嚴(yán)磊，郭怡，楊麗菲，陳林，黃歡，卞軍，藺海蘭，王麗君，魯云

(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610039； 2.千葉大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)械工程系，日本千葉 262–8522)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，大氣受到嚴(yán)重的污染，其中揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)是造成大氣污染的主要因素之一。VOC是公認(rèn)的有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人類健康都會(huì)造成嚴(yán)重的危害。因其不利影響，VOC的檢測(cè)在許多應(yīng)用中尤為重要(如環(huán)境監(jiān)測(cè)和化學(xué)過(guò)程控制[1–3])，迫切需要低成本、低功耗、具有良好傳感性能的傳感器來(lái)預(yù)警VOC的泄露。因此，開(kāi)發(fā)一種能有效地監(jiān)測(cè)和去除這些有機(jī)化合物的材料與其器件具有重要意義。

傳統(tǒng)的氣敏傳感材料主要是半導(dǎo)體金屬氧化物如WO3[4]，ZnO[5]和SnO2[6]以及少數(shù)共軛聚合物?；谡羝肿游綄?dǎo)致電阻變化的半導(dǎo)體金屬氧化物是傳感器重要的組成部分，其中部分已經(jīng)商業(yè)化[7–9]。然而，為了增強(qiáng)半導(dǎo)體金屬氧化物的傳感性能，其工作溫度通常較高(一般為幾百攝氏度)[7–9]，極大的限制了其實(shí)際應(yīng)用。與傳統(tǒng)的氣敏傳感材料相比，填充導(dǎo)電納米材料制備的導(dǎo)電熱塑性聚合物基氣敏納米復(fù)合材料(CTPGSC)具有環(huán)境穩(wěn)定性好、耐性好，工作溫度低，重現(xiàn)性好，制造成本低及氣體響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[10]，對(duì)氣敏傳感器發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。近年來(lái)，炭黑(CB)[11]、石墨烯納米片[12]和多壁碳納米管(MWCNTs)[13]被廣泛應(yīng)用于制備CTPGSC。尤其是基于MWCNTs的蒸汽傳感器，由于其優(yōu)異的電子特性、高比表面積和良好的環(huán)境穩(wěn)定性而開(kāi)始受到了廣泛的關(guān)注[14–17]。S.Sattari等[18]將羧基化改性后的CNTs采用溶液共混復(fù)合法和聚苯胺(PANI)進(jìn)行復(fù)合制備復(fù)合材料并對(duì)甲烷進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，復(fù)合材料對(duì)甲烷響應(yīng)時(shí)間為30 s，具有較快的響應(yīng)速度。

熱塑性聚氨酯(PUR-T)具有獨(dú)特微相分離結(jié)構(gòu)，可以形成類似于不相容共混體系復(fù)合材料的分離結(jié)構(gòu)，有利于降低復(fù)合體系的逾滲值。同時(shí)PUR-T的硬段[氨基甲酸酯基團(tuán)(–NHCOO–)]提供給材料優(yōu)秀力學(xué)性能，而軟段(C—C，C—O鍵)提供給材料良好的彈性。另外，PUR-T的穩(wěn)定性和成模性優(yōu)秀，成型工藝簡(jiǎn)便，是一種應(yīng)用極其廣泛的聚合物材料，將PUR-T作為GSCPC的基體已經(jīng)引起了人們的關(guān)注。Hu Jiwen等[19]研究了水性聚氨酯／炭黑復(fù)合材料的氣敏性能，其制備復(fù)合材料的方式為乳液聚合。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在低濃度苯、甲苯、二甲苯等蒸汽中，復(fù)合材料也有響應(yīng)性。當(dāng)炭黑含量?jī)H為3.5%時(shí)，響應(yīng)度隨蒸汽濃度呈線性變化，但不同蒸汽有不同的線性，故可以憑借此現(xiàn)象去區(qū)別不同溶劑。同時(shí)經(jīng)過(guò)高達(dá)5 000次的重復(fù)性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料響應(yīng)性基本不變化，說(shuō)明復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)重復(fù)性非常優(yōu)秀。

