王 輝 宋 婭 童 超 杜晶晶
湖南工業(yè)大學(xué) 包裝與材料工程學(xué)院 湖南 株洲 412007
假冒偽劣商品對國民經(jīng)濟和人類健康造成了嚴重威脅。隨著商品貿(mào)易全球化以及互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的高速發(fā)展,市場對防偽技術(shù)的需求日益增大[1-3]。自1852年斯托克斯發(fā)現(xiàn)熒光材料以來,熒光材料由于獨特的熒光性質(zhì),在防偽領(lǐng)域倍受青睞[4]。例如有機熒光染料、量子點、稀土配體物等,它們在不同波長的光激發(fā)下,能發(fā)出可見光。它們存在復(fù)制簡單、容易被光漂白及激發(fā)頻帶寬等的缺點,在一定程度上限制了其在包裝防偽領(lǐng)域中的應(yīng)用。相較于下轉(zhuǎn)換熒光材料,能夠?qū)㈤L波長激發(fā)光(近紅外光)轉(zhuǎn)換為短波長發(fā)射光(可見光)的稀土摻雜上轉(zhuǎn)換熒光材料具有無毒、隱蔽性好、耐光漂白、發(fā)射峰窄、難仿制易識別的特點,因而適宜用作熒光防偽材料[5-8]。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料類別豐富,其中的六方相態(tài)(β相)NaYF4本身具有光學(xué)性能好、生物毒性較低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,在近年的研究中大放異彩[9]。由于中空管狀稀土摻雜β-NaYF4上轉(zhuǎn)換熒光材料的比表面積更大,同等條件下吸收截面積變大,熒光效率更高,發(fā)光強度得到有效增強,這一特性引起了研究者的廣泛關(guān)注[10-11]。
水(溶劑)熱法是一種液相合成方法。該方法的優(yōu)點是可以在低溫下制備具有高結(jié)晶度的產(chǎn)物,且產(chǎn)物分散性好,反應(yīng)條件易控制,反應(yīng)體系穩(wěn)定[12]。
Li D. D. 等[13]分別采用水熱法合成了一系列Li+摻雜含量不同的NaYF4:Yb3+/Eu3+上轉(zhuǎn)換微米顆粒(upconversion micro paricles,UCMPs)。X-射線衍射(X-ray diffraction,XRD)的結(jié)果表明,UCMPs具有良好的結(jié)晶度。進一步對UCMPs在980 nm激光照射下的熒光光譜進行分析,結(jié)果表明,摻雜摩爾分數(shù)為2% Li+的NaYF4:Yb3+/Eu3+熒光強度最強,是未摻雜Li+的NaYF4:Yb3+/Eu3+熒光強度的2倍。合成的UCMPs在絲網(wǎng)印刷防偽領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
Xu J. X. 等[14]以聚乙烯亞胺(polyethyleneimine,PEI)為配體,采用水熱法制備了一種具有中空管狀結(jié)構(gòu)的NaYF4:Ln3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒(upconversion hollow microtubes,UCHMs)。由于親水性聚乙烯亞胺配體的作用,合成的UCHMs具有優(yōu)良的親水性。此外,他們以合成的UCHMs為熒光填料制備了上轉(zhuǎn)換熒光油墨,并研究了其在絲網(wǎng)印刷熒光防偽領(lǐng)域中的應(yīng)用可行性。聚乙烯亞胺的結(jié)構(gòu)中含有大量氨基(—NH2)官能團,因而能夠與稀土離子發(fā)生配位作用,影響稀土摻雜NaYF4材料的合成[15]。
本文通過水溶性聚合物聚乙烯亞胺調(diào)介下的水熱法,合成β-NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光材料。進一步研究配體含量和反應(yīng)體系的pH值,對所合成的β-NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光材料晶體形貌、晶型及熒光性能的影響。將該上轉(zhuǎn)換熒光材料作為填料,殼聚糖/聚乙烯醇作為基材,采用流延成膜法,制備了具有熒光性能的復(fù)合薄膜,探究熒光復(fù)合薄膜的最佳熒光填料摻雜濃度,并探討該熒光復(fù)合薄膜在防偽包裝中的應(yīng)用。
1)材料
YCl3·6H2O( 純 度 為 99.9%)、YbCl3·6H2O( 純度為99.9%)、ErCl3·6H2O(純度為99.9%)、NaCl(純度為99.0%)、NH4F(純度為98.0%)、殼聚糖(純度為95.0%)、冰醋酸(質(zhì)量分數(shù)為36 %的水溶液)、聚乙烯亞胺(重均分子量約為60 000,質(zhì)量分數(shù)為50%的水溶液)均購于阿拉丁生化試劑有限公司;分子水,實驗室自制。
2)儀器
掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM),S-3000N,日本Hitachi公司;
