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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:施佳男
研究生(外文):JIANAN.SHI
論文名稱:功能性高分子複合材料作為電阻式化學氣體感測器材料之研究
指導教授:葛明德葛明德引用關係
指導教授(外文):Ger,Ming Der
學位類別:碩士
校院名稱:國防大學中正理工學院
系所名稱:應用化學研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:67
中文關鍵詞:偵檢器功能性高分子複合材料主成份分析法
外文關鍵詞:Sensor chemiresistor
相關次數:
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化學氣體的監測在戰場防護、工業安全、工業衛生、環境監控、醫療檢驗及生命保護有著相當重要的需求,現在已被公認為對人類生命和健康、豐富國民生活以及促進其他技術發展之關鍵技術。本研究選擇多種不同氣體吸附特性之高分子,並尋找出各類高分子最佳之導電性碳材(BP2000)混合比例(10%~30%),以半導體製程技術來製作化學感測複合材料元件,經由複合材料感測器來對多種不同氣體進行感測,如Dimethyl methylphosphonate(DMMP)、Acetonitrile(AN)及Dichloromethane(DCM)等,複合材料吸附模擬氣體後高分子形成膨潤現象,造成複合材料導電路徑增長,電阻值便隨之增加。結果發現碳黑-高分子複合材料感測器靈敏度,取決於高分子化合物與化學氣體分子之間作用力,不同氣體均具有一特定之感測反應指紋,以主成份分析法分析後,發現研究中使用之8種高分子感測膜Poly(ethylene oxide)(PEO)、Ethyl cellulose(EC)、Poly(4-vinylphenol-co-methyl methacrylate)(PVCMM)、Polyethyleneimine(PEI)、Poly(vinylpropinoate)(PVP)、Poly(epichlorhydrin)(PECH)、Poly(isobutylene))(PIB)、75%-phenyl-25%-methylpolysiloxane(OV25)對DMMP、ACN及DCM三種模擬戰劑感測結果,座標落點有明顯的區隔,有著相當高的辨識能力。
It has a quite important demand to monitor the chemical gas in protecting in the
battle field, industrial security, industrial hygiene, environmental monitoring,
medical treatment examining and life protect, now has already been recognized as a
key technology to promot the human life and healthy, enrich the national life and of
other. This main purpose of research is to choose the polymer of many kinds of
different gas absorption characteristics, and fabricate the resistance composite
membrane different weight percentage conductivity carbon material(carbon black),
To make the composite membrane pattern with semiconductor technology, detect to
many kinds of different gas, for instance Dimethyl methylphosphonate(DMMP ),
Acetonitrile(ACN) and Dichloromethane(DCM), etc, then the polymer swell to cause
the conductive route growth of composite, resistance value increases thereupon . The
ability of carbon black- polymer composite to detect analyte depend on the
interaction between the polymer molecule and chemical gas molecule. The major
research is to design a high sensitive and distinguishable composite membrane with
the prediction absorbing theory,and make it into the microminiaturization, array type
detecting device .It is used for detecting and examining the harmful chemical gas, and
sum up the electricity data, set up all kinds of chemical gas database for the
qualitative and quantitative analysis of unknown gas.