筆者采用PUR-T作為納米復(fù)合材料的基體，并以MWCNTs為導(dǎo)電填料，首先采用熔融和溶液共混法制備了基于碳納米管網(wǎng)絡(luò)的PUR-T基GSCPC。然后，選擇最佳制備工藝制備納米復(fù)合材料，并將PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料暴露于幾種目標(biāo)溶劑蒸汽／干空氣循環(huán)中，監(jiān)測(cè)其氣敏性能。系統(tǒng)研究不同碳納米管含量對(duì)納米復(fù)合材料電阻變化影響，分析了溶劑極性對(duì)傳感響應(yīng)的影響，并探討了氣敏檢測(cè)機(jī)理。因?yàn)樗x基團(tuán)材料有著獨(dú)特的微相分離結(jié)構(gòu)，從“相似相容”原理方面預(yù)測(cè)，復(fù)合材料對(duì)極性和非極性有機(jī)溶劑蒸汽應(yīng)具有較強(qiáng)的氣敏響應(yīng)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PUR-T：Bayer-385 s，密 度1.2 g／cm3，德 國(guó)Bayer公司；

MWCNTs 1#：L–MWCNTs-1020，OD=10～20 nm，長(zhǎng)度＞5μm，純度＞97%，深圳市德方納米科技股份有限公司；

MWCNTs 2#：TNM5，純 度＞98%，OD=20～30 nm，長(zhǎng)度=10～30 μm，中科時(shí)代納米有限公司；

N，N–二甲基甲酰胺(DMF)、氯仿、甲醛、苯、乙醚：分析純，成都市科隆化工試劑廠。

1.2 主要設(shè)備及儀器

密煉機(jī)：HL–200型，吉林大學(xué)科教儀器廠；

平板硫化機(jī)：XLB型，中國(guó)青島亞?wèn)|橡機(jī)有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：JSM–6510LV型，日本電子(美國(guó))公司；

透射電子顯微鏡(TEM)：TecnaiG2F20S型，荷蘭FEI公司；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：CMT6104型，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司。

1.3 碳管填充PUR-T基納米復(fù)合材料的制備

分別采用熔融共混法和溶液共混法制備PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料。熔融共混過(guò)程如下：取適量預(yù)干燥的PUR-T和相應(yīng)比例的MWCNTs混合均勻后，加入密煉機(jī)進(jìn)行熔融共混，共混溫度為190℃，時(shí)間為15 min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r／min，所得納米復(fù)合材料在平板硫化機(jī)上熱壓成片材，熱壓溫度為190℃，壓力為15 MPa，時(shí)間為15 min。溶液共混過(guò)程如下：先將適量PUR–T于60℃水浴中加熱完全溶解于DMF中，稱取適量MWCNTs加入DMF中，超聲分散40 min后，將PUR–T溶液與MWCNTs分散液混合，再對(duì)復(fù)合溶液進(jìn)行超聲處理90 min。最后將納米復(fù)合材料溶液滴加在電極片上(100 mL滴管，多次滴加，每次3～5滴，共7～8次)，在75℃下干燥成膜(樣品尺寸：長(zhǎng)×寬×厚=3 m×0.2 m×0.1 m)。電極片由銅電極構(gòu)成，電極間距2～3 mm，電極片厚度0.1 mm。

1.4 性能測(cè)試

(1)形貌測(cè)試。

通過(guò)SEM對(duì)填料進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前對(duì)填料噴金處理，噴金時(shí)間為30 s；采用透射電子顯微鏡對(duì)填料進(jìn)行TEM測(cè)試。

(2)力學(xué)性能測(cè)試。

復(fù)合材料力學(xué)性能采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)：拉伸速度50 mm／min，溫度20℃。標(biāo)距為10 mm，納米復(fù)合材料的力學(xué)性能選取斷裂強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率表征。

