基于导电聚吡咯和多孔陶瓷基底的氨气气体传感器的研制与应用

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气体传感器在工业、家庭、医疗等市场上正迅速发展。本论文从传感器的气敏材料制备和氨气敏感性能这两方面开展研究工作,包括气敏材料和基底的种类选择、合成制备、分析表征、氨气敏感特性和气敏机理的探讨等研究内容。  首先,采用化学聚合法制备聚吡咯,讨论了反应条件对聚吡咯电导率的影响,并对制得的聚吡咯进行TG-DTA、FTIR、XRD和SEM分析。论文探讨得到采用Py/APS/DBSNa/p-NPh=3.75/1.25/0.15/0.3的制备配方,聚合时间为4h,反应压力为常压,反应温度为0℃的制备条件所制得的PPy电导率最高;不同反应溶剂制得的聚吡咯微观形貌差别很大,但从红外光谱和XRD分析可知,其结构组成并没有受到较大影响。在系统实验的基础上,构建了聚吡咯导电模型,对其导电机理进行了初步讨论。  其次,用化学聚合法在以氧化硅和硅酸镁不同材料不同形状的基体上制备聚吡咯传感元件,并对其氨气敏感行为进行测试。分别得到六方状二氧化硅基底的响应拟合曲线y=-1.69*exp(-x/136.81)+2.56,R2=0.968,圆柱状二氧化硅基底的响应拟合曲线y=1.40+4.37×10-3x,R2=0.984,测试范围均为30-400ppm。对于硅酸镁平板基底,实验得知添加30%造孔剂淀粉后的基底对氨气的响应相比于纯Mg2SiO4基底提高约两倍。气敏元件在高温工作环境下有相对较高的灵敏度,且重复性良好。  同时,论文通过在聚吡咯中添加SnO2制备PPy/SnO2复合材料来提高聚合物传感器的性能并对复合材料进行表征。实验得知,SnO2添加量为0.5g时,制得的PPy/SnO2复合材料对氨气有较高的灵敏度。PPy/SnO2作为气敏材料有利于缩短传感元件的响应时间,Mg2SiO4基底响应时间亦短于SiO2基底。传感元件时间稳定性良好,在120天后仍保留有最初响应的80%。论文也讨论了SnO2的气敏机理以及复合材料对氨气敏感性和响应时间的影响。  最后,为了使传感器结构更加集成化和应用更加便携式,本论文实验中整合电源、传感元件和数据采集卡,搭建氨气气体传感系统并设计电路及信号转换流路。以此为硬件平台,通过拟合标准公式和分析算法编制软件,用于氨气气体的检测。实验得到氨气浓度检测的标准公式为:y=-315.197+6886.68x,R2=0.996,测试范围为98~488ppm。该气体传感系统实用性和可操作性较强。将气体传感系统作为“卫生间智能保健检测系统”的一部分,应用在“智能卫生间”,测试结果与氨气试纸显示结果的相对误差约在30%以内。
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