X-射線衍射儀,D/max-2500 ,Rigaku公司,測試條件為Cu Kα輻射,掃描步長為0.02°,掃描區(qū)間為 10°~80°;
熒光光譜儀,F(xiàn)-4500,日本Hitachi公司,外接980 nm紅外光纖激光器(長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司);
數(shù)碼相機,D7000,Nikon公司,裝配UV/IR濾光片。
稱 取 236.6 mg(0.78 mmol)YCl3·6H2O,77.5 mg(0.20 mmol)YbCl3·6H2O,7.6 mg(0.02 mmol)ErCl3·6H2O,置于50 mL燒瓶中,加入5 mL蒸餾水,攪拌直至完全溶解。然后往燒瓶中依次加入6 mL含有0.3 g聚乙烯亞胺的水溶液和15 mL無水乙醇,在25 ℃下攪拌40 min。再依次逐滴加入0.2 mol/L的NaCl水溶液5 mL,2 mol/L的NH4F水溶液8 mL,調(diào)節(jié)體系使pH=5,攪拌30 min后轉(zhuǎn)移到100 mL反應(yīng)釜中,置于180 ℃的恒溫箱中反應(yīng)24 h。降溫,取出反應(yīng)釜,在12 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心分離10 min,用體積比為1:1的無水乙醇和蒸餾水的混合溶液洗滌3次,將產(chǎn)物于50 ℃下真空干燥15 h,最后制得白色粉末狀NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光材料。
以制備摻雜質(zhì)量分數(shù)為3.0%的NaYF4:Yb3+, Er3+熒光復(fù)合薄膜為例:稱取0.228 g按2.2節(jié)所述步驟制得的稀土摻雜NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光材料,超聲分散在5 mL冰醋酸中,命名為溶液1。
在100 mL的圓底燒瓶中加入6 g聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)粉末和60 mL冰醋酸,90 ℃水浴攪拌至完全溶脹,命名為溶液2。
在250 mL的圓底燒瓶中加入1.6 g殼聚糖(chitosan,CS)粉末和40 mL冰醋酸,45 ℃水浴攪拌至完全溶脹,命名為溶液3。
將溶液1和溶液2同時加入至溶液3中,攪拌均勻,得到復(fù)合薄膜原液;將靜置一段時間的原液倒入模具中,60 ℃下恒溫箱中干燥24 h獲得NaYF4:Yb3+,Er3+/(CS/PVA)熒光復(fù)合薄膜。
為了獲得具有優(yōu)良熒光性能和特殊形貌的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光材料,首先探究不同PEI配體含量和反應(yīng)pH值對合成產(chǎn)物形貌、晶型和熒光性能的影響。
在保持其他條件不變的情況下,按2.2節(jié)的實驗步驟改變PEI的含量分別為0, 0.3, 0.6 , 0.9 g;同樣,按2.2節(jié)的實驗步驟改變反應(yīng)體系的pH值分別為5,7, 9, 11,研究PEI的不同含量以及反應(yīng)體系不同pH值對NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光材料性能的影響。在確定NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光材料的合成條件后,再探究NaYF4:Yb3+, Er3+摻雜質(zhì)量分數(shù)不同(0.5%,1.0%, 3.0%, 5.0%),對NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA)熒光復(fù)合薄膜透明度和上轉(zhuǎn)換熒光性能的影響。
一般地,稀土摻雜上轉(zhuǎn)換熒光材料的晶型、形貌、尺寸和熒光性能與表面配體極其相關(guān),因此先研究PEI含量不同對NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒晶型的影響。
當反應(yīng)體系中配體PEI含量不同時,所合成的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的XRD圖譜如圖1所示。