(3)電性能測(cè)試。

使用數(shù)字萬(wàn)用表記錄PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料電阻，測(cè)試方法將鱷魚(yú)鉗直接夾持在電極片上。利用式(1)計(jì)算出材料體積電阻率ρv，h是試樣的厚度(即兩極之間的距離)，A是電極的截面面積，Rv為材料體積電阻。

(4)氣敏性能測(cè)試。

納米復(fù)合材料的氣敏性能測(cè)試在自制裝置中進(jìn)行，如圖1所示。詳細(xì)的測(cè)試過(guò)程描述如下：保持有機(jī)蒸汽氛圍為飽和蒸汽壓，測(cè)試溫度在24℃。通過(guò)記錄納米復(fù)合材料在有機(jī)蒸汽氛圍內(nèi)電阻變化計(jì)算得到納米復(fù)合材料氣敏性能。納米復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)度(S)用式(2)定義。其中，S是納米復(fù)合材料對(duì)蒸汽的響應(yīng)度，R是納米復(fù)合材料吸附蒸汽后的電阻，R0是納米復(fù)合材料未吸附蒸汽的電阻。

納米復(fù)合材料電阻恢復(fù)能力(Rr)用式(3)定義。

圖1 納米復(fù)合材料的氣敏測(cè)試裝置示意圖

Rr是納米復(fù)合材料電性能恢復(fù)率，Rf是納米復(fù)合材料解吸附后的電阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 MWCNTs的微觀形貌分析

圖2a和圖2b為兩種碳管的SEM照片。兩種碳管長(zhǎng)度以及外徑均勻，純度較高，無(wú)明顯的雜質(zhì)。通過(guò)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)MWCNTs1#外徑在10～20 nm，MWCNTs2#外徑在20～30 nm。

圖2 碳管的形貌圖

2.2 PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性能

圖3為MWCNTs含量對(duì)納米復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響?？梢钥闯鯬UR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料的體積電阻率隨著MWCNTs含量增加而下降。溶液法制備的納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性能明顯優(yōu)于熔融制備法制備的納米復(fù)合材料。溶液復(fù)合法的優(yōu)勢(shì)在于填料是通過(guò)超聲分散法分散在基體材料中，其分散效果較好，而熔融制備法中填料通過(guò)機(jī)械混合方式分散在基體材料中，難以達(dá)到良好的均勻分散，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的完善程度不如溶液法制備的納米復(fù)合材料。溶液法制備的納米復(fù)合材料，其MWCNTs1#含量在5%處，納米復(fù)合材料體積電阻率下降幅度較大，從1015Ω·mm下降到103Ω·mm。MWCNTs2#含量在7.5%處，納米復(fù)合材料體積電阻率下降幅度較大，從1015Ω·mm下降到103Ω·mm。由曲線看出，不同參數(shù)的碳納米管對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)率差異并不大，體積電阻最大差值為1×101Ω·mm。

圖3 PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性

2.3 PUR-T／MWCNTs復(fù)合材料的力學(xué)性能

采用溶液共混法，制備得到不同類型碳管填充的PUR-T基納米復(fù)合材料，并對(duì)其拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，研究結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 納米復(fù)合材料的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

隨MWCNTs含量升高，納米復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)添加5%的MWCNTs時(shí)，其斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，表明MWCNTs對(duì)PUR-T具有增強(qiáng)作用。MWCNTs本身具有納米尺度，高比表面積，以及優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度導(dǎo)致能有效分擔(dān)納米復(fù)合材料所承載的外力，促進(jìn)外界能量的消耗和轉(zhuǎn)移[20]，從而對(duì)強(qiáng)度有積極的貢獻(xiàn)。但當(dāng)MWCNTs含量太高，MWCNTs易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象而失去增強(qiáng)效應(yīng)。添加MWCNTs后納米復(fù)合材料彈性模量在5%處較純PUR-T有所下降，而后呈上升趨勢(shì)；斷裂伸長(zhǎng)率在5%含量下較純PUR-T有所上升，但隨著MWCNTs含量進(jìn)一步增多，發(fā)生大幅度下降。說(shuō)明MWCNTs在一定范圍含量?jī)?nèi)能夠增加納米復(fù)合材料韌性，超出這一范圍，由于團(tuán)聚現(xiàn)象的增加和MWCNTs本身的性能，導(dǎo)致對(duì)納米復(fù)合材料增韌效果降低，甚至使納米復(fù)合材料韌性變差。綜合力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)MWCNTs 1#對(duì)納米復(fù)合材料的力學(xué)性能影響更明顯。

