同导电全氟硅橡胶泡沫。研究了CB含量、MXene水溶液与添加量等因素对复合泡沫的泡孔结构、导电、气敏、压敏性能的影响。结果表明,在不添加MXene的情况下,CB含量过少泡沫不导电,CB含量高则硅油粘度增加泡沫孔隙率低。引入MXene构建的泡沫材料即具高孔隙率,MXene与CB相互搭接又使泡沫具有优异的导电性。当加入1wt%的CB,2.5wt%浓度为500mg/g的MXene水溶液时,泡沫的电阻率达~10~3Ω·cm。且构筑的导电泡沫具有良好的结构稳定性、回弹性和对乙酸乙酯的高选择响应性。
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