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《大连理工大学》 2013年
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双极性双喷头静电纺丝制备气敏材料及其敏感特性研究

杜海英  
【摘要】:随着世界工业技术的发展和人们生活水平的提高,环境污染问题也日益严重,各种有毒、有害、易燃、易爆气体的过量排放,威胁着我们的生存环境和身体健康。在各种气体检测技术中,半导体传感器因其成本低、使用方便、信号采集方式简单等优点得到广泛使用。制备响应值高、速度快、选择性好、稳定性好的气敏材料是气体传感器研制的关键,是国内外相关领域研究的热点。在材料制备过程中,通过选择合适的制备方法、掺杂复合手段以及有效的催化改性技术能够有效的控制敏感材料的结构、形貌和元素含量等因素,进而可以改善气敏材料的气敏特性,为研制性能优异的气体传感器提供基础。 本论文从低维纳米材料的制备及改性出发,设计开发了双极性双喷头静电纺丝装置,解决了单极性喷头同性相斥不能获得交织的异质材料的问题。制备了SnO2/In2O3交织网状复合纳米纤维,并研究了影响静电纺丝纤维形貌结构的相关因素(包括有机溶液的种类、溶液浓度,纺丝电压、喷头间距离,周围环境等)。结合材料的各种表征手段,对双极性双喷头静电纺丝制备的SnO2/In2O3复合纤维的结构和形貌进行了表征分析。制成并测试了SnO2/In2O3复合纤维气敏元件。与传统单极性静电纺丝工艺制备的Sn02,In203气敏元件相比,SnO2/In2O3气敏元件对甲醛的响应值,响应时间等都有较大的提高。分析了SnO2/In2O3复合纤维的气敏机理。 为了深入研究双极性双喷头静电纺丝制备纳米纤维的工艺过程,论文对双极性双喷头静电纺丝的工艺过程进行了建模和仿真分析。将从异性喷丝口喷出的喷射流,离散成多个顺序相连的带电粒子,并对任意正电粒子在空间电场中所受的来自不同电极的电场力、来自同性和异性电荷间的库伦力、表面张力、黏弹力等多个外力进行了分析。建立了带电喷射流的运动轨迹模型,基于Runge-Kutta算法,分别对从双极性喷头喷出的喷射流的运动轨迹进行了数值计算,并采用MATLAB软件对喷射流的运动轨迹进行了仿真。分析了影响双极性静电纺丝纤维的运动轨迹的相关因素。 采用低温射频等离子体技术,以氧气为介质,对无机材料Sn02纳米纤维、SnO2/In2O3复合纤维和有机MWCNTs掺杂的PANI三种不同类型的气敏材料进行表面改性处理。结合各种表征手段,分析比较了02等离子体改性前后的各敏感材料的形貌、结构及化学剂量比,分析了O2等离子体与固体材料表面的作用机理。对改性后敏感材料气敏特性的测试结果表明:O2等离子体的改性作用大大改善了MWCNTs掺杂的PANI室温下对氨气的气敏特性;大大提高了Sn02和SnO2/In2O3敏感材料对甲醛的响应值,降低了敏感材料的工作温度,缩短了响应时间。分析了02等离子体改性后气敏材料的敏感机理。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TP212

【参考文献】
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