圖4a和圖4b為納米復(fù)合材料的應(yīng)力–應(yīng)變曲線圖?？梢钥闯?，純PUR-T及碳管填充的PUR-T基納米復(fù)合材料均表現(xiàn)出良好的韌性，斷裂伸長(zhǎng)率均大于500%。但對(duì)不同含量碳管填充的納米復(fù)合材料進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，高碳管含量下，納米復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率降低明顯，這符合無(wú)機(jī)納米顆粒填充聚合物納米復(fù)合材料的基本規(guī)律。

圖4 PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料應(yīng)力–應(yīng)變圖

2.4 PUR-T／MWCNTs復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)性

圖5為納米復(fù)合材料對(duì)不同有機(jī)蒸汽的響應(yīng)性能。圖5a為納米復(fù)合材料在不同有機(jī)蒸汽氛圍下的響應(yīng)性能。PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料對(duì)氯仿、苯的響應(yīng)度較高，而對(duì)甲醛、乙醚的響應(yīng)度較低，MWCNTs含量在5%的納米復(fù)合材料對(duì)氯仿的響應(yīng)程度達(dá)104級(jí)，含量在10%的納米復(fù)合材料對(duì)氯仿的響應(yīng)程度達(dá)105級(jí)，而對(duì)甲醛的響應(yīng)度僅在0.5～2.5之間，可見(jiàn)納米復(fù)合材料對(duì)氣體的響應(yīng)性具有選擇性。究其原因，PUR-T具有獨(dú)特的軟硬段微相分離結(jié)構(gòu)，軟段屬于非結(jié)晶相，硬段屬結(jié)晶相[21–22]，親油性的氯仿蒸汽易與PUR-T分子相互作用而容易被吸附，而親水性的甲醛等不易與PUR-T分子相互作用而難以吸附。根據(jù)體積膨脹模型，PUR-T致密的結(jié)晶相使得溶劑分子難以進(jìn)入，只能轉(zhuǎn)向擴(kuò)散到PUR-T的非晶相區(qū)域。依據(jù)相似相容原理，親油性溶劑分子進(jìn)入PUR-T非結(jié)晶相，導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生溶脹效應(yīng)，使得納米復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生破壞，致使納米復(fù)合材料電阻值上升，體現(xiàn)出氣敏響應(yīng)行為[23–24]，其機(jī)理模型如圖4b。同時(shí)，為了考察碳管參數(shù)對(duì)納米復(fù)合材料氣敏性能的影響，對(duì)比研究了長(zhǎng)度較長(zhǎng)的碳管(MWCNTs 2#)和長(zhǎng)度較短的碳管(MWCNTs 1#)填充的納米復(fù)合材料。無(wú)論是對(duì)于苯還是對(duì)氯仿蒸汽，使用MWCNTs 2#制備的納米復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)度均略高于使用MWCNTs 1#制備的納米復(fù)合材料，但相差并不懸殊，均在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)，可以認(rèn)為碳管的參數(shù)對(duì)納米復(fù)合材料氣敏響應(yīng)最大值無(wú)明顯影響。