誌謝 ii
摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
1. 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究目的 4
2. 理論基礎與文獻回顧 5
2.1色層分析儀及光譜儀 6
2.2電化學感測器 7
2.3光學感測器 8
2.4質量感測器 9
2.5選擇研究感測器 10
2.6複合材料薄膜導電機制 11
2.7 滲透理論 12
2.8感測膜面積大小的影響 14
2.9感測元件電極形式 16
2.10 溫度影響 17
2.11濕度影響 19
2.12導電碳材的選擇 20
2.13高分子感測膜的選擇 21
2.14線性溶合關係方程式 22
2.15主成份分析法 24
2.16 混合氣體的感測現象 26
2.17 電阻靈敏度 27
3. 實驗 29
3.1 實驗流程 29
3.2 實驗藥品 30
3.3 實驗器材及儀器設備 30
3.4 電阻式化學氣體感測器元件製作流程 32
3.5 功能性高分子混摻導電性碳黑及電阻式化學氣體感測器組裝 34
3.6 化學氣體感測實驗(化學氣體吸、脫附實驗) 37
4. 結果與討論 40
4.1 不同基材對感測器反應訊號的影響 40
4.2 不同混合比例導電碳黑對功能性高分子感測氣體的影響 43
4.3 感測室容積大小對感測器反應時間的影響 45
4.4 八種高分子對九種有害氣體感測訊號之結果 46
4.4.1 氣體吸、脫附反應結果 46
4.4.2 不同氣體濃度對感測訊號之影響 49
4.4.3 八種高分子感測九種有害氣體之最小濃度極限 50
4.4.4 LSER方程式預測氣體反應與實驗結果之比較 53
4.4.5 八種高分子感測九種有害氣體之雷達圖比較 58
4.4.6 運用主成份分析法辨識各式不同氣體 63
5. 結論 65
6. 未來研究方向 66
參考文獻 70
自傳 74
表目錄
表2.1 各個主成份對變數的解釋能力..................................................................... 22
表3.1 稱重法計算待測氣體(乙醇)濃度.............................................................. 35
表3.2 受測氣體一覽表.............................................................................................. 36
表4.1 不同容積感測時間的比較............................................................................. 42
表4.2 八種感測膜偵測六種工業有毒氣體最小極限值......................................... 47
表4.3 八種感測膜偵測3 種模擬戰猁氣體最小極限值......................................... 48
表4.4 DMMP 與5 種高分子之線性溶合能量關係式............................................ 49
表4.5 DCM 與5 種高分子之線性溶合能量關係式................................................ 50
表4.6 ACN 與5 種高分子之線性溶合能量關係式................................................. 52
圖目錄
圖1.1 恐怖活動分類................................................................................................... 2
圖1.2 氣體感測器於球場安全監控之運用............................................................... 3
圖1.3 汽車空氣調節系統之世界年產量................................................................... 4
圖2.1 氣體感測器於居家房屋之運用....................................................................... 5
圖2.2 氣體色層分析儀的簡單圖............................................................................... 7
圖2.3 化學阻抗感測器作用原理............................................................................... 7
圖2.4 光學感測器類型............................................................................................... 8
圖2.5 表面聲波元件示意圖....................................................................................... 9
圖2.6 美國聖地亞哥實驗室化學阻抗感測器元件................................................. 10
圖2.7 化學阻抗感測器組成必要條件..................................................................... 10
圖2.8 功能性高分子導電碳黑吸附機制................................................................ 11
圖2.9 滲透區域(percolation zone)示意圖................................................................ 12
圖2.10 不同種類高分子與碳黑含量電阻率關係圖............................................... 12
圖2.11 感測膜面積大小對感測靈敏度之影響....................................................... 13
圖2.12 感測元件電極形式....................................................................................... 14
圖2.13 感測元件碳黑分散狀況............................................................................... 14
圖2.14 直線型與螺旋型電極量測訊號之誤差值比較........................................... 15
圖2.15 直線型與螺旋型電極量測訊號靈敏度之比較........................................... 15
圖2.16 高分子感測膜電阻值隨著溫度的昇降產生變化....................................... 16
圖2.17 改變氣體與感測器溫度時,電阻之反應變化........................................... 16
