CN110702746B - 稠环方酰胺聚合物、基于稠环方酰胺聚合物的湿敏传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了稠环方酰胺聚合物、基于稠环方酰胺聚合物的湿敏传感器及其制备方法，具体而言，本发明的湿敏传感器包含叉指电极和覆于叉指电极表面的镀膜材料，镀膜材料为稠环聚合物1,5‑PDAS，其被刷涂在叉指电极上。本发明的湿敏传感器具有如下优点：制备便捷，操作简单；响应时间短，小于2秒；回复时间短，小于1秒；器件性能稳定；在高湿度环境下，器件湿度滞后小，为6%。
Description
技术领域
本发明属于有机半导体材料技术领域，具体涉及两种基于稠环方酰胺聚合物的湿敏传感器，其制备方法，及其在空气湿度检测中的用途。
背景技术
随着科技的发展，众多领域对环境湿度的要求更加苛刻，例如航天工业、农业、精密机械以及实验室都需要对环境湿度进行有效监控。湿度传感器的核心是湿敏器件，它利用湿敏材料的吸附作用直接吸附水分子，使其表面电导、体积、介电常数等感湿特征量发生变化，经过变化电路的检测和转换，输出电学信号从而检测出湿度。目前已知的湿敏材料主要有电解质类、陶瓷基材料、多孔金属氧化物和高分子聚合物。其中电解质类材料中的电解质盐易吸水而被稀释，甚至流出，破坏了材料的感湿性能；陶瓷和多孔金属材料虽具有优异的耐热性能，而且对湿度响应迅速，但其电阻温度系数较高，再现性和互换性较差，且不耐污染。高分子聚合物湿敏材料以其材料来源丰富，相对湿度范围宽，湿滞回差小，响应速度快等优异性能而得到了越来越多的关注。为了满足目前市场对传感器价廉、实用、易制备等方面的要求，亟需开发出一种新型的湿敏传感器。
发明内容
针对上述情况，本发明采用稠环方酰胺聚合物1, 5 - PDAS来制备湿敏传感器，并且通过在不同湿度下观察传感器的复阻抗变化来检测不同湿度的空气。本发明测试了湿敏传感器在不同频率下的阻抗变化，从而选择出其在100 Hz下的复阻抗最大。本发明还测试了器件吸脱附的性能，测试其在11%~95%的湿度氛围内具有优异的吸脱附能力。
其中，n为40~50。
具体而言，本发明采用如下技术方案：
稠环方酰胺聚合物，为以下化学结构式：
其中，n为40～50。
上述稠环方酰胺聚合物的制备方法包括以下步骤，1,5-二氨基蒽醌和方酸在溶剂中反应，得到稠环方酰胺聚合物。
上述技术方案中，溶剂为醇；反应为120℃～140℃反应15～20 h，优选130℃反应18 h。
本发明还公开了方酰胺聚合物1, 5 - PDAS的制备方法，包括如下步骤：将1，5-二氨基蒽醌和方酸溶于正丁醇中，加热反应；反应结束后，待温度降至室温，将产品过滤并用四氢呋喃、丙酮洗涤，干燥后得到方酰胺聚合物1, 5 - PDAS。
本发明公开了上述稠环方酰胺聚合物在制备湿敏传感器中的应用。
本发明公开了湿敏传感器用湿敏器件，由叉指电极和覆盖于叉指电极表面的镀膜材料组成，所述镀膜材料为上述稠环方酰胺聚合物。
本发明公开了基于稠环方酰胺聚合物的湿敏传感器，包括叉指电极和覆盖于叉指电极表面的镀膜材料，所述镀膜材料为上述稠环方酰胺聚合物。进一步的，基于稠环方酰胺聚合物的湿敏传感器还包括基板；所述叉指电极由氧化铝基底与银钯合金组成；所述叉指电极的叉指宽度为200～300 μm，叉指间距为100～200 μm；所述镀膜材料的厚度为100～400 μm；叉指电极以氧化铝为基底，厚度为1~2 mm，氧化铝（Al2O3）基底上设置银-钯（Ag-Pd）合金，厚度为100~200 nm。
