本發(fā)明屬于導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的制備技術(shù)，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(fù)合材料、制備方法及其用途。

背景技術(shù)：

氣體傳感材料由于在環(huán)境保護(hù)中的廣泛應(yīng)用，特別是用于檢測(cè)揮發(fā)性和有毒氣體方面，近年來(lái)吸引了科研人員的極大興趣。傳統(tǒng)的氣體傳感器通常為半導(dǎo)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(diǎn)也使其成為氣體傳感器的優(yōu)良選擇。為了進(jìn)一步增強(qiáng)檢測(cè)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(fù)合的方式。這樣可以實(shí)現(xiàn)表面催化性能的改善，增加表面反應(yīng)位點(diǎn)，改善氣體傳感性能。

雖然半導(dǎo)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(jī)溶劑蒸汽。此外，較低的選擇性和傳感強(qiáng)度，較高的功率消耗和缺乏靈活性限制了它們?cè)趯?shí)際中的進(jìn)一步應(yīng)用。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（cpc）由于其質(zhì)輕，柔性好和較高的傳感強(qiáng)度已被開發(fā)作為氣體傳感器材料。當(dāng)cpc暴露于有機(jī)溶劑（液體或蒸汽）時(shí)，電阻率通常會(huì)顯著增加。這是由于有機(jī)溶劑蒸汽能夠擴(kuò)散或滲透到cpc中，導(dǎo)致聚合物基體的溶脹，因此導(dǎo)電填料之間的距離增大，電阻率升高。另一方面，當(dāng)溶劑蒸汽逸出cpc時(shí)，電阻率又會(huì)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(dǎo)致導(dǎo)電填料間隔的減小，恢復(fù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。多種因素如聚合物基體和溶劑的溶解度參數(shù)，cpc的形狀和微觀結(jié)構(gòu)以及外部環(huán)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(dǎo)電填料容易（特別是在高濃度下）聚集，這可能限制材料性質(zhì)甚至破壞其性能。此外，上述提到的cpc具有固體微觀結(jié)構(gòu)，這表明用于溶劑蒸汽的吸附或解吸的平衡時(shí)間更長(zhǎng)，因此降低了氣體傳感效率和強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(fù)合材料及其制備方法。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔納米復(fù)合材料，所述的復(fù)合材料是通過(guò)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.05-5%。

上述復(fù)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(shí)，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(shí)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(jīng)6-8小時(shí)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(shí)以上，再將沉淀的納米復(fù)合材料置于85-90℃的水中浸泡12小時(shí)以上，冷凍干燥，得到所述的復(fù)合材料。

進(jìn)一步的，步驟（1）中，pes溶液中pes的濃度為10-20wt%。

進(jìn)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(jìn)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(fù)合材料在氣體傳感方面的應(yīng)用。

進(jìn)一步，所述的響應(yīng)氣體包括二氯甲烷、乙醇、丙酮、四氫呋喃等氣體。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：（1）所述材料制備過(guò)程速度快，耗能低，設(shè)備體積小且易于操作。（2）本發(fā)明制備的氣體傳感復(fù)合材料重量輕，柔性好和較高的傳感強(qiáng)度，循環(huán)性能優(yōu)異，適用范圍廣。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明多孔石墨烯納米片/pes納米復(fù)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(xiàn)相分離之后的照片；（c）：測(cè)試石墨烯納米片/pes復(fù)合材料韌性；（d）：石墨烯納米片/pes復(fù)合材料的掃描電鏡圖。

圖2為本發(fā)明所述的石墨烯納米片/pes納米復(fù)合材料在丙酮蒸汽中的響應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)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(fù)合材料的導(dǎo)電性關(guān)系圖。

圖4為本發(fā)明所述的石墨烯納米片/pes納米復(fù)合材料對(duì)不同溶劑有機(jī)溶劑氣體的響應(yīng)強(qiáng)度。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)如下具體步驟實(shí)現(xiàn)：

