聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔納米復合材料、制備方法及其用途與流程

本發明屬于導電高分子復合材料的制備技術，特別是涉及一種一種聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔納米復合材料、制備方法及其用途。

背景技術：

氣體傳感材料由于在環境保護中的廣泛應用，特別是用于檢測揮發性和有毒氣體方面，近年來吸引了科研人員的極大興趣。傳統的氣體傳感器通常為半導體金屬氧化物（例如，氧化鋅）。最近，包含碳納米管（cnt），碳納米纖維和石墨烯納米片的碳基納米材料，由于具有大的比表面積，高電子遷移率等特點也使其成為氣體傳感器的優良選擇。為了進一步增強檢測極限，選擇性和靈敏度，通常采用金屬氧化物和碳納米材料與其它組分復合的方式。這樣可以實現表面催化性能的改善，增加表面反應位點，改善氣體傳感性能。

雖然半導體金屬氧化物，碳納米材料及其混合材料能作為氣體傳感器的材料，但它們僅限于幾種氣體如氫氣，氨氣和二氧化氮，并且通常不能完全適用于各種有毒或有機溶劑蒸汽。此外，較低的選擇性和傳感強度，較高的功率消耗和缺乏靈活性限制了它們在實際中的進一步應用。

通過研究發現，導電聚合物復合材料（cpc）由于其質輕，柔性好和較高的傳感強度已被開發作為氣體傳感器材料。當cpc暴露于有機溶劑（液體或蒸汽）時，電阻率通常會顯著增加。這是由于有機溶劑蒸汽能夠擴散或滲透到cpc中，導致聚合物基體的溶脹，因此導電填料之間的距離增大，電阻率升高。另一方面，當溶劑蒸汽逸出cpc時，電阻率又會降低到其原始值，這是由于蒸汽的解吸引起基體的去溶脹并因此導致導電填料間隔的減小，恢復導電網絡。多種因素如聚合物基體和溶劑的溶解度參數，cpc的形狀和微觀結構以及外部環境（溫度，蒸汽壓力等）的變化都可以影響氣體傳感。并且，納米尺寸的導電填料容易（特別是在高濃度下）聚集，這可能限制材料性質甚至破壞其性能。此外，上述提到的cpc具有固體微觀結構，這表明用于溶劑蒸汽的吸附或解吸的平衡時間更長，因此降低了氣體傳感效率和強度。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用于氣體傳感的聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔納米復合材料及其制備方法。

本發明通過以下技術方案實現：一種聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔納米復合材料，所述的復合材料是通過將石墨烯納米片填充到聚醚砜樹脂（pes）上得到，其中，石墨烯納米片占聚醚砜樹脂質量分數的0.05-5%。

上述復合材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）pes粉末溶于dmf中，在60-65℃下磁力攪拌4-6小時，然后得到均勻的pes溶液；

（2）然后，石墨烯納米片與dmf混合超聲形成均勻分散的溶液，超聲時間0.5-1.5h，將步驟（1）所述溶液與石墨烯納米片的dmf溶液混合在一起，在60-65℃下經6-8小時磁力攪拌；

（3）將步驟（2）所述的pes/石墨烯納米片溶液于密閉條件下靜置12小時以上，再將沉淀的納米復合材料置于85-90℃的水中浸泡12小時以上，冷凍干燥，得到所述的復合材料。

進一步的，步驟（1）中，pes溶液中pes的濃度為10-20wt%。

進一步的，步驟（2）中，石墨烯納米片的dmf溶液中石墨烯納米片的含量為0.0056-1.2wt%。

進一步的，步驟（2）中，步驟（1）所述溶液與石墨烯納米片的dmf溶液按體積比為1:1混合。

上述聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔納米復合材料在氣體傳感方面的應用。

進一步，所述的響應氣體包括二氯甲烷、乙醇、丙酮、四氫呋喃等氣體。

與現有技術相比，本發明的優點是：（1）所述材料制備過程速度快，耗能低，設備體積小且易于操作。（2）本發明制備的氣體傳感復合材料重量輕，柔性好和較高的傳感強度，循環性能優異，適用范圍廣。

附圖說明

圖1為本發明多孔石墨烯納米片/pes納米復合材料的制備方法示意圖，（a）：pes和石墨烯納米片溶于dmf的溶液；（b）：溶液出現相分離之后的照片；（c）：測試石墨烯納米片/pes復合材料韌性；（d）：石墨烯納米片/pes復合材料的掃描電鏡圖。