上述基于稠环方酰胺聚合物的湿敏传感器的制备方法，包括如下步骤：将叉指电极固定在基板上；然后将上述稠环方酰胺聚合物的溶液刷涂在叉指电极上，得到基于稠环方酰胺聚合物的湿敏传感器。该基于方酰胺聚合物的湿敏传感器的制备方法具体包括如下步骤：
1）清洁基板，并将叉指电极固定在所述基板上；
2）按照方酰胺聚合物:溶剂=4:1000~2000的重量比，将上述方酰胺聚合物溶解于溶剂中，超声使其分散均匀，得到方酰胺聚合物溶液；
3）将方酰胺聚合物溶液刷涂在叉指电极上，于室温下放置，溶剂挥发后，于60~80℃干燥1~2小时，得到基于方酰胺聚合物的湿敏传感器。
优选的，在上述制备方法中，步骤1）中所述基板选自玻璃基板、PE基板、铁片基板中的任意一种，优选玻璃基板。
优选的，在上述制备方法中，步骤1）中所述固定通过双面胶粘合的方式来完成。
优选的，在上述制备方法中，步骤2）中所述溶剂选自乙醇、二氯甲烷、乙酸乙酯中的任意一种，优选乙醇。
优选的，在上述制备方法中，步骤3）中所述刷涂通过刷涂笔完成。
优选的，在上述制备方法中，步骤3）中所述刷涂的方式如下：刷涂多次，每次刷涂结束待表面干燥后再次刷涂。
优选的，在上述制备方法中，步骤3）中所述干燥通过真空烘箱来完成；
优选的，在上述制备方法中，步骤3）中所述干燥的温度为60℃，时间为1小时。
本发明还公开了上述基于方酰胺聚合物的湿敏传感器在空气湿度检测中的用途。
与现有技术相比，利用上述技术方案的本发明具有如下优点：
（1）本发明公开的器件制备便捷，操作简单；
（2）本发明公开的响应时间短，对于湿度变化响应高于常见的金属氧化物；
（3）本发明公开的回复时间短，器件性能稳定；
（4）本发明公开的在高湿度环境下，器件滞湿性强。
附图说明
图1为基于方酰胺聚合物的湿敏传感器的实物图。
图2为方酰胺聚合物1, 5 - PDAS的IR谱图。
图3为基于方酰胺聚合物1, 5 – PDAS的湿敏传感器在不同频率下对湿度的阻抗响应测试效果图。
图4为基于方酰胺聚合物1, 5 – PDAS的湿敏传感器在不同湿度下的吸脱附曲线图。
图5为基于方酰胺聚合物1, 5 – PDAS的湿敏传感器在11%和95%之间的相对湿度下的回复性测试效果图。
图6为基于方酰胺聚合物1, 5 – PDAS的湿敏传感器在11%和95%之间的相对湿度下的响应时间效果图。
图7为基于方酰胺聚合物1, 5 – PDAS的湿敏传感器在11%和95%之间的相对湿度下的回复时间效果图。
具体实施方式
下文将结合附图和具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。除非另有说明，下列实施例中所使用的试剂、材料、仪器等均可通过商业手段获得。本发明基于方酰胺聚合物的湿敏传感器的实物图参见图1。
实施例1：聚合物1, 5 - PDAS的合成与传感器的制备
（1）聚合物1, 5 - PDAS的合成：
称取1，5-二氨基蒽醌（238.25 mg，2 mmol）和方酸（114.06 mg，2 mmol），并置于正丁醇（50 mL）中，130℃加热并回流反应18 h，反应结束后，待温度降至室温，将产品过滤并用四氢呋喃、丙酮洗涤，干燥后得到方酰胺聚合物1, 5 - PDAS。1, 5 – PDAS的IR光谱如图2所示，分子量为12000~16000。
由图2可以看出，聚合反应完成后，方酸中的羟基特征峰消失，C=O双键特征峰保留，C-N键特征峰的峰位由于电荷密度发生变化而产生一定迁移，说明已成功制得聚合物1,5 - PDAS。
（2）传感器的制备：
