基於有序介孔材料sba-15的石英晶體微天平溼度傳感器的製備方法

2023-08-05 05:14:11 1

專利名稱：：基於有序介孔材料sba-15的石英晶體微天平溼度傳感器的製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種基於有序矽基介孔材料SBA-15的石英晶體微天平溼度傳感器的製備方法，屬溼敏材料及溼度傳感器
技術領域：
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背景技術：
：溼度傳感器是一類重要的傳感器，在倉儲、工業生產、過程控制、環境監測、家用電器、氣象等方面有著廣泛的應用。如糧食的防黴、溫室種植、精密電子元件製造、航天飛彈、火箭的儲存、高空氣象探測等，因此國內外研究十分活躍。溼度傳感器品種繁多，但就其所使用的感溼材料而言，主要有電解質和高分子化合物材料、半導體陶瓷材料以及元素半導體、多孔金屬氧化物等。電解質溼度傳感器具有測量範圍窄、可重複性差、使用壽命短等缺點；高分子化合物溼度傳感器具有感溼性能好、靈敏度高等優點，但在高溫和高溼條件下性能變差、穩定性差、抗腐蝕和抗沾汙能力差；半導體陶瓷材料溼度傳感器具有感溼性能較好、生產簡單、成本低、響應時間短、可加熱清洗等優點但準確度較低、高溫下性能差、難以集成化。有序矽基介孔材料具有較大的比表面積和孔容、孔道尺寸均一且在納米尺度上連續可調；從一維到二維的規則有序的孔道結構、可控的形貌，如膜，片，球等；表面富有矽羥基易於功能化；二氧化矽無生理毒性等一系列優點，使得它們在大分子或大離子吸附和分離、化學傳感器、生物醫學、化工催化、環境保護以及納米材料的合成等領域展現出廣闊的應用前景。本發明首次把有序矽基介孔材料用為石英晶體微天平(QCM)質量型傳感器的溼敏材料，構建溼度傳感器。不僅克服了上述傳感器的缺點，同時也為QCM找到了一種很好的溼敏傳感材料，更為介孔材料開闢了一種新的應用領域。
發明內容本發明的目的在於提供一種基於有序矽基介孔材料SBA-15的石英晶體微天平溼度傳感器的製備方法。本發明的另一目的是提供一種具有優越溼敏性能的溼度傳感器敏感元件。本發明是一種基於有序矽基介孔材料SBA-15的石英晶體微天平溼度傳感器的製備方法，其特徵在於在於具有以下的工藝過程和步驟a.SBA-15有序矽基介孔材料的製備方法先將1.0-2.0克聚環氧乙烯醚-聚環氧丙烯醚-聚環氧乙烯醚(P123)溶於75ml濃度為1.0-2.0M的酸性溶液中，在40'C溫度下攪拌1-3小時後，再將3-4克左右的正矽酸已酯(TEOS)加入到此溶液中。加完後直接在上述溫度下繼續攪拌24小時，然後轉移到水熱釜中在IOO'C下晶化24小時。過濾、洗滌、乾燥後，將得到的產物於55(TC下焙燒6小時，冷卻至室溫後即得到孔徑為2-50nm的SBA-15有序矽基介孔材料。b.石英晶體微天平溼度傳感器部件的製備將上述製得的孔徑為2-50nm的SBA-15有序矽基介孔材料在一定的介質中超聲分散20-50分鐘，得塗覆液；所用的介質為水、丙酮或乙醇的任一種;然後將塗覆液均勻塗覆在經過嚴格清洗的石英晶體微天平的電極表面，並在80120'C烘乾38小時，即得到所述的石英晶體微天平溼度傳感器部件。