圖5 PUR-T／MWCNTs對(duì)不同有機(jī)蒸汽的響應(yīng)性及氣敏響應(yīng)模型圖

2.5 PUR-T／MWCNTs復(fù)合材料的響應(yīng)恢復(fù)性

圖6為PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料在達(dá)到相同響應(yīng)度所需時(shí)間及納米復(fù)合材料的恢復(fù)能力。圖6a為PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料在達(dá)到相同響應(yīng)度(400)時(shí)，不同的制備工藝對(duì)其響應(yīng)速度的影響。由圖6a可以看出，無(wú)論是苯蒸汽還是氯仿蒸汽，PUR-T／MWCNTs 2#納米復(fù)合材料的響應(yīng)時(shí)間均小于PUR-T／MWCNTs 1#納米復(fù)合材料的響應(yīng)時(shí)間。在氯仿蒸汽中，PUR-T／MWCNTs 2#納米復(fù)合材料的響應(yīng)時(shí)間比PUR-T／MWCNTs 1#納米復(fù)合材料的響應(yīng)時(shí)間縮短225%～300%，而在苯蒸汽中，縮短124%～175%。說(shuō)明MWCNTs 2#所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)較容易破壞，當(dāng)PUR-T基體吸附蒸汽產(chǎn)生體積膨脹后，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)能迅速斷開(kāi)。而MWCNTs 1#所形成的納米復(fù)合材料，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相對(duì)更強(qiáng)韌，在基體發(fā)生體積膨脹時(shí)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不容易斷裂，只有達(dá)到一定膨脹度后，才會(huì)發(fā)生斷裂，故其響應(yīng)速度較慢。隨著MWCNTs含量的增多，納米復(fù)合材料的響應(yīng)速度相對(duì)下降，10%含量的PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料的響應(yīng)時(shí)間是5%含量的PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料的140%～300%。結(jié)合電性能測(cè)試結(jié)果看，10%含量下的復(fù)合材料的導(dǎo)電性能更強(qiáng)，內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加完善，但卻不易破壞，在達(dá)到相同響應(yīng)度時(shí)，10%含量的納米復(fù)合材料花費(fèi)的時(shí)間比5%含量的納米復(fù)合材料要長(zhǎng)。考慮到該復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)機(jī)理基于體積膨脹模型，復(fù)合材料的氣敏性能的體現(xiàn)，出于復(fù)合材料在吸收氣體后發(fā)生基體膨脹從而破壞內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。一旦基體膨脹的力度不足以破壞內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料的氣敏性能就顯示不出，說(shuō)明導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)也不是越完善越好。

圖6 PUR-T／MWCNTs材料達(dá)到相同響應(yīng)度所需時(shí)間及恢復(fù)能力

納米復(fù)合材料在達(dá)到最大響應(yīng)度后，在1 h內(nèi)的恢復(fù)能力測(cè)試結(jié)果如圖6b。PUR-T／MWCNTs 2#納米復(fù)合材料明顯比PUR-T／MWCNTs 1#納米復(fù)合材料恢復(fù)力強(qiáng)，說(shuō)明長(zhǎng)度較長(zhǎng)的MWCNTs形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞后的重現(xiàn)性比長(zhǎng)度短的MWCNTs形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)，更具有實(shí)用價(jià)值。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，5%含量的MWCNTs比10%含量的MWCNTs恢復(fù)性強(qiáng)，這也是由于MWCNTs含量過(guò)多后，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)過(guò)于完善，遭到破壞后不易恢復(fù)，導(dǎo)致納米復(fù)合材料的氣敏性能反而下降。

