能反映環(huán)境濕度的智能型熒光薄膜的制備方法

【摘要】通過(guò)電解氧化法在金屬鋁基板上生成一層致密氧化鋁層作為鋁基底，再采用原位生長(zhǎng)法在該基底上生成層板垂直鋁基底排列的苯甲酸根插層水滑石薄膜，在層間形成含有大量苯環(huán)的疏水性環(huán)境，然后將N-乙基咔唑固定于水滑石層間，該薄膜的熒光光譜的反射強(qiáng)度隨周圍環(huán)境的濕度變化呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，該材料可大規(guī)模應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】水滑石膜 濕度 N-乙基咔唑

濕度是反映環(huán)境空氣干燥程度的物理量。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、科研等部門，對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和控制具有重要的意義。例如，在存放金屬的倉(cāng)庫(kù)里濕度過(guò)高可加速腐蝕;在水果倉(cāng)庫(kù)中濕度對(duì)水果的成熟速度具有重要的影響;此外許多物料比如化學(xué)藥劑、煙、酒、食品、木材、藝術(shù)品、集成電路等等也要求在一定的濕度條件下存放或運(yùn)輸。因此在許多倉(cāng)庫(kù)、博物館、圖書(shū)館、計(jì)算機(jī)中心和一定的工廠（比如微電子工業(yè)）中都要實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)的濕度，并使用空調(diào)、除濕機(jī)等專業(yè)設(shè)備控制濕度在合理范圍。濕度的測(cè)量從原理上劃分有二、三十種之多，常見(jiàn)的濕度測(cè)量方法有：動(dòng)態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點(diǎn)法，干濕球法和電子式傳感器法等。但這些方法對(duì)測(cè)試條件要求普遍較高，在惡劣條件下（如高溫高壓、有腐蝕性氣體存在以及處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)）都無(wú)法應(yīng)用。因此研發(fā)一種能在上述惡劣條件下較準(zhǔn)確測(cè)定空氣濕度的方法具有重要的意義。

1、反映環(huán)境濕度的智能型熒光薄膜材料合成

水滑石類化合物是一類典型的陰離子型粘土，其主體層板一般由二元或多元金屬氫氧化物構(gòu)成，又稱為層狀雙羥基復(fù)合金屬氧化物（Layered Double Hydroxides，LDHs）。在LDHs結(jié)構(gòu)中二價(jià)和三價(jià)金屬離子的氫氧化物相互間高度分散并以共價(jià)鍵構(gòu)成主體層板，并且富含正電荷;層間陰離子有序排布，以靜電力平衡主體層板電荷，兩者有序排列而形成三維晶態(tài)結(jié)構(gòu)。LDHs的化學(xué)組成可水分子的個(gè)數(shù)。水滑石化學(xué)穩(wěn)定性良好，具有強(qiáng)的抗熱和耐腐蝕性能，且LDHs層板金屬離子可調(diào)變，層間陰離子具有可交換性，多種功能性陰離子都可通過(guò)離子交換進(jìn)入層間，得到各種功能性復(fù)合材料。而LDHs薄膜材料更有利于實(shí)現(xiàn)功能LDHs材料的器件化，顯著拓寬了其在工業(yè)上的應(yīng)用。目前水滑石材料成膜的方法主要有：溶劑蒸發(fā)法，層層組裝法，原位生長(zhǎng)法;其中原位生長(zhǎng)法是在鋁基底上直接生長(zhǎng)得到，成膜后具有不易脫落、機(jī)械強(qiáng)度大，耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。

咔坐是一種很重要的含氮原子的雜環(huán)類有機(jī)化合物，作為精細(xì)化學(xué)品的中間體，在諸如偶氮染料、有機(jī)發(fā)光材料、醫(yī)藥、橡膠助劑等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。特別是咔唑及其衍生物分子具有大的共軛體系及強(qiáng)的分子內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移，具有熒光量子效率高、發(fā)光波長(zhǎng)窄、色純度好等優(yōu)點(diǎn)。而且咔哩的熒光發(fā)射光譜的強(qiáng)度受溶劑極性的影響較明顯，因此目前已成為優(yōu)良的光學(xué)材料。

能反映環(huán)境濕度的智能型熒光薄膜材料即N-乙基咔唑與苯甲酸根插層的水滑石薄膜，是先通過(guò)電解氧化法在金屬鋁基板上生成一層致密氧化鋁層作為鋁基底（AAO/AI），再采用原位生長(zhǎng)法在該基底上生成層板垂直鋁基底排列的苯甲酸根插層水滑石薄膜，在層間形成含有大量苯環(huán)結(jié)構(gòu)的疏水性環(huán)境;然后將N-乙基咔哩引入并固定于苯甲酸根修飾的水滑石層間。

2、智能型熒光薄膜材料的表征

將制得的智能型熒光薄膜材料進(jìn)行XRD、掃描電鏡表征，并研究其熒光性能。這些表征顯示成功制備了N-乙基咔哩與苯甲酸根插層的水滑石薄膜。由XRD結(jié)構(gòu)參數(shù)可知苯甲酸根在水滑石層間采取軸線垂直層板的單層排列方式，N-乙基咔噢進(jìn)入層間后，層間距并沒(méi)有增大，這是由于N-乙基咔唑的分子較小，且原位生長(zhǎng)于鋁基底上的水滑石層板間距很難擴(kuò)張，故N-乙基咔唑分子采取兩個(gè)苯環(huán)連線平行水滑石層板的排列方式。在N-乙基咔哩進(jìn)入水滑石層間前后，其晶胞參數(shù)a值保持不變且和水滑石粉體相近，表明產(chǎn)物具有完整的層狀結(jié)構(gòu)。

從掃描電鏡照片中可以看出，制備得到的N-乙基咔唑與苯甲酸根插層水滑石薄膜中，水滑石層板垂直于基底，并且排列較致密。在熒光光譜中，觀察到N-乙基咔唑的插層LDHs受激發(fā)后能發(fā)出明顯的熒光，并且發(fā)射的熒光強(qiáng)度隨周圍濕度的增加而增加，最大發(fā)射波長(zhǎng)隨濕度增加稍微向紅波方向移動(dòng)。這是由于隨著周圍濕度增加，水滑石層間的含水量也相應(yīng)增加，從而增加了層間環(huán)境的極性，使得N-乙基咔唑的熒光光譜增強(qiáng)。

3、結(jié)論

利用水滑石層間苯甲酸根提供的富含離域π鍵的疏水環(huán)境，可以將具有優(yōu)良熒光特性的N-乙基咔唑組裝進(jìn)入水滑石層間，實(shí)現(xiàn)N-乙基咔唑的固定化和高分散化，制備出了插層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕的N-乙基咔唑與苯甲酸根插層的水滑石材料。發(fā)現(xiàn)該薄膜的熒光光譜的反射強(qiáng)度隨周圍環(huán)境的濕度變化呈現(xiàn)出規(guī)律：性變化，可以預(yù)期該材料可大規(guī)模應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸軍，劉曉磊，史文穎，王心蕊，衛(wèi)敏，段雪.水滑石類插層組裝功能材料[J].石油化工，2008（37）：539.