（a）清洁玻璃基板，并通过双面胶将叉指电极粘合在基板上，该叉指电极以Al2O3（1mm）为基底，其上设置有Ag-Pd合金电极（100 nm），叉指宽度为0.2 μm，叉指间距为0.2 μm；
（b）将上述1, 5 – PDAS（4 mg）溶解于乙醇（2 g）中，超声使其分散均匀，得到方酰胺聚合物的乙醇溶液；
（c）将方酰胺聚合物的乙醇溶液刷涂在叉指电极上，刷涂10次，于室温下放置，挥干乙醇后，置于真空烘箱中于60℃干燥1 h，得到基于方酰胺聚合物的湿敏传感器，其中镀膜厚度为300 μm。
叉指电极以及覆盖于叉指电极表面的镀膜材料组成湿敏传感器用湿敏器件。
实施例2：湿敏传感器在不同频率下对湿度的阻抗响应测定实验
将实施例1中制备的器件置于测试机器内，在10 Hz~100 kHz范围内调节频率，并测试器件在11%、33%、54%、75%、85%、95%等不同相对湿度氛围内的阻抗变化，其结果如图3所示。
从图3中可以看出，对于不同浓度的湿度氛围，基于方酰胺聚合物1, 5 – PDAS的湿敏传感器在不同频率条件下有不同的阻抗变化，从中可以看出在100 Hz时，器件响应强度最强。
实施例3：湿敏传感器在11%和95%之间的相对湿度下的恢复性能测定实验
在频率为100 Hz的条件下，首先将器件置于11%的相对湿度条件下，阻抗稳定后，再将器件置于95%的相对湿度条件下，同样待阻抗稳定后，将器件再次置于11%的相对湿度条件下，重复以上循环，其结果如图4所示。
对于基于方酰胺聚合物1, 5 – PDAS的湿敏传感器，从图4中可以发现，器件的稳定性非常好；从图5中可以发现，器件测试响应时间短至小于2 s；从图6中可以发现，器件的回复时间短至小于1 s。由此可见，器件不仅稳定性好，而且响应时间短，回复时间短。
实施例4：基于方酰胺聚合物的湿敏传感器的吸脱附性能测定实验
控制频率为100 Hz，将湿敏传感器置于不同的相对湿度氛围内，测试器件的吸脱附性能，其结果如图7所示，从中可以看出，器件的吸脱附性能均良好，最大湿度滞后为6%。
对比例
将实施例1的1,5-PDAS更换为PEAB，其余不变，制备基于方酰胺聚合物PEAB的湿敏传感器，采用实施例4的测试方法测试器件的吸脱附性能，其结果显示基于方酰胺聚合物PEAB的湿敏传感器最大湿度滞后为32%。说明芳酰胺聚合物的结构组成对其性能影响很大。
PEAB的化学结构式（n为20~50）如下：
综上所述，本发明通过将方酰胺聚合物制作成结构简单的电阻式薄膜传感器，实现了针对不同湿度的空气的进行检测，并且响应快、时间快，本发明的基于方酰胺聚合物的湿敏传感器对于未来环境湿度的控制具有很高的应用价值。
Claims (4)
1.稠环方酰胺聚合物，为以下化学结构式：
其中，n为40～50。
2.权利要求1所述稠环方酰胺聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，1,5-二氨基蒽醌和方酸在溶剂中反应，得到稠环方酰胺聚合物；溶剂为醇；反应为120℃～140℃反应15～20 h。
3.权利要求1所述稠环方酰胺聚合物在制备湿敏传感器中的应用。
4.权利要求1所述稠环方酰胺聚合物在制备湿敏传感器用湿敏器件中的应用。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110702746A (zh) | 2020-01-17 |
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