本發明採用的有序矽基介孔材料SBA-15作為溼敏材料的機理如下所述(1)化學吸附脫附介孔二氧化矽無機牆壁為無定形，牆壁上含有豐富的表面矽羥基，而矽羥基可以與空氣中的水分以弱的氫鍵作用力結合，當空氣中的溼度變化時該反應就可逆的進行。(2)物理吸附脫附有序介孔材料具有大的比表面積(一般在500m々g)、高的孔隙率故可以吸附空氣中的水分。本發明方法製得的石英晶體微天平溼度傳感器部件的優點和特點如下所述(1)本發明所用的有序矽基介孔材料SBA-15作為溼敏材料，其孔徑均一且可調、比表面積大(一般在500m々g以上)、孔隙率高、且由於壁上含有豐富的表面矽羥基，可以與空氣中的水分以弱的氫鍵作用力結合，大大增加了溼度傳感器的靈敏度。同時SBA-15(其主要成分是二氧化矽無生理毒性)作為溼敏材料其用量很少，比起市場化的高分子聚合物溼敏材料更為經濟、更有利於環保。(2)本發明方法所製得的溼度傳感器，其靈敏度高、響應快、線性度好、性能穩定、抗腐蝕、裝置簡單、成本低、易於集成化且石英晶體微天平傳感器易於接受和傳遞信號。(3)本發明方法所製得的溼度傳感器具有溼度量程大(1-100%RH)、溼滯小、響應快、靈敏度高、重複性好、性能穩定、材料用量很少、抗腐蝕性好而且製作工藝簡單。圖1分別為所用的孔徑為4一7nm的有序介孔材料SBA-15的的透射電子顯微鏡的TEM照片；圖2為按實施例1中用到的有序介孔材料SBA-15氮氣吸附脫附曲線及脫附孔徑分布，圖3為按實施例2中將介孔材料到石英晶體微天平傳感器(QCM)電極表面所拍的掃描照片；圖4為按下述實施例1所述的孔徑約為5nm的SBA-15溼敏材料在相對溼度為73%條件下的循環曲線圖；圖5為按實施例1、2中傳感器塗覆的有序矽基介孔材料塗層厚度分別為16nm和28nm的樣品1和樣品2以及未塗覆矽基有序介孔材料石英晶體微天平傳感器(QCM)在溼度上升過程中的頻率一相對溼度響應曲線圖。具體實施例方式現將本發明的具體實施例敘述若干。實施例一有序介孔矽基材料孔徑SBA-15石英晶體微天平傳感器(QCM)的製備方法，其過程和步驟如下(1)SBA-15有序介孔矽基材料的製備方法:先將1.5克P123溶於75ml濃度為1.0-2.0M的鹽酸溶液中，在4(TC溫度下攪拌3小時後，再將4.3克正矽酸已酯(TEOS)加入到此溶液中。加完後直接在該溫度下繼續攪拌24小時，然後轉移到水熱釜中在10(TC下晶化24小時。過濾、洗滌、乾燥後，將得到的產物於55(TC下焙燒6小時，冷卻至室溫後即得到所需樣品。其孔徑為7nm左右。將所得的孔徑為5nm左右的介孔材料在一定的介質中超聲分散20-50分鐘，得塗覆液；將其均勻塗布在石英晶體微天平(QCM)傳感器電極上，80-120'C烘乾。最終製得溼度傳感器器件進行溼敏性能測試。上述材料塗覆在石英晶體微天平(QCM)傳感器電極的厚度分別為16nm和28nm，得到樣品分別標記為Sl和S2。各項檢測及試驗對上述實施例中所得樣品的檢測及實驗的結果參見附圖中的圖1及圖5，還有與圖5相應的表l。參見圖l，圖1為本發明所用的有序介孔材料SBA-15的透射電鏡(TEM)照片，可以清晰地看出該有序介孔材料SBA-15具有有序均一的孔道。參見附圖2，，從圖中可以看出合成所得的SBA-15具有IV型吸附曲線，證明該材料具有典型的直線型孔結構、從孔徑分布圖可以看出孔徑分布很窄；二者共同說明所用的有序介孔材料SBA-15具有均一有序的孔道。參見附圖3從圖中可以看出有序介孔材料SBA-15塗覆到了電極表面，且用量很少。