圖2為本發明所述的石墨烯納米片/pes納米復合材料在丙酮蒸汽中的響應強度隨時間變化曲線圖。

圖3為石墨烯納米片含量與石墨烯納米片/pes納米復合材料的導電性關系圖。

圖4為本發明所述的石墨烯納米片/pes納米復合材料對不同溶劑有機溶劑氣體的響應強度。

具體實施方式

本發明的技術方案通過如下具體步驟實現：

實施例1：

（1）實驗中，首先制造石墨納米片（gnp）。石墨插層化合物（gic）在高溫下進行快速膨脹以獲得膨脹石墨（eg）。將制備的eg分散在水中，然后進行超聲處理30分鐘，最后在50℃下真空干燥24小時。多孔gnps/pes納米復合材料的制備：取1gpes粉末溶于9gdmf中，在60℃下磁力攪拌4小時，然后得到均勻的pes溶液；之后0.0005g石墨烯納米片在9gdmf中超聲分散0.5小時。然后，將制備的兩種溶液混合，如圖1a為pes和石墨烯納米片混合溶液照片。隨后在60℃下磁力攪拌6小時。之后，將均勻分散的pes/石墨烯納米片溶液置于貯水的密閉容器中12小時，然后將沉淀的納米復合材料浸入85℃的水中12小時，以交換出大部分dmf，如圖1b為水蒸氣與混合液中dmf溶劑交換后的照片。之后，將石墨烯納米片/pes冷凍干燥以除去殘留的水和dmf。最后，獲得多孔pes/石墨烯納米片膜。實驗過程如圖1示意圖所示，1c為制備的復合材料柔韌性測試照片。（2）導電性測試，將聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔復合材料剪成長條狀，兩端接上導線并涂上導電銀漿在80oc下固化12小時，固化結束后用電阻測試儀測量樣品的電阻，為了保證測量結果的準確，多次測試樣品電阻，取平均值，其測試結果石墨烯納米片體積含量與電導率的關系如圖3所示。（3）氣體傳感測試，將一定量丙酮裝入錐形瓶中，待溶劑蒸汽飽和之后，放入兩側涂有導電銀漿并接導線的聚醚砜樹脂/石墨烯納米片復合材料，導線和電阻測試儀相連接，電阻隨時間的變化被原位記錄下來，其測試結果如圖2所示。按照此方法測試其他氣體的響應強度。

實施例2：

（1）取1.5gpes粉末溶于8.5gdmf中，在62℃下磁力攪拌5小時，然后得到均勻的pes溶液；之后0.038g石墨烯納米片在8.5gdmf中超聲分散1小時。然后，將制備的兩種溶液混合。隨后在62℃下磁力攪拌7小時。之后，將均勻分散的pes/石墨烯納米片溶液置于貯水的密閉容器中13小時，然后將沉淀的納米復合材料浸入87℃的水中13小時，以交換出大部分dmf。之后，將石墨烯納米片/pes冷凍干燥以除去殘留的水和dmf。最后，獲得多孔pes/石墨烯納米片膜。其中1d為本實施例制備的復合材料掃描電子顯微鏡照片。（2）導電性測試，將聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔復合材料剪成長條狀，兩端接上導線并涂上導電銀漿在80oc下固化12小時，固化結束后用電阻測試儀測量樣品的電阻，為了保證測量結果的準確，多次測試樣品電阻，取平均值，其測試結果石墨烯納米片體積含量與電導率的關系如圖3所示。（3）氣體傳感測試，將一定量丙酮裝入錐形瓶中，待溶劑蒸汽飽和之后，放入兩側涂有導電銀漿并接導線的聚醚砜樹脂/石墨烯納米片復合材料，導線和電阻測試儀相連接，電阻隨時間的變化被原位記錄下來。按照此方法測試其他氣體的響應強度，本實施例制備的復合材料測試結果如圖4，其中a.二氯甲烷b.乙醇c.丙酮d.四氫呋喃。

實施例3：

（1）取2gpes粉末溶于8gdmf中，在65℃下磁力攪拌6小時，然后得到均勻的pes溶液；之后0.1g石墨烯納米片在8gdmf中超聲分散1.5小時。然后，將制備的兩種溶液混合。隨后在65℃下磁力攪拌8小時。之后，將均勻分散的pes/石墨烯納米片溶液置于貯水的密閉容器中14小時，然后將沉淀的納米復合材料浸入90℃的水中14小時，以交換出大部分dmf。之后，將石墨烯納米片/pes冷凍干燥以除去殘留的水和dmf。最后，獲得多孔pes/石墨烯納米片膜。（2）導電性測試，將聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔復合材料剪成長條狀，兩端接上導線并涂上導電銀漿在80oc下固化12小時，固化結束后用電阻測試儀測量樣品的電阻，為了保證測量結果的準確，多次測試樣品電阻，取平均值，其測試結果石墨烯納米片體積含量與電導率的關系如圖3所示。（3）氣體傳感測試，將一定量丙酮裝入錐形瓶中，待溶劑蒸汽飽和之后，放入兩側涂有導電銀漿并接導線的聚醚砜樹脂/石墨烯納米片復合材料，導線和電阻測試儀相連接，電阻隨時間的變化被原位記錄下來。按照此方法測試其他氣體的響應強度。

從上述實施例可知，石墨烯納米片含量增加到0.005vol%時，材料的電導率顯著增加，之后隨著石墨烯納米片含量增加電導率緩慢增加，當石墨烯納米片含量在0.05vol%時增加到最大。