原位聚合制备碳纳米管/PMMA/PVAc复合膜及其气敏性能研究

论文摘要

填充型导电复合高分子材料作为气体敏感材料由于具有质量轻,成本较低,易于加工成型,宜于大规模生产等特性而受到广泛重视。与其他的导电填充粒子相比,碳纳米管因尺寸小、比表面积大、呈中空结构而具有良好的吸附能力,然而碳纳米管易缠结和团聚,它在高分子基体中的分散度成为影响碳纳米管/聚合物复合高分子材料导电和气敏性能的关键。基于上述考虑,本研究以碳纳米管为导电填充粒子,聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚醋酸乙烯酯（PVAc）为基体,通过超声分散和原位聚合的方法,制备出了性能优良的复合膜,并对其导电气敏性能进行了详细的研究。主要工作如下：1.以甲基丙烯酸甲酯（MMA）为单体,偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂,采用原位聚合法制备了碳纳米管/PMMA复合材料,通过聚合物的分子量来考察复合材料的聚合情况,以及碳纳米管含量对原位聚合反应的影响，并进一步研究所制得的复合膜微观结构。通过研究碳纳米管含量对碳纳米管/PMMA复合膜导电性能的影响,发现随着碳纳米管含量的增加,复合膜电阻率逐渐降低,在聚合过程中通入氮气的条件下所制得的复合膜较未通入氮气制得的复合膜导电性能要好。而在一定浓度四氢呋喃、丙酮、乙醇气氛中,研究了碳纳米管含量对CNT/PMMA复合膜的气敏性能的影响,同时发现复合膜对三种气氛的气敏响应都是随着时间的增加先增大后减小,在同一浓度四氢呋喃、丙酮、乙醇气氛中,复合膜气敏性能大小关系如下：四氢呋喃>丙酮>乙醇；复合膜的响应时间顺序为：丙酮>四氢呋喃>乙醇。2.研究通过将碳纳米管/PMMA复合材料加入PVAc,制备的碳纳米管/PMMA/PVAc复合膜的微观结构以及其导电性能,发现随着碳纳米管含量的增加,复合膜电阻率逐渐降低,复合膜的渗流阈值为3wt%。在一定浓度四氢呋喃、丙酮、乙醇气氛中,碳纳米管/PMMA/PVAc复合膜的响应随着时间的增加先增大后减小,在同一浓度的四氢呋喃、丙酮、乙醇气氛中气敏性能的大小为：四氢呋喃>丙酮>乙醇。3.在不同浓度的四氢呋喃、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯气氛中,CNTs/PMMA/PVAc复合膜电阻变化峰形相似,呈单峰形状,在吸附区,随着时间的增加,复合膜电阻增大；在解吸区,随着时间的增加,复合膜电阻逐渐减小。同时可以看到,每种气氛中,随着蒸气浓度的增大,复合膜电阻逐渐增大。其中,在浓度为0.8-5.6ppt四氢呋喃气氛中,浓度为0.6-5.4ppt乙酸乙酯气氛中,浓度为0.6-6ppt甲苯气氛中,浓度为0.5-8ppt二甲苯气氛中,CNTs/PMMA/PVAc复合膜的气敏响应敏感率都随着每种蒸气气氛浓度的增加近似呈线性关系增加。复合膜在乙酸乙酯气氛中的电阻响应变化最大,四氢呋喃其次,在二甲苯中的电阻变化最小,而且复合膜在甲苯和二甲苯中气敏响应与气氛浓度所呈的线性关系也较差。在四氢呋喃、乙酸乙酯、甲苯、二甲苯四种气氛中,随着CNTs/PMMA/PVAc复合膜基体中PVAc含量的增加,气敏响应也逐渐降低。CNTs/PMMA/PVAc复合膜在四种气氛中的气敏性能大小为：乙酸乙酯>四氢呋喃>甲苯>二甲苯。（4）通过原位聚合法制备的碳纳米管/PVAc复合膜以及碳纳米管/PVAc/PMMA复合膜导电性能较差,吸波性能较弱。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气体传感器的研究
• 1.2.1 气体传感器的分类