實(shí)施例1：

（1）實(shí)驗(yàn)中，首先制造石墨納米片（gnp）。石墨插層化合物（gic）在高溫下進(jìn)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(jìn)行超聲處理30分鐘，最后在50℃下真空干燥24小時(shí)。多孔gnps/pes納米復(fù)合材料的制備：取1gpes粉末溶于9gdmf中，在60℃下磁力攪拌4小時(shí)，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(shí)。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(shí)。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(shí)，然后將沉淀的納米復(fù)合材料浸入85℃的水中12小時(shí)，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(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1示意圖所示，1c為制備的復(fù)合材料柔韌性測(cè)試照片。（2）導(dǎo)電性測(cè)試，將聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔復(fù)合材料剪成長(zhǎng)條狀，兩端接上導(dǎo)線并涂上導(dǎo)電銀漿在80oc下固化12小時(shí)，固化結(jié)束后用電阻測(cè)試儀測(cè)量樣品的電阻，為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確，多次測(cè)試樣品電阻，取平均值，其測(cè)試結(jié)果石墨烯納米片體積含量與電導(dǎo)率的關(guān)系如圖3所示。（3）氣體傳感測(cè)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(cè)涂有導(dǎo)電銀漿并接導(dǎo)線的聚醚砜樹脂/石墨烯納米片復(fù)合材料，導(dǎo)線和電阻測(cè)試儀相連接，電阻隨時(shí)間的變化被原位記錄下來(lái)，其測(cè)試結(jié)果如圖2所示。按照此方法測(cè)試其他氣體的響應(yīng)強(qiáng)度。

實(shí)施例2：

（1）取1.5gpes粉末溶于8.5gdmf中，在62℃下磁力攪拌5小時(shí)，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(shí)。然后，將制備的兩種溶液混合。隨后在62℃下磁力攪拌7小時(shí)。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(shí)，然后將沉淀的納米復(fù)合材料浸入87℃的水中13小時(shí)，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(shí)施例制備的復(fù)合材料掃描電子顯微鏡照片。（2）導(dǎo)電性測(cè)試，將聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔復(fù)合材料剪成長(zhǎng)條狀，兩端接上導(dǎo)線并涂上導(dǎo)電銀漿在80oc下固化12小時(shí)，固化結(jié)束后用電阻測(cè)試儀測(cè)量樣品的電阻，為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確，多次測(cè)試樣品電阻，取平均值，其測(cè)試結(jié)果石墨烯納米片體積含量與電導(dǎo)率的關(guān)系如圖3所示。（3）氣體傳感測(cè)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(cè)涂有導(dǎo)電銀漿并接導(dǎo)線的聚醚砜樹脂/石墨烯納米片復(fù)合材料，導(dǎo)線和電阻測(cè)試儀相連接，電阻隨時(shí)間的變化被原位記錄下來(lái)。按照此方法測(cè)試其他氣體的響應(yīng)強(qiáng)度，本實(shí)施例制備的復(fù)合材料測(cè)試結(jié)果如圖4，其中a.二氯甲烷b.乙醇c.丙酮d.四氫呋喃。

實(shí)施例3：

（1）取2gpes粉末溶于8gdmf中，在65℃下磁力攪拌6小時(shí)，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(shí)。然后，將制備的兩種溶液混合。隨后在65℃下磁力攪拌8小時(shí)。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(shí)，然后將沉淀的納米復(fù)合材料浸入90℃的水中14小時(shí)，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(dǎo)電性測(cè)試，將聚醚砜樹脂/石墨烯納米片多孔復(fù)合材料剪成長(zhǎng)條狀，兩端接上導(dǎo)線并涂上導(dǎo)電銀漿在80oc下固化12小時(shí)，固化結(jié)束后用電阻測(cè)試儀測(cè)量樣品的電阻，為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確，多次測(cè)試樣品電阻，取平均值，其測(cè)試結(jié)果石墨烯納米片體積含量與電導(dǎo)率的關(guān)系如圖3所示。（3）氣體傳感測(cè)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(cè)涂有導(dǎo)電銀漿并接導(dǎo)線的聚醚砜樹脂/石墨烯納米片復(fù)合材料，導(dǎo)線和電阻測(cè)試儀相連接，電阻隨時(shí)間的變化被原位記錄下來(lái)。按照此方法測(cè)試其他氣體的響應(yīng)強(qiáng)度。

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