CN105259306B

CN105259306B - 一种纳米过渡金属氧化物敏感浆料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN105259306B
Application number: CN201510659149.5A
Authority: CN
Inventors: 刘善堂; 肖丽; 余庚
Original assignee: Wuhan Institute of Technology
Current assignee: Wuhan Institute of Technology
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: CN105259306A

Abstract

本发明涉及纳米过渡金属氧化物敏感浆料及其制备方法和应用，包括有以下步骤：1)将溶剂与保湿剂进行称重混合，并用自转公转搅拌机低速搅拌混匀；2)将纳米金属氧化物粉体加入得到的溶剂载体中，并用自转公转搅拌机低速搅拌混匀；3)依次将分散剂、消泡剂、pH调节剂加入得到的混合液中，并用自转公转搅拌机低速搅拌混匀；4)将得到的混合液，用自转公转搅拌机高速搅拌混匀，再辅助高速脱泡处理，制备得到最终的纳米过渡金属氧化物敏感浆料。本发明的有益效果是：1、适用于只需微量敏感材料的微型传感器中，有效降低传感器的功耗与体积，有利于集成化的微型智能传感器在便携式、穿戴式产品市场中的应用。2、有望提升传感器产品的使用寿命。

Description

一种纳米过渡金属氧化物敏感浆料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于气体传感器的电子浆料领域，具体涉及一种纳米过渡金属氧化物敏感浆料及其制备方法和应用。

背景技术

过渡金属氧化物具有较宽的禁带宽度，价格低廉、来源丰富，环保无毒等优点，在气体传感器、光催化剂、能源存储与转化、药物传输等领域中有广泛的应用。金属氧化物半导体纳米材料是检测环境中有毒、有害气体用气体传感器中重要的敏感材料。敏感材料及其浆料的研究与开发对气体传感器的实际应用有极其重要的指导意义。

目前，国内对气体传感器敏感浆料配方制备的报道较少，敏感浆料应用于常规传感器产品上，主要存在两方面亟待解决的问题：①敏感材料与浆料的制备工艺与特性符合涂覆工艺的要求，并尽量简化涂覆工艺；②浆料以及浆料涂覆后形成的敏感膜层的气敏性、稳定性、一致性符合气体传感器的要求。随着现代科技的发展，对敏感材料与浆料制备方法及浆料配方设计提出了更高的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米过渡金属氧化物敏感浆料及其制备方法，其易于制备形成厚度均匀，一致性好，高重复性的敏感膜层，可批量生产，制造具有高灵敏度、稳定可靠的新型高效气体传感器。

本发明为解决上述技术问题，采用的技术方案是：一种纳米过渡金属氧化物敏感浆料，其包括有以下组分及其质量百分比含量：

纳米过渡金属氧化物：20～50％；溶剂：20～70％；保湿剂：10～50％；分散剂：5～10％；消泡剂：3～5％；pH调节剂：1～5％。

按上述方案，所述的纳米金属氧化物为SnO₂、WO₃、In₂O₃、TiO₂、Fe₂O₃、Co₂O₃、NiO、Al₂O₃、CuO、V₂O₅、CeO₂中的一种，粒径为50～500nm。

按上述方案，所述的溶剂为乙二醇、聚乙二醇或水中的一种或几种。

按上述方案，所述保湿剂为丙二醇或丙三醇。

按上述方案，所述分散剂为BYK-191或BYK-180。

按上述方案，所述消泡剂为正辛醇或BYK-354。

按上述方案，所述pH调节剂为氨水或2-二甲氨基-2-甲基-1-丙醇。

所述的纳米过渡金属氧化物敏感浆料的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：

1)将溶剂与保湿剂进行称重混合，并用自转公转搅拌机低速搅拌混匀；

2)将纳米金属氧化物粉体加入步骤1)得到的溶剂载体中，并用自转公转搅拌机低速搅拌混匀；

3)依次将分散剂、消泡剂、pH调节剂加入步骤2)得到的混合液中，并用自转公转搅拌机低速搅拌混匀，各组分及其质量百分比含量：

纳米过渡金属氧化物：20～50％；溶剂：20～70％；保湿剂：10～50％；分散剂：5～10％；消泡剂：3～5％；pH调节剂：1～5％；

4)将上述步骤3)得到的混合液，用自转公转搅拌机高速搅拌混匀，再辅助高速脱泡处理，制备得到最终的纳米过渡金属氧化物敏感浆料。

按上述方案，步骤2)和步骤3)中自转公转搅拌机的低速搅拌速度为400～800rpm/min。

按上述方案，步骤4)中自转公转搅拌机的高速搅拌速度为1200～2200rpm/min。

所述的纳米过渡金属氧化物敏感浆料在微型气体传感器中的应用。

本发明的纳米过渡金属氧化物敏感浆料，利用涂覆技术涂覆于传感器衬底上，涂覆后的浆料需先在70～200℃下烘烤1～3h，挥发除去溶剂等物质，再于300～700℃下中焙烧2～8h，分解除去剩余物质，并加强敏感膜层内部烧结及膜层与衬底的粘结性。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的敏感浆料，制备方法简单，易于批量生产，分散性好。适用于各种涂覆工艺技术，尤其适用于只需微量敏感材料的微型传感器中，有效降低传感器的功耗与体积，有利于集成化的微型智能传感器在便携式、穿戴式产品市场中的应用。