2.6 PUR-T／MWCNTs復(fù)合材料的響應(yīng)穩(wěn)定性

圖7 納米復(fù)合材料在苯蒸汽和氯仿蒸汽中的氣敏響應(yīng)穩(wěn)定性

選取氣敏響應(yīng)度較高，響應(yīng)速度較快，恢復(fù)能力較強(qiáng)5%的PUR-T／MWCNTs 2#納米復(fù)合材料進(jìn)行氣敏響應(yīng)重復(fù)性測(cè)試，測(cè)試選取的溶劑蒸汽為苯(圖7a)和氯仿(圖7b)。圖7顯示納米復(fù)合材料氣敏響應(yīng)穩(wěn)定性。通過(guò)使納米復(fù)合材料達(dá)到最大響應(yīng)度后再解吸附1 h，再使其放置于有機(jī)蒸汽氛圍吸附響應(yīng)，再解吸附。重復(fù)此過(guò)程來(lái)測(cè)試納米復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)穩(wěn)定能力。納米復(fù)合材料在第一次氣敏響應(yīng)測(cè)量中具有較高的響應(yīng)度，在第2次測(cè)量時(shí)其響應(yīng)強(qiáng)度有較大幅度的下降。就苯蒸汽而言，從第2次測(cè)試開(kāi)始，后續(xù)測(cè)試出材料的響應(yīng)度基本穩(wěn)定，而氯仿蒸汽，從第2次測(cè)試開(kāi)始，其響應(yīng)度峰值均有所下降，可見(jiàn)納米復(fù)合材料對(duì)苯蒸汽有較好的氣敏響應(yīng)穩(wěn)定性，而對(duì)氯仿這種強(qiáng)極性的親油性蒸汽，因基體材料吸附后，產(chǎn)生的不可逆膨脹較多，即納米復(fù)合材料解吸附能力較差，導(dǎo)致納米復(fù)合材料的穩(wěn)定性較差。

2.7 PUR-T／MWCNTs復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)行為

為了探究納米復(fù)合材料氣敏響應(yīng)行為的規(guī)律，選取納米復(fù)合材料在苯和氯仿蒸汽中連續(xù)吸附–解吸附測(cè)試3次，按照公式dS／dt繪制納米復(fù)合材料響應(yīng)變化率如圖8所示。對(duì)于氯仿蒸汽，納米復(fù)合材料響應(yīng)速度較快，能在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大響應(yīng)速度，而苯蒸汽，納米復(fù)合材料的達(dá)到最大響應(yīng)速度就相對(duì)較慢，這證實(shí)了前面所言，納米復(fù)合材料對(duì)極性較強(qiáng)的親油性溶劑的吸附能力和解吸附能力較強(qiáng)。同時(shí)也看出納米復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)速度有臨界值，在這一值前，響應(yīng)速率呈上升趨勢(shì)，而過(guò)了臨界值，響應(yīng)速率呈下降趨勢(shì)，解吸附也呈這一規(guī)律。這是因?yàn)榧{米復(fù)合材料在吸附蒸汽初期，材料內(nèi)部膨脹程度相對(duì)較小，雖然對(duì)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有所破壞，但破壞程度不嚴(yán)重，而當(dāng)吸附時(shí)間增加，納米復(fù)合材料膨脹程度增大，導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被迅速且大量破壞，此時(shí)納米復(fù)合材料氣敏響應(yīng)速度大幅度增加。這一現(xiàn)象也體現(xiàn)在解吸附過(guò)程。

圖8 納米復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)變化率

3 結(jié)論

(1)通過(guò)熔融共混和溶液共混兩種制備方法的比較，確定了PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料的最優(yōu)制備方法為溶液制備法，且納米復(fù)合材料在MWCNTs含量為5%處電阻出現(xiàn)明顯下降。MWCNTs的參數(shù)對(duì)納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性能無(wú)明顯影響。

(2)通過(guò)氣敏響應(yīng)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，PUR-T／MWCNTs納米復(fù)合材料在氣敏響應(yīng)性上具有選擇性，對(duì)親油性有機(jī)蒸汽的響應(yīng)度較高，能達(dá)到104～105，而對(duì)親水性有機(jī)蒸汽響應(yīng)度較低。

(3) MWCNTs的參數(shù)對(duì)納米復(fù)合材料響應(yīng)速度有影響，含MWCNTs 1#的納米復(fù)合材料的響應(yīng)時(shí)間比含MWCNTs 2#的納米復(fù)合材料高150%～300%，同時(shí)MWCNTs參數(shù)對(duì)納米復(fù)合材料的恢復(fù)能力也有一定影響，仍然是含MWCNTs2#的納米復(fù)合材料恢復(fù)能力表現(xiàn)較為優(yōu)異。

(4)納米復(fù)合材料在分子極性較小的苯蒸汽中具有優(yōu)良的穩(wěn)定性，而在分子極性較大的氯仿蒸汽中其穩(wěn)定性相對(duì)較差。