由圖1可知,當PEI含量為0 , 0.3, 0.6 g時,所合成NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的各個衍射峰的位置與標準卡片(JCPDS 28-1192)一一對應(yīng),無其他雜峰存在,表明所合成產(chǎn)物均為純的β-NaYF4。此外,從XRD圖可明顯觀察到,3個樣品在(100),(110)和(101)3個晶面的衍射峰強度有明顯差別,表明PEI含量對β-NaYF4的晶面擇優(yōu)取向生長產(chǎn)生了較大影響,從而產(chǎn)物的形貌也受到影響。當配體PEI含量為0.3 g時,(100)晶面的衍射峰相對強度最高,該峰相對強度的增加有利于合成的NaYF4:Yb3+,Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒具備優(yōu)先縱向生長的趨勢[10]。當PEI含量為0.9 g時,出現(xiàn)了對應(yīng)于α-NaYF4(四方相NaYF4)(JCPDS 77-2042)的峰,可知產(chǎn)物中出現(xiàn)了α-NaYF4。上述結(jié)果表明,PEI含量相對較低(不超過 0.6 g)時,合成的產(chǎn)物是純β-NaYF4,且隨著PEI含量的增大,合成產(chǎn)物不同晶面擇優(yōu)取向生長趨勢不同,當配體含量增加到一定量(0.9 g)時,合成產(chǎn)物中出現(xiàn)了α-NaYF4,說明過量的PEI對NaYF4晶體由α相向β相的相轉(zhuǎn)變過程有一定的抑制作用。
圖1 PEI不同含量時NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的XRD圖Fig. 1 XRD patterns of the NaYF4:Yb3+, Er3+upconversion fluorescent particles synthesized under different amounts of PEI ligand
當反應(yīng)體系中配體PEI含量不同時,所合成的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的SEM圖如圖2所示。由圖2a可以看出,當反應(yīng)體系中未添加配體,即PEI含量為0時,合成的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒呈不規(guī)則棒狀形貌。由圖2b可知,當PEI含量為0.3 g時,合成的產(chǎn)物呈現(xiàn)纖維狀,單個產(chǎn)物尺寸長約為16~20 μm,寬約1 μm。由高倍率掃描電子顯微鏡圖像可知,產(chǎn)物端部是具有開口的中空結(jié)構(gòu)。由圖2c可知,當PEI含量為0.6 g時,合成的產(chǎn)物呈粗細不一的棒狀,長度約10 μm。其高倍率掃描電子顯微鏡圖像顯示,產(chǎn)物為端部向外凸起的錐形長棒狀。由圖2d可知,當PEI含量增大至0.9 g時,產(chǎn)物為形貌均勻的短柱狀,其尺寸約為2 μm × 0.5 μm),呈蜂巢狀堆積;而且產(chǎn)物中明顯混雜有球狀的納米顆粒。
圖2 PEI不同含量時NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的SEM圖Fig. 2 SEM images of the NaYF4:Yb3+, Er3+upconversion fluorescent particles synthesized under different amounts of PEI ligand
由上述合成產(chǎn)物的XRD與SEM的結(jié)果可知,產(chǎn)物中短柱狀、長棒狀和中空纖維狀的晶體主要歸屬于β-NaYF4晶體,而具有球狀形貌的晶體主要歸屬于α-NaYF4晶體。這種形貌的差別主要是由于α-NaYF4晶體的各向同性生長,以及β-NaYF4晶體的各向異性生長。
當反應(yīng)體系中配體PEI含量不同時,所合成的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒,在980 nm近紅外光激發(fā)下的熒光光譜圖如圖3所示。由圖可知,所合成的4個樣品在980 nm近紅外光激發(fā)下,在408, 525, 546, 656 nm處均出現(xiàn)明顯的發(fā)射峰,分別對應(yīng)于 Er3+離子的2H9/2→4I15/2、2H11/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2、4F9/2→4I15/2的能級躍遷。當PEI含量為0時,所合成的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的熒光強度最高,這是由于高分子聚合物PEI的鏈上存在許多功能基團,增加了能級躍遷過程中的非馳豫輻射幾率,因此當加入PEI后,產(chǎn)物熒光強度有所下降。而且隨著配體PEI含量的增加,上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的熒光強度逐漸降低。由圖1 的SEM圖可知,不同PEI含量下,所制備產(chǎn)物形貌有所不同;而圖3的熒光圖譜中,對應(yīng)于纖維狀中空結(jié)構(gòu)的NaYF4:Yb3+, Er3+具有最高的熒光強度。這可能是因為具有纖維狀中空結(jié)構(gòu)的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒,相較其他塊狀材料(錐形棒狀、短柱狀)來說,具有內(nèi)/外表面,比表面積大,在相同的激發(fā)條件下吸收截面增加,熒光效率提高,從而能產(chǎn)生更高的發(fā)光強度。