圖2.18 主成份分析法之解析改變氣體與感測器溫度時,電阻之反應變化....... 17
圖2.19 高分子感測膜電阻值隨著氣體中濕度的含量產生變化........................... 17
x
圖2.20 不同粒徑之導電碳材形成感測薄膜表面孔隙不同................................... 18
圖2.21 添加分散劑改善分散不均的狀況............................................................... 18
圖2.22 添加分散劑可增加感測器偵測靈敏度....................................................... 19
圖2.23 依分子作用力來選擇製備感測薄膜之高分子........................................... 20
圖2.24 主成份分析以新變數來使點與點之間的投影差異距離達到最大........... 22
圖2.25 運用主成份分析法辨別不同化學戰劑....................................................... 23
圖2.26 混合氣體電阻總變化量與單一氣體的電阻變化量總合相同................... 23
圖2.27 主成份分析法辨別混合氣體的種類........................................................... 24
圖3.1 功能性高分子混摻導電碳黑結合半導體製程技術元件製作以及電化學檢
測模式製作化學氣體感測器實驗流程圖架構........................................... 26
圖3.2 利用黃光微影製作電阻式化學氣體感測器流程圖..................................... 29
圖3.3 電阻式化學氣體感測器元件成品圖............................................................. 31
圖3.4 高分子結構圖................................................................................................. 32
圖3.5 以磁石攪拌及磁石攪拌超音波振盪均勻分散裝置圖.................................. 33
圖3.6 高分子感測膜製備流程.................................................................................. 33
圖3.7 測試設備及裝置圖......................................................................................... 34
圖4.1 環氧化樹脂基材與陶瓷基材偵測乙醇氣體之反應比較圖......................... 37
圖4.2 PEO 對環氧化樹脂基材與陶瓷基材偵測乙醇氣體之雜訊比比較圖......... 38
圖4.3 EC 對環氧化樹脂基材與陶瓷基材偵測乙醇氣體之雜訊比比較圖........... 39
圖4.4 PEO 與碳黑(BP2000)含量電阻率關係圖...................................................... 40
圖4.5 PEO 含有不同比率碳黑(BP2000)吸附乙醇氣體反應結果.......................... 41
圖4.6 此研究中8 種不同高分子之最佳碳黑混摻比率......................................... 41
圖4.7 PEO 對乙醇氣體(2000 ppm)吸附反應結果(4cm3)........................................ 42
圖4.8 完整氣體吸、脫附反應(PECH-ACN) .......................................................... 43
xi
圖4.9 氣體吸、脫附反應(尚未反應至最大電阻值) (PIB-DCN) .......................... 44
圖4.10 氣體吸、脫附反應(未回歸至電阻基準值) (PIB-DMMP) ........................ 44
圖4.11 乙醇氣體2000 ppm、4000 ppm、6000 ppm 之電阻變化圖.................... 45
圖4.12 乙醇氣體2000 ppm、4000 ppm、6000 ppm 之電阻變化折線圖............ 46
圖4.13 八種感測膜偵測ACN 氣體最小極限值.................................................... 47
圖4.14 模擬戰劑DMMP 與5 種高分子感測靈敏度直條圖................................ 49
圖4.15 模擬戰劑DCM 與5 種高分子感測靈敏度直條圖.................................... 51
圖4.16 模擬戰劑ACN 與5 種高分子感測靈敏度直條圖.................................... 52
圖4.17 模擬戰劑DMMP 與8 種高分子感測靈敏度雷達圖................................ 53
圖4.18 模擬戰劑DCM 與8 種高分子感測靈敏度雷達圖.................................... 54
圖4.19 模擬戰劑ACN 與8 種高分子感測靈敏度雷達圖.................................... 54
圖4.20 工業有害氣體THF、MEK 與8 種高分子感測靈敏度雷達圖................ 55
圖4.21 工業有害氣體Toluene、Xylene 與8 種高分子感測靈敏度雷達圖........ 56
圖4.22 工業有害氣體CCl4、CHCl3 與8 種高分子感測靈敏度雷達圖............... 56
圖3.23 以主成份分析法分析3 種模擬戰劑氣體................................................... 57
圖4.24 以主成份分析法分析6 種工業有害氣體................................................... 58
圖6.1 以主成份分析法分析3 種模擬戰劑氣體與6 種工業有害氣體................. 60
圖6.2 高分子感測膜內碳黑粒子分散不均............................................................. 61
圖6.3 高分子(PEO)內含10% BP2000 感測2000 PPM 乙醇氣體........................ 61
圖6.4 高分子(PEO)內含1 %奈米碳管感測2000 PPM 乙醇氣體......................... 62
圖6.5 導電高分子吸附不同氣體成導電度增加與減少不同現象.......................... 62
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