[发明专利]一种气体传感器纤维膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及有机-无机复合材料及其制备方法，更具体地，是一种传感器纤维膜及其制备方法。

背景技术

纳米材料，尤其是无机纳米材料，被广泛应用于催化剂，气体传感器，电池特别是太阳能电池以及其他技术和新应用中。结晶型复合物的晶体尺寸、晶体形状、表面积以及孔隙率会对其功能特性产生深远影响，因此，实现对这些参数的精确控制对发展新型纳米材料和纳米技术是至关重要的。

高温处理条件下想保留小晶粒尺寸和纳米孔径、阻止晶粒长大并使其高密度化是非常困难的。可是气体传感器和固体氧化物燃料电池的常规操作温度就在几百摄氏度左右，这使得对设备及实验的要求更高了。曾有人提出几种抑制晶粒生长和致密化的方法，其中包括两步烧结技术，分子加帽，在无孔模板沉积，热水处理和表面接枝有机分子等，但效果都不甚理想。因此，迫切需要找到一种在高温条件下制备稳定的无孔结构的有效途径。

发明内容

本发明目的在于提供一种灵敏度高、选择性高且在高温下可稳定维持微孔结构的气体传感器纤维膜及其制备方法。

本发明是通过如下技术手段实现的：针对静电纺丝技术能生产有机或无机纤维，且在静电纺丝过程中，水解、缩合、预凝胶等反应会导致纤维形态和微结构改变的特点，通过将有机高分子溶液和无机分子溶液混合后进行静电纺丝，得到复合纤维材料，再经热压和煅烧，使得复合纤维材料成膜，并使有机成分分解、无机成分氧化结晶，形成金属氧化物纳米粒子，提供一种高灵敏、高选择性且可稳定维持微孔结构的气体传感器纤维膜，且整个制备工艺简单，成本低。

本发明的气体传感器纤维膜，由复合纤维材料热压而成，所述复合纤维由重均分子量为5～50万的有机高分子以及无机分子构成，其中，所述有机高分子选自聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)以及聚己内酯(PCL)；所述无机分子选自醋酸锡(Sn(CH₃COO)₂)、氯化钯(PdCl₂)、氯化钠(NaCl)、醋酸钙(Ca(CH₃COO)₂)、氯化锌(ZnCl₂)。

本发明的制备气体传感器纤维膜的方法，包括如下步骤：

(1)配制有机高分子溶液：将有机高分子材料溶于水或有机溶剂，配制成质量百分浓度为2～50％的有机高分子溶液；

优选地，所述高分子材料所对应的溶剂分别为：聚醋酸乙烯酯(PVAc)溶于二甲基甲酰胺(DMF)；PEO溶于水；PVA溶于水或丙酮或水和丙酮的混合液；聚乳酸(PLA)溶于二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮的混合液；聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)溶于二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮的混合液；聚己内酯(PCL)溶于丙酮或四氢呋喃或丙酮和二甲基甲酰胺(DMF)的混合液。

(2)配制无机分子溶液：将无机分子材料溶于水或有机溶剂，配制成质量浓度为1～30％的无机分子溶液；

优选地，所述无机分子材料所对应的溶剂分别为：醋酸锡(Sn(CH₃COO)₂)溶于二甲基甲酰胺(DMF)和醋酸的混合液；氯化钯(PdCl₂)溶于水或丙酮；氯化钠(NaCl)溶于水或二甲基甲酰胺(DMF)；醋酸钙(Ca(CH₃COO)₂)溶于二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基亚砜(DMSO)；氯化锌(ZnCl₂)溶于二甲基亚砜(DMSO)或二甲基亚砜(DMSO)与水的混合液。

(3)制备复合纤维材料：将所述有机高分子溶液和无机分子溶液混合均匀得到静电纺丝液，并注入单针头经典纺丝装置中，在电压为10～30KV，溶液流量为10～100μL/min，接收距离为5～25cm的条件下进行静电纺丝，利用具有特征微结构的基材进行接收，得到直径为50nm～500nm的复合纤维材料；

(4)热压成膜：将上述复合纤维材料用预热金属板在50～100℃下热压1～10分钟后，在450～600℃下高温煅烧0.5～2小时，得到气体传感器纤维膜。

优选地，本发明的制备气体传感器纤维膜的方法采用的具有特征微结构的基材选自二氧化硅/硅晶片和氧化铝陶瓷中的一种或两种。