參見附圖4，從圖中可以看出該傳感器對溼度的響應非常靈敏、頻率變化達到2200Hz，而且響應非常穩定快速、重複性好。參見附圖5及表1:直線是通過Origin軟體擬合的響應線。表l給出了樣品擬合曲線的方程以及相關係數，其中Y代表頻率變化值(Hz)，x代表相對溼度值(Rff/。)。可以看到，未塗覆介孔材料薄膜修飾的石英晶體微天平的頻率響應幾乎不隨溼度的變化而變化，樣品1和樣品2分別為塗覆同一孔徑不同膜厚的器件。經過計算樣品1和2的膜厚分別為16nm和28nm。可以看到樣品1的靈敏度為46.41Hz/%RH，樣品2的靈敏度更達到68.40Hz/°/。RH。可以看到在相同的相對溼度情況下，隨著塗覆厚度的增加，頻率變化值也隨著增加，這就表明隨敏感材料厚度的增加，傳感器的靈敏度上升。但是並不是意味著厚度可以無限增加，當超過一定值時，石英晶振微天平很難起振。從傳感器隨溼度的頻率變化關係研究中可以證實有序介孔材料SBA-15具有高的靈敏度，是溼度傳感器的理想的備選材料。在實驗中還可以看到基於有序介孔材料的石英晶體微天平傳感器即使在溼度很高的情況下(>90%朋)仍然能夠起振，相比於塗覆其它材料在高溼度下不能起振的傳感器來說，是很好的改進，具有明顯的優勢。表1tableseeoriginaldocumentpage6權利要求1.一種基於有序矽基介孔材料SBA-15的石英晶體微天平溼度傳感器的製備方法，其特徵在於具有以下的工藝過程和步驟a.SBA-15有序矽基介孔材料的製備方法先將1.0-2.0克聚環氧乙烯醚-聚環氧丙烯醚-聚環氧乙烯醚(P123)溶於75ml濃度為1.0-2.0M的酸性溶液中，在40～48℃溫度下攪拌1-3小時後，再將34克左右的正矽酸己酯(TEOS)加入到此溶液中。加完後直接在上述溫度下繼續攪拌24小時，然後轉移到水熱釜中在80～130℃下晶化24小時。過濾、洗滌、乾燥後，將得到的產物於550℃下焙燒6小時，冷卻至室溫後即得到孔徑為2-50nm的SBA-15有序矽基介孔材料。b.石英晶體微天平溼度傳感器部件的製備將上述製得的孔徑為2-50nm的SBA-15有序矽基介孔材料在一定的介質中超聲分散20-50分鐘，得塗覆液；所用的介質為水、丙酮或乙醇的任一種；然後將塗覆液均勻塗覆在經過嚴格清洗的石英晶體微天平的電極表面，並在80～120℃烘乾3～8小時，即得到所述的石英晶體微天平溼度傳感器部件。全文摘要本發明涉及一種基於有序矽基介孔材料SBA-15的石英晶體微天平溼度傳感器的製備方法，屬溼敏材料及溼度傳感器
技術領域：
。本發明採用比表面積大、吸附性能好、孔徑均一且尺寸在納米尺度上可調、結構高度有序的矽基介孔材料SBA-15作為石英晶體微天平(QCM)質量型傳感器的溼敏材料，構建溼度傳感器。本發明製備的溼度傳感器具有溼度量程大(可以在整個相對溼度範圍內測量)、溼滯小、響應快、靈敏度高、重複性好、性能穩定、製作工藝簡單，材料用量少、抗腐蝕、成本低、易於集成化等特點。本發明不僅為QCM質量型傳感器找到了一種很好的溼敏材料，更為有序矽基介孔材料的應用開闢了一個新領域。文檔編號G01N5/02GK101620057SQ200910052378公開日2010年1月6日申請日期2009年6月2日優先權日2009年6月2日發明者源張,徐甲強,朱永恆,許鵬程,琦鄭申請人:上海大學