2、本发明制备的敏感浆料中，所有溶剂、保湿剂及助剂均可在所采用的温度处理范围内自行挥发或分解除去，无杂质残留，不易造成膜层裂纹和缺陷，经过高温热处理可加强膜层烧结及与膜层与衬底的粘结性，提高膜层长期的稳定性，进而有望提升传感器产品的使用寿命。

附图说明

图1是实施例1所述纳米敏感材料的SEM图；

图2是实施例1所述纳米敏感材料的XRD图；

图3是实施例1所述纳米敏感材料所配浆料通过点胶涂覆在Si衬底上的照片；

图4是实施例1所述纳米敏感浆料膜层对乙醇的灵敏度与浓度关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明，但是此说明不会构成对本发明的限制。

实施例1

以纳米WO₃为敏感材料制备的敏感浆料，添加的各组分质量百分比分别为，

纳米WO₃：25％

溶剂：50％

保湿剂：10％

分散剂：5％

消泡剂：5％

pH调节剂：5％

其中，纳米WO₃粉体的粒径为50～200nm，溶剂为乙二醇、聚乙二醇，乙二醇：聚乙二醇的质量百分比为50％：50％，保湿剂为丙三醇，分散剂为BYK-180，消泡剂为BYK-354，pH调节剂为2-二甲氨基-2-甲基-1-丙醇。首先，将聚乙二醇、乙二醇、丙三醇按比例称重，用自转公转搅拌机以600rpm/min搅拌5min，混合均匀；然后，按比例加入WO₃粉体敏感材料，以600rpm/min搅拌5min，混合均匀；最后，按比例依次加入BYK-180、BYK-354、2-二甲氨基-2-甲基-1-丙醇得到混合浆料，以1200rpm/min搅拌10min，1600rpm/min脱泡5min后，制备得到最终的敏感浆料。

制备的纳米敏感浆料涂覆于气体传感器衬底后，先置于100℃下烘烤1h，挥发除去溶剂等，再于700℃下中焙烧3h，分解除去剩余物质，同时加强材料内部烧结及材料与衬底的结合。

图1是纳米WO₃的扫描电镜图，由图可知，其直径为50～200nm。图2是纳米WO₃的X射线衍射图，由图可知，衍射峰的位置和相对强度均对应单斜晶系的WO₃(JCPDS No.43-1035)。图3是纳米WO₃作为敏感材料所配浆料点胶涂覆在Si衬底上的放大照片，由图可知，涂覆的膜层形状完好，厚度均一，且无裂纹等缺陷。图4是纳米WO₃敏感浆料膜层对乙醇的灵敏度与浓度关系图。

实施例2

以纳米SnO₂为敏感材料制备的敏感浆料，添加的各组分质量百分比分别为，

纳米SnO₂：30％

溶剂：40％

保湿剂：20％

分散剂：5％

消泡剂：3％

pH调节剂：2％

其中，纳米SnO₂粉体的粒径为50～70nm，溶剂为乙二醇、聚乙二醇、水，乙二醇：聚乙二醇：水的质量百分比为40％：40％：20％，保湿剂为丙三醇、丙二醇，丙三醇：丙二醇的质量比为70％：30％，分散剂为BYK-191，消泡剂为BYK-354，pH调节剂为氨水。首先，将乙二醇、聚乙二醇、水、丙三醇按比例称重，用自转公转搅拌机以800rpm/min搅拌5min，混合均匀；然后，按比例加入SnO₂粉体敏感材料，以800rpm/min搅拌5min，混合均匀；最后，按比例依次加入BYK-190、BYK-354、氨水得到混合浆料，以2000rpm/min搅拌10min，2200rpm/min脱泡5min后，制备得到最终的敏感浆料。

制备的纳米敏感浆料涂覆于气体传感器衬底后，先置于80℃下烘烤2h，挥发除去溶剂等，再于500℃下中焙烧4h，分解除去剩余物质，同时加强材料内部烧结及材料与衬底的结合。

