一種聚電解質和石墨烯複合電阻型溼敏元件及其製作方法
2023-12-03 23:00:41
專利名稱：一種聚電解質和石墨烯複合電阻型溼敏元件及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚電解質和石墨烯複合電阻型溼敏元件及其製作方法。
背景技術：
溼度檢測在現代工農業生產和環境監測中具有日益重要的作用。作為檢測溼度最為常用而有效的方法，溼度傳感器的研究也因而受到各國普遍重視。近年來，高壓電氣設備越來越多的應用在生產生活的各個方面，而用於高壓變電設備絕緣的介質六氟化硫氣體中水分含量對於其絕緣性能有著顯著影響，並影響設備壽命和安全，因此低溼環境的監測亦受到很大的關注。高分子電阻型溼度傳感器具有響應靈敏度高、製備簡便、價格低廉、易於改性調控性能等優點，成為溼度傳感器研究發展的重點。當前高分子電阻型溼度傳感器主要以聚電解質為主，這類材料響應靈敏度比較高，但同時這類材料在低溼環境下具有很高的電阻，難以測定，大大限制了其在低溼檢測中的應用。為此，有必要通過化學修飾、複合等方法對於高分子溼敏材料進行改性，以降低其低溼電阻，擴大檢測量程，改善其低溼響應特性。將聚電解質與高分子和無機導電材料等通過共聚、共混等方法複合，可以在一定程度上降低複合材料的電阻，有望製備可檢測低溼環境的電阻型溼度傳感器。2004年Geim等人發現石墨烯材料，在科學界激起了巨大的波瀾，僅僅過了六年時間，即在2010年獲得諾貝爾物理學獎。人們發現，石墨烯這種新型二維納米材料具有非同尋常的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，有望在現代電子科技領域引發一輪革命。石墨烯是已知材料中最薄的一種，非常牢固堅硬；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快其導電電子不僅能在晶格中無障礙地移動，而且速度極快，遠遠超過了電子在金屬導體或半導體中的移動速度。由此可用於製備室溫彈道場效應電晶體， 單電子器件以及集成電路，此外它還在複合材料、電池電極材料、儲氫材料、場發射材料、量子計算機以及超靈敏傳感器等領域具有良好的應用前景。
發明內容
本發明的目的是提供一種在寬的溼度範圍內，特別是在低溼環境下具有響應靈敏度高、溼滯小、可室溫檢測的聚電解質和石墨烯複合電阻型溼敏元件及其製作方法。本發明的聚電解質和石墨烯複合的電阻型溼敏元件，具有陶瓷基體，在陶瓷基體表面光刻和蒸發有多對叉指金電極，在叉指金電極上連接有引線，在陶瓷基體和叉指金電極表面塗覆有溼敏薄膜，溼敏薄膜為聚二烯丙基二甲基氯化銨與石墨烯複合溼敏材料。聚電解質和石墨烯複合的電阻型溼敏元件的製作方法，包括以下步驟
1)清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的陶瓷基片，烘乾備用；
2)將1-5克25%wt的聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液用5-15毫升去離子水稀釋；
3)將5-25毫克氧化石墨烯加入5-15毫升水中，超聲振蕩處理15-45分鐘，然後逐滴加入到步驟2)製備的聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液中，繼續超聲振蕩處理15-45分鐘後， 加入0. 1-0. 5毫升質量含量為85%的水合胼，在65-125°C下加熱5_15小時，得到前驅體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬於步驟3)製備的前驅體溶液中0. 5-2分鐘，提拉取出後，在60-120°C下加熱1-10小時，得到覆蓋有聚電解質和石墨烯複合溼敏薄膜的電阻型溼敏元件。本發明的優點在於
