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研究生:王志嘉
研究生(外文):Wang, Chihchia
論文名稱:陣列式微型化高分子/奈米碳管複合材料薄膜感測器對化學氣體感測之研究
論文名稱(外文):Array Chemical Vapor Mini-Sensors of Carbon Nanotube and Polymer Composites
指導教授:張章平葛明德葛明德引用關係
指導教授(外文):Chang, ChangpinGer, Mingder
口試委員:歐進祿宋鈺林岳輝
口試委員(外文):Ou, JinluSong, YuLin, Yuehui
口試日期:2011-05-18
學位類別:碩士
校院名稱:國防大學中正理工學院
系所名稱:應用化學碩士班
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:97
中文關鍵詞:高分子/奈米碳管複合材料主成份分析法感測器
外文關鍵詞:polymer/MWCNT compositesprincipal component analysissensor
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毒害氣體之偵測對人體健康、環境品質、工安衛生及戰場防護等方面佔有極為重要之地位,且現今被認定是維護人類生命與地球環境之關鍵技術。本研究使用多壁奈米碳管作為導電材料,並選擇16種高分子,製備高分子/奈米碳管複材薄膜,對化學氣體具有良好偵測能力。其中以奈米碳管添加介面活性劑分散於水中,可得分散性佳之溶液對導電層製備可達塗部均一與電阻穩定之目的。在吸附層的製備上,調製1.0wt.%高分子溶液並與奈米碳管製備成複材薄膜,進行氣體感測實驗,隨氣體濃度增加,複材薄膜之靈敏度亦隨之增加;其結果呈正向趨勢,可推算出氣體之最低極限濃度。本研究利用溶解度參數,可有效預測對氣體之感測效能,使用P(VDC-AN)等8種高分子/奈米碳管複材薄膜,對7種氣體進行感測,產生不同之靈敏度與氣體指紋,俾利後續辨識氣體種類及比對濃度;再利用PCA進行分析,發現對此7種氣體能有明顯不同之區隔,達偵檢辨識之目的。更進一步感測混合氣體,具有辨識性質相似氣體之潛力。以不同混摻比例高分子製備之感測膜對氣體實施偵測,可節約高分子材料與增進感測器效能,為感測器後續開發之方向。最後,本研究採用分段式製備之高分子/奈米碳管感測膜,經實驗證明可有效配合陣列式感測元件,並具有開發陣列式氣體感測器之潛力。
It plays a very important position to detect the toxic gases on human health, enviroment, industrial security, battlefield protection, etc. Now it is a key technology for the human life and global environment. We use the multi-walled carbon nanotube as the conductive material and select 16 kinds of polymer to produce the polymer/MWCNT composites which detect chemical gases well. We disperse MWCNT in water with the surfactant and get the well dispersed solution for the conductive layer. We modulate the 1.0wt.% polymer solution with MWCNT to prepare the composites to proceed the gas sensing experiment, and the sensitivity of the composites increase in tandem with the gas concentration. The result shows the positive trend to calculate the minimum detection limit concentration of the gases. We use the the solubility parameter to effectively predict the performance for sensing the gases, and use the 8 polymer/MWCNT composites for the 7 gases to produce the different sensitivities and fingerprints identified the type and concentration of the gases. We further know that the film has the potential for the similar gases. We detect the gases with the proportion of different polymer blending to conserve the polymer materials and promote the performance of sensor for the direction of the subsequent development. Finally, we prove the polymer/MWCNT composites prepared with the segmented method have development the potential of gas sensor array.
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 3
1.3 研究目的 3
2. 文獻回顧 5
2.1 感測器類型介紹 5
2.1.1 電化學感測器 5
2.1.2 電阻式感測器 7
2.1.3 陣列式氣體感測器 7
2.1.4 微感測器 10
2.1.5 選擇研究之感測器 10
2.2 高分子/導電碳材複合材料薄膜感測機制 13
2.3 複材薄膜之導電碳材-奈米碳管 13
2.4 高分子材料之選擇 17
2.5 溶解度參數 18
2.6 電阻靈敏度 23
2.7 主成份分析法 24
2.8 溫度影響 25
2.9 濕度影響 26
2.10 混摻式高分子/奈米碳管複材薄膜對化學氣體之感測 27
2.11 混合氣體之感測 28
3. 實驗 30
3.1 實驗藥品器材 30
3.2 實驗儀器設備 31
3.3 化學氣體感測研究之方法 31
3.4 高分子/奈米碳管複合材料薄膜製程 32
3.4.1 高分子/奈米碳管混摻溶液之製備 32
3.4.2 奈米碳管溶液之製備 32
3.4.3 高分子溶液之製備 33
3.4.4 複合材料薄膜製作方式介紹 35
3.5 九種化學氣體之簡介 37
3.6 化學氣體感測實驗(待測氣體吸、脫附實驗) 38
4. 結果與討論 41
4.1 高分子/奈米碳管複合材料薄膜之探討 41
4.1.1 混摻式複合材料薄膜製備及感測效能之探討 41
4.1.2 分段式複合材料薄膜之製備 43
4.2 分段式複材薄膜感測單一化學氣體之探討 51
4.2.1 氣體濃度對感測效能之影響 51
4.2.2 氣體檢測之最低濃度推估 53
4.2.3 高分子種類對感測效能之探討 56
4.2.4 溶解度參數理論分析驗證氣體感測效能 62
4.2.5 主成份分析法分析辨識不同氣體 65
4.3 分段式複材薄膜感測混合化學氣體之探討 66
4.3.1 對混合氣體(極性-極性氣體)感測效能之探討 66
4.3.2 對混合氣體(非極性-非極性氣體)感測效能之探討 70
4.4 不同比例高分子混摻/奈米碳管感測膜偵測單一化學氣體 74
5. 結論 79
參考文獻 80
自傳 85

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