实施例3

以纳米In₂O₃为敏感材料制备的敏感浆料，添加的各组分质量百分比分别为，

纳米In₂O₃：20％

溶剂：40％

保湿剂：20％

分散剂：10％

消泡剂：5％

pH调节剂：5％

其中，纳米In₂O₃粉体的粒径为50～200nm，溶剂为乙二醇，保湿剂为丙三醇，分散剂为BYK-180，消泡剂为正辛醇，pH调节剂为2-二甲氨基-2-甲基-1-丙醇。首先，将乙二醇、丙三醇按比例称重，用自转公转搅拌机以400rpm/min搅拌5min，混合均匀；然后，按比例加入In₂O₃粉体敏感材料，以400rpm/min搅拌5min，混合均匀；最后，按比例依次加入BYK-180、正辛醇、2-二甲氨基-2-甲基-1-丙醇得到混合浆料，以1200rpm/min搅拌10min，1500rpm/min脱泡5min后，制备得到最终的敏感浆料。

制备的纳米敏感浆料涂覆于气体传感器衬底后，先置于150℃下烘烤1h，挥发除去溶剂等，再于600℃下中焙烧3h，分解除去剩余物质，同时加强材料内部烧结及材料与衬底的结合。

实施例4

以纳米TiO₂为敏感材料制备的敏感浆料，添加的各组分质量百分比分别为，

纳米TiO₂：40％

溶剂：30％

保湿剂：15％

分散剂：5％

消泡剂：5％

pH调节剂：5％

其中，纳米TiO₂粉体的粒径为100nm，溶剂为聚乙二醇、乙二醇，聚乙二醇：乙二醇的质量百分比为50％：50％，保湿剂为丙三醇，分散剂为BYK-180，消泡剂为BYK-354，pH调节剂为2-二甲氨基-2-甲基-1-丙醇。首先，将聚乙二醇、乙二醇、丙三醇按比例称重，用自转公转搅拌机以600rpm/min搅拌5min，混合均匀；然后，按比例加入TiO₂为粉体敏感材料，以600rpm/min搅拌5min，混合均匀；最后，按比例依次加入BYK-180、BYK-354、2-二甲氨基-2-甲基-1-丙醇得到混合浆料，以2000rpm/min搅拌10min，2200rpm/min脱泡5min后，制备得到最终的敏感浆料。

制备的纳米敏感浆料涂覆于气体传感器衬底后，先置于100℃下烘烤2h，挥发除去溶剂等，再于700℃下中焙烧3h，分解除去剩余物质，同时加强材料内部烧结及材料与衬底的结合。

以上实施例用于理解本发明的方法和核心思想，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，进行任何可能的变化或替换，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种纳米过渡金属氧化物敏感浆料，其包括有以下组分及其质量百分比含量：

纳米过渡金属氧化物：20～50％；溶剂：20～50％；保湿剂：10～50％；分散剂：5～10％；消泡剂：3～5％；pH调节剂：1～5％，所述的纳米过渡金属氧化物为SnO₂、WO₃、In₂O₃、TiO₂、Fe₂O₃、Co₂O₃、NiO、Al₂O₃、CuO、V₂O₅、CeO₂中的一种，粒径为50～500nm。

2.根据权利要求1所述的纳米过渡金属氧化物敏感浆料，其特征在于：所述的溶剂为乙二醇、聚乙二醇或水中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的纳米过渡金属氧化物敏感浆料，其特征在于：所述保湿剂为丙二醇或丙三醇。

4.根据权利要求1所述的纳米过渡金属氧化物敏感浆料，其特征在于：所述分散剂为BYK-191或BYK-180。

5.根据权利要求1所述的纳米过渡金属氧化物敏感浆料，其特征在于：所述消泡剂为正辛醇或BYK-354。

6.根据权利要求1所述的纳米过渡金属氧化物敏感浆料，其特征在于：所述pH调节剂为氨水或2-二甲氨基-2-甲基-1-丙醇。

7.权利要求1所述的纳米过渡金属氧化物敏感浆料的制备方法，其特征在于包括有以下步骤：

纳米过渡金属氧化物：20～50％；溶剂：20～50％；保湿剂：10～50％；分散剂：5～10％；消泡剂：3～5％；pH调节剂：1～5％；步骤2)和步骤3)中自转公转搅拌机的低速搅拌速度为400～800rpm；

4)将上述步骤3)得到的混合液，用自转公转搅拌机高速搅拌混匀，再辅助高速脱泡处理，制备得到最终的纳米过渡金属氧化物敏感浆料；自转公转搅拌机的高速搅拌速度为1200～2200rpm/min。

8.权利要求1所述的纳米过渡金属氧化物敏感浆料在微型气体传感器中的应用。