1)陽離子聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)是一種常見的聚電解質材料，其溼滯小，響應靈敏度高。但是存在低溼下電阻高的缺點，難以用於低溼環境測定，限制了其實際應用的範圍。石墨烯作為一種具有優異導電性的二維納米導電材料，與聚電解質PDDA 複合後明顯降低了元件在乾燥環境下的電阻，使其在低溼下仍具有很好的線性響應，同時它沒有影響聚電解質溼敏材料PDDA的其它優異溼敏響應特性，複合物仍然體現出很小的溼滯。2)石墨烯具有良好的導電性，但是其不溶不熔，難以直接實現與聚電解質良好複合。為此，選用在溶液中具有良好分散性的氧化石墨烯與聚電解質PDDA直接進行溶液共混。通過浸塗方法，將複合物薄膜沉積於叉指金電極上，再進行一步化學還原，即可製得石墨烯與聚電解質複合薄膜電阻型溼敏元件。該方法簡便易行，避免了通常納米材料與聚合物複合時，為了改善其分散特性而需要對於納米材料進行複雜的化學修飾改性，採用浸塗方法製備的元件一致性好，成品率高，尤其適於批量生產；
3)石墨烯的導電性很高，而且不受環境溼度影響，其與聚電解質複合，可顯著降低溼敏元件在低溼環境下的電阻，從而方便地實現低溼環境測定；而且作為二維納米材料，其與聚電解質PDDA複合，可顯著提高溼敏膜的比表面積，從而加快響應和增加響應靈敏度，此外石墨烯良好的化學穩定性也有利於溼敏元件穩定性的提高；
4)本發明的溼敏元件具有體積小，低成本，使用方便等優點。採用基底為多孔陶瓷的叉指金電極結構，可以改善溼敏薄膜與電極基底的接觸性，提高元件的穩定性。該溼敏元件可廣泛應用於工農業生產過程、倉儲、大氣環境監測時對於環境溼度精確測量與控制，特別是低溼環境的溼度檢測。
圖1是本發明的溼敏元件的結構示意圖2是聚電解質和石墨烯複合的電阻型溼敏元件的溼滯曲線； 圖3是聚電解質和石墨烯複合的電阻型溼敏元件的低溼響應曲線； 圖4是聚電解質和石墨烯複合的電阻型溼敏元件的響應時間曲線。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例進一步說明本發明。參照圖1，本發明的聚電解質和石墨烯複合的電阻型溼敏元件，具有陶瓷基體1， 在陶瓷基體表面光刻和蒸發有多對叉指金電極2，在叉指金電極上連接有引線4，在陶瓷基體和叉指金電極表面塗覆有溼敏薄膜3，溼敏薄膜3為聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)和石墨烯複合溼敏材料。所說的陶瓷片基體表面的叉指的叉指寬度為20-200 ym，叉指間隙為20-200μ m0實施例1
1)清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的陶瓷基片，烘乾備用；
2)將5克25%wt的PDDA溶液用5毫升去離子水稀釋；
3)將5毫克氧化石墨烯加入5毫升水中，超聲振蕩處理15分鐘，然後逐滴加入到步驟 2)製備的PDDA溶液中，繼續超聲振蕩處理15分鐘後，加入0. 1毫升質量含量為85%的水合胼，在65°C下加熱5小時，得到前驅體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬於步驟3)製備的前驅體溶液中0.5分鐘，提拉取出後，在60°C下加熱1小時，得到覆蓋有聚電解質和石墨烯複合溼敏薄膜的電阻型溼敏元件。實施例2:
1)清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的陶瓷基片，烘乾備用；
2)將3克25%wt的PDDA溶液用7毫升去離子水稀釋；
3)將7毫克氧化石墨烯加入7毫升水中，超聲振蕩處理20分鐘，然後逐滴加入到步驟 2)製備的PDDA溶液中，繼續超聲振蕩處理20分鐘後，加入0. 2毫升質量含量為85%的水合胼，在125°C下加熱7小時，得到前驅體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬於步驟3)製備的前驅體溶液中0.8分鐘，提拉取出後，在70°C下加熱2小時，得到覆蓋有聚電解質和石墨烯複合溼敏薄膜的電阻型溼敏元件。實施例3:
1)清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的陶瓷基片，烘乾備用；