• 1.2.2 气敏传感器的工作机理
• 1.3 炭黑/聚合物基气敏导电复合材料的研究
• 1.3.1 炭黑/聚合物复合材料气敏响应机理
• 1.3.2 炭黑/聚合物导电复合材料的制备
• 1.3.3 炭黑/聚合物气敏导电复合材料的研究进展
• 1.4 碳纳米管气体传感器的研究及应用
• 1.4.1 碳纳米管的结构
• 1.4.2 碳纳米管/聚合物传感器导电及气敏响应机理
• 1.4.3 碳纳米管/聚合物复合导电及气敏材料的研究现状
• 1.5 聚合物纳米复合膜的制备与应用
• 1.5.1 聚合物纳米复合膜的制备
• 1.5.2 聚合物纳米粒子自组装复合膜的应用
• 1.6 课题提出的背景及前期工作
• 1.6.1 课题提出背景
• 1.6.2 实验的前期工作
• 1.6.3 本课题开展的工作
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料及设备
• 2.2 原位聚合碳纳米管/PMMA复合材料
• 2.2.1 碳纳米管的表面处理
• 2.2.2 原位聚合制备碳纳米管/PMMA复合材料
• 2.3 原位聚合碳纳米管/PVAc复合材料
• 2.4 碳纳米管/PMMA/PVAc复合膜的制备
• 2.4.1 聚醋酸乙烯酯的制备
• 2.4.2 碳纳米管/PMMA/PVAc复合膜的制备
• 2.5 材料结构与性能的测试
• 2.5.1 扫描电子显微分析（SEM）
• 2.5.2 凝胶渗透色谱分析（GPC）
• 2.5.3 复合膜厚度的测量
• 2.5.4 复合膜导电性和气敏性的测量
• 第三章 原位聚合制备碳纳米管/PMMA及其导电气敏性能的研究
• 3.1 原位聚合制备碳纳米管/PMMA复合材料的分子结构
• 3.2 原位聚合制备碳纳米管/PMMA复合材料导电性能
• 3.3 原位聚合制备碳纳米管/PMMA复合材料气敏性能
• 3.3.1 原位聚合CNT/PMMA复合膜在一定浓度四氢呋喃气氛中的气敏性能
• 3.3.2 原位聚合CNTs/PMMA复合膜在一定浓度乙醇气氛中的气敏性能
• 3.3.3 原位聚合CNTs/PMMA复合膜在一定浓度丙酮气氛中的气敏性能
• 3.4 小结
• 第四章 原位聚合制备碳纳米管/PMMA/PVAc复合膜及其导电气敏性能
• 4.1 原位聚合制备碳纳米管/PMMA/PVAc复合膜的微观结构
• 4.2 原位聚合制备碳纳米管/PMMA/PVAc导电性能
• 4.3 原位聚合碳纳米管/PMMA/PVAc复合膜气敏性能
• 4.3.1 原位聚合碳纳米管/PMMA/PVAc复合膜在一定浓度溶剂气氛中的气敏性能
• 4.3.2 原位聚合CNTs/PMMA/PVAc复合膜在不同浓度四氢呋喃气氛中的气敏性能
• 4.3.3 原位聚合CNTs/PMMA/PVAc复合膜在乙酸乙酯气氛中的气敏性
• 4.3.4 原位聚合CNTs/PMMA/PVAc复合膜在甲苯气氛中的气敏性能
• 4.3.5 原位聚合PVAc/PMMA/CNTs复合膜在二甲苯气氛中的气敏性能
• 4.4 小结
• 第五章 原位聚合PMMA/PVAc/CNTs复合膜导电及气敏性能
• 5.1 原位聚合制备的PVAc/CNTs的结构
• 5.1.1 原位聚合制备的PVAc/CNTs的分子量
• 5.1.2 原位聚合碳纳米管/PVAc/PMMA复合膜的微观结构
• 5.2 原位聚合碳纳米管/PVAc导电性能的测试
• 5.3 碳纳米管/PVAc/PMMA导电性能的测试
• 5.4 用原位聚合法制备的碳纳米管/PVAc复合材料制备吸波涂层
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件