圖3 PEI不同含量時NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒熒光光譜圖Fig. 3 Fluorescence spectra of the NaYF4:Yb3+, Er3+upconversion fluorescent particles synthesized under different amounts of PEI ligand
當反應(yīng)體系中的pH值不同時,所合成的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的XRD圖譜如圖4所示。由圖可知,合成的所有產(chǎn)物各個衍射峰的位置,均與標準卡片(JCPDS 28-1192)一一對應(yīng),這表明所制備產(chǎn)物均為純β-NaYF4;且所有樣品的衍射峰型尖銳,這說明所制備樣品均具有高的結(jié)晶度。另外,從XRD圖還可明顯看出,4個樣品分別對應(yīng)于(100),(110)和(101)晶面的衍射峰相對強度存在一定差異,這說明pH值影響了β-NaYF4不同晶面擇優(yōu)取向生長趨勢,進而影響了產(chǎn)物的形貌。其中pH=5時,(100)晶面的衍射峰相對強度最大,說明該條件下所制備產(chǎn)物,具有最明顯的縱向生長趨勢。隨著pH值的逐漸增大,(100)晶面的衍射峰相對強度有下降趨勢,說明產(chǎn)物的縱向生長趨勢隨著pH值的增大而逐漸被抑制。
圖4 不同pH值時NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的XRD圖Fig. 4 XRD patterns of the NaYF4:Yb3+, Er3+upconversion fluorescent particles synthesized under different pH values of reaction system
當反應(yīng)體系中的pH值不同時,所合成的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的SEM圖如圖5所示。由圖5a可知,當pH=5時,合成產(chǎn)物呈現(xiàn)纖維狀,單個產(chǎn)物尺寸長為16~20 μm,寬約為1 μm,且產(chǎn)物端部具有開口的中空結(jié)構(gòu)。由圖5b可知,當pH=7時,合成產(chǎn)物呈現(xiàn)纖維管狀顆粒與短棒狀顆粒的混雜形貌。其中纖維管狀顆粒長為16~18 μm,寬約為1 μm;短棒狀長約為2 μm,寬約為0.5 μm。由圖5c可知,當pH=9時,合成產(chǎn)物呈現(xiàn)纖維管狀顆粒與短棒狀顆粒的混雜形貌,與pH=7時相比,短棒狀顆粒明顯增多。其中纖維管狀顆粒長為16~18 μm,寬約為1 μm,短棒狀長約為2 μm,寬約為0.5 μm。由圖5d可知,當pH=11時,合成產(chǎn)物呈現(xiàn)不規(guī)則的形貌。
圖5 不同pH值時NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的SEM圖Fig. 5 SEM images of the NaYF4:Yb3+, Er3+upconversion fluorescent particles synthesized under different pH values of reaction system
通過對XRD與SEM結(jié)果分析可知,合成產(chǎn)物中表現(xiàn)為短柱狀、長棒狀和中空纖維狀的晶體主要為β-NaYF4晶體;pH值可以控制晶體形貌以及尺寸,隨著pH值的增大,合成顆粒的晶體形貌由規(guī)則向不規(guī)則轉(zhuǎn)變,晶體的尺寸也逐漸減小。
反應(yīng)體系pH值不同時,合成的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒,在980 nm近紅外光激發(fā)下的熒光光譜圖如圖6所示。由圖6可知,所合成的4個樣品在980 nm近紅外光的激發(fā)下,在408, 525, 546, 656 nm都出現(xiàn)了明顯的發(fā)射峰。當pH=5時,上轉(zhuǎn)換熒光材料具有最高的熒光強度,隨著pH值的增大,熒光強度逐漸降低。由SEM圖可知,不同pH值下,所制備產(chǎn)物形貌有所不同,而熒光圖譜中對應(yīng)于纖維狀中空結(jié)構(gòu)NaYF4:Yb3+, Er3+具有最高的熒光強度,這可能是因為具有纖維狀中空結(jié)構(gòu)的稀土摻雜上轉(zhuǎn)換β-NaYF4熒光材料,其比表面積更大,同等激發(fā)條件下吸收面積增加,熒光效率得到了有效提高,進一步增強了上轉(zhuǎn)換熒光強度。
圖6 不同pH時NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的熒光光譜圖Fig. 6 Fluorescence spectra of the NaYF4:Yb3+, Er3+upconversion fluorescent particles synthesized under different pH values of reaction system
