jyx123321的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/jyx123321 高分子材料/复合材料/物理凝胶 山东大学材料科学与工程学院教授

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基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器及制备方法 精选

已有 5674 次阅读 2023-1-20 09:26 |个人分类:未分类|系统分类:科研笔记

 

随着现代工业的飞速发展,各种工业废气的排放量越来越大,其中含有大量有毒气体和易燃易爆气体,不仅会对环境造成污染,也会对人类健康造成危害。新能源车的动力电池和储能电站的储能电池在损伤之后、自燃之前也产生多种有毒气体和易燃易爆气体,如果能及时检测且处理得当,就能避免电池自燃甚至爆炸事故的发生。

其中,氨气(NH3)是一种典型的无色、具有刺激性的有毒有害气体,是一种常见的空气污染物。同时,一定浓度的氨气会对人体健康造成危害。当人们处于25ppmNH3环境下8h,甚至35ppmNH315min时,NH3便会对人们的眼睛、呼吸道造成严重的伤害。因此及时准确地监测并控制污染源或大气环境中的NH3等有毒有害气体的浓度,对环境保护和人类健康具有重大意义。

传统的电化学式气体传感器的灵敏度和精度较高,但是其抗干扰性差,且使用温度高;光谱吸收型气体传感器的体积庞大、成本高,且难以在高粉尘、高湿度、振动环境中实现原位在线监测。

相较于传统传感器,光纤气体传感器具有抗干扰性强、选择性高、可复用、工作温度低、响应速度快、可在线原位实时监测气体等优点。光纤光栅气体传感器属于光纤气体传感器中研究广泛的一种,其利用的是气体与光纤栅区表面的气敏材料接触诱导光纤光栅的透射谱或者反射谱发生一定的改变,从而实现对气体的传感。光纤光栅主要包括:短周期光纤光栅,即光纤布拉格光栅(Fiber Bragg GratingFBG)以及长周期光纤光栅(Long Period Fiber GratingLPFG)。

相比于LPFG传感器,FBG传感器的抗干扰能力更强,性能更加稳定,但是商品化的FBG的纤芯被厚厚的包层包裹着,无法直接与外界环境接触,因此无法基于光学折射率改变的原理直接用于气体的检测。

因此,目前大多采用LPFG传感器进行生化传感研究,而对于采用FBG传感器检测微量的气体及其变化方面的研究,仍需要克服诸多困难。

现有技术公开了一种FBG气体传感器的制备方法,采用热旋转涂覆高分子薄膜的FBG传感器制备方法,在光纤栅区表面涂覆气敏高分子薄膜,能够保证高分子薄膜在光纤栅区表面的涂覆质量,使得薄膜厚度均匀;但是,该光纤传感器利用的是涂覆在光纤栅区表面的高分子薄膜吸附气体后诱导产生体积膨胀或收缩效应,从而使FBG的栅距改变,达到气体检测的目的,这类FBG气体传感器只适用于高浓度气体的环境,无法检测ppm级的气体。

为了解决上述问题,本发明提出了一种基于原位生长聚合物的微纳光纤气体传感器及制备方法,其利用的是微纳光纤对环境光学折射率敏感的特性进行气体浓度的检测;同时为了解决其灵敏度低和选择性差的问题,引入了聚苯胺(Polyaniline,以下简称PANI)作为气体敏感材料,在蚀刻加工后的光纤光栅的栅区表面原位生长PANI并做必要的改性处理,同时通过实时监测聚合物生长过程中的反射谱强度,获得合适的PANI膜层厚度和涂覆均匀性以确保光纤信号强度良好且稳定,并有效保证PANI与光纤光栅的栅区表面的结合牢固度。



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