2)將1克25%wt的PDDA溶液用10毫升去離子水稀釋；
3)將15毫克氧化石墨烯加入10毫升水中，超聲振蕩處理30分鐘，然後逐滴加入到步驟2)製備的PDDA溶液中，繼續超聲振蕩處理30分鐘後，加入0. 4毫升質量含量為85%的水合胼，在80°C下加熱10小時，得到前驅體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬於步驟3)製備的前驅體溶液中1.5分鐘，提拉取出後，在90°C下加熱5小時，得到覆蓋有聚電解質和石墨烯複合溼敏薄膜的電阻型溼敏元件。實施例4:
1)清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的陶瓷基片，烘乾備用；
2)將5克25%wt的PDDA溶液用15毫升去離子水稀釋；
3)將25毫克氧化石墨烯加入15毫升水中，超聲振蕩處理45分鐘，然後逐滴加入到步驟2)製備的PDDA溶液中，繼續超聲振蕩處理45分鐘後，加入0. 5毫升質量含量為85%水合胼，在125°C下加熱15小時，得到前驅體溶液；
4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬於步驟3)製備的前驅體溶液中2分鐘，提拉取出後，在120°C下加熱10小時，得到覆蓋有聚電解質和石墨烯複合溼敏薄膜的電阻型溼敏元件。該溼敏元件的溼滯曲線見圖2，由圖所見，聚電解質PDDA和石墨烯複合的電阻型溼敏元件的溼滯很小，約為1%RH ；由圖3可見，在0. 25-30%RH的低溼環境下，複合溼敏元件在半對數坐標下具有很好的響應線性度，而且響應靈敏度較高，體現出很好的溼敏響應特性；
由圖4可見，將本發明製備的複合溼敏元件在84%RH和11%RH的高低溼環境下轉換時， 元件吸溼響應很快，響應時間僅為9秒，但脫溼較慢，響應時間為150秒。
權利要求
1.一種聚電解質和石墨烯複合的電阻型溼敏元件，其特徵在於它具有陶瓷基體⑴， 在陶瓷基體表面光刻和蒸發有多對叉指金電極⑵，在叉指金電極上連接有引線⑷，在陶瓷基體和叉指金電極表面塗覆有溼敏薄膜⑶，溼敏薄膜為聚二烯丙基二甲基氯化銨和石墨烯複合物。
2.根據權利要求1所述的聚電解質和石墨烯複合電阻型溼敏元件的製作方法，其特徵在於包括以下步驟1)清洗表面光刻和蒸發有叉指金電極的陶瓷基片，烘乾備用；2)將1-5克25%wt的聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液用5-15毫升去離子水稀釋；3)將5-25毫克氧化石墨烯加入5-15毫升水中，超聲振蕩處理15-45分鐘，然後逐滴加入到步驟2)製備的聚二烯丙基二甲基氯化銨溶液中，繼續超聲振蕩處理15-45分鐘後， 加入0. 1-0. 5毫升質量含量為85%的水合胼，在65-125°C下加熱5_15小時，得到前驅體溶液；4)將步驟1)的陶瓷叉指金電極浸漬於步驟3)製備的前驅體溶液中0.5-2分鐘，提拉取出後，在60-120°C下加熱1-10小時，得到覆蓋有聚電解質和石墨烯複合溼敏薄膜的電阻型溼敏元件。
全文摘要
本發明公開了一種聚電解質和石墨烯複合的電阻型溼敏元件及其製作方法，它是以陶瓷為基片，其上有多對叉指金電極，在陶瓷基片和叉指金電極表面塗敷有溼敏薄膜，溼敏薄膜為聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨和石墨烯複合物。該溼敏元件在寬的溼度範圍，特別是在低溼度環境下均具有阻抗值適中、靈敏度高、線性度好、溼滯小、在室溫下檢測等特點，可廣泛應用於工農業生產、倉儲、大氣環境監測等領域對於環境溼度，尤其是低溼環境下溼度的精確測量與控制。
文檔編號G01N27/04GK102323300SQ20111020009
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月18日 優先權日2011年7月18日
發明者李揚, 楊慕傑, 鄧超 申請人:浙江大學