所合成的PEI修飾NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒,具有親水性好和熒光性能優(yōu)良等特點。以合成的纖維狀中空結(jié)構(gòu)NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒作為功能填料,殼聚糖/聚乙烯醇為基材,采用流延法制備了NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA)熒光復(fù)合薄膜。NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的引入賦予了復(fù)合薄膜熒光特性,然而填料引入聚合物基體中,會引起復(fù)合熒光薄膜的透明度降低,因此本節(jié)進一步探究NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換顆粒的摻雜量,對NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA)熒光復(fù)合薄膜熒光性能和透明度的影響規(guī)律。
圖7為NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒不同摻雜量時,NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA)復(fù)合薄膜的熒光光譜圖。由圖7可知,NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA)復(fù)合薄膜,在980 nm近紅外光激發(fā)下發(fā)射明亮綠光。隨著摻雜量的增加,上轉(zhuǎn)換熒光強度明顯增強,當摻雜質(zhì)量分數(shù)為3.0%與5.0 %時,所制備的復(fù)合薄膜具有較高的熒光強度。當摻雜質(zhì)量分數(shù)由0.5 %增加至1.0 %時,所制備復(fù)合薄膜的熒光強度只有少量增強;由插圖可明顯看出,當摻雜質(zhì)量分數(shù)為3.0%和5.0%時,薄膜熒光強度接近。但當摻雜質(zhì)量分數(shù)為5.0 %時,熒光復(fù)合薄膜具有明顯的明暗差別,即復(fù)合薄膜的透過率降低,可能是由于熒光填料分布不均勻,顆粒在薄膜中有明顯的團聚現(xiàn)象,從而導(dǎo)致薄膜透明度降低。因此,NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的最佳摻雜質(zhì)量分數(shù)為3.0%。
圖7 摻雜量不同時NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA)復(fù)合薄膜的熒光光譜圖Fig. 7 Fluorescence spectra of the NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA) composite films with different adding amounts of NaYF4:Yb3+, Er3+upconversion fluorescent particles
彩圖
本課題組以PEI為配體,通過水熱法制備了高熒光強度、良好水分散性的纖維狀中空結(jié)構(gòu)NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒;進一步以制備的纖維狀中空結(jié)構(gòu)NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒為填料,采用流延成膜法制備了具有上轉(zhuǎn)換熒光性能的NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA)熒光復(fù)合薄膜。研究了反應(yīng)條件對合成的NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒形貌、晶型和熒光性能的影響,以及NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的摻雜量對熒光復(fù)合薄膜性能的影響。所得結(jié)論如下:
1)纖維狀中空結(jié)構(gòu)NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的最優(yōu)合成條件是:溫度為180 ℃,PEI配體加入量為0.3 g,反應(yīng)體系pH=5。
2)當NaYF4:Yb3+, Er3+上轉(zhuǎn)換熒光顆粒的摻雜質(zhì)量分數(shù)為3.0%時,NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA)熒光復(fù)合薄膜具有良好的透明性和明亮的上轉(zhuǎn)換熒光。
所制備的NaYF4:Yb3+, Er3+/(CS/PVA)熒光復(fù)合薄膜預(yù)期在防偽包裝領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。