能反映环境湿度的智能型荧光薄膜的制备方法

【摘要】通过电解氧化法在金属铝基板上生成一层致密氧化铝层作为铝基底，再采用原位生长法在该基底上生成层板垂直鋁基底排列的苯甲酸根插层水滑石薄膜，在层间形成含有大量苯环的疏水性环境，然后将N-乙基咔唑固定于水滑石层间，该薄膜的荧光光谱的反射强度随周围环境的湿度变化呈现出规律性变化，该材料可大规模应用于工农业等领域的湿度实时监测领域。

【关键词】水滑石膜 湿度 N-乙基咔唑

湿度是反映环境空气干燥程度的物理量。在工农业生产、气象、环保、科研等部门，对环境湿度进行实时测量和控制具有重要的意义。例如，在存放金属的仓库里湿度过高可加速腐蚀;在水果仓库中湿度对水果的成熟速度具有重要的影响;此外许多物料比如化学药剂、烟、酒、食品、木材、艺术品、集成电路等等也要求在一定的湿度条件下存放或运输。因此在许多仓库、博物馆、图书馆、计算机中心和一定的工厂（比如微电子工业）中都要实时检测室内的湿度，并使用空调、除湿机等专业设备控制湿度在合理范围。湿度的测量从原理上划分有二、三十种之多，常见的湿度测量方法有：动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法等。但这些方法对测试条件要求普遍较高，在恶劣条件下（如高温高压、有腐蚀性气体存在以及处于运动状态时）都无法应用。因此研发一种能在上述恶劣条件下较准确测定空气湿度的方法具有重要的意义。

1、反映环境湿度的智能型荧光薄膜材料合成

水滑石类化合物是一类典型的阴离子型粘土，其主体层板一般由二元或多元金属氢氧化物构成，又称为层状双羟基复合金属氧化物（Layered Double Hydroxides，LDHs）。在LDHs结构中二价和三价金属离子的氢氧化物相互间高度分散并以共价键构成主体层板，并且富含正电荷;层间阴离子有序排布，以静电力平衡主体层板电荷，两者有序排列而形成三维晶态结构。LDHs的化学组成可水分子的个数。水滑石化学稳定性良好，具有强的抗热和耐腐蚀性能，且LDHs层板金属离子可调变，层间阴离子具有可交换性，多种功能性阴离子都可通过离子交换进入层间，得到各种功能性复合材料。而LDHs薄膜材料更有利于实现功能LDHs材料的器件化，显著拓宽了其在工业上的应用。目前水滑石材料成膜的方法主要有：溶剂蒸发法，层层组装法，原位生长法;其中原位生长法是在铝基底上直接生长得到，成膜后具有不易脱落、机械强度大，耐腐蚀性强等优点，因此得到了越来越多的关注和应用。

咔坐是一种很重要的含氮原子的杂环类有机化合物，作为精细化学品的中间体，在诸如偶氮染料、有机发光材料、医药、橡胶助剂等领域有广泛的应用。特别是咔唑及其衍生物分子具有大的共轭体系及强的分子内的电子转移，具有荧光量子效率高、发光波长窄、色纯度好等优点。而且咔哩的荧光发射光谱的强度受溶剂极性的影响较明显，因此目前已成为优良的光学材料。

能反映环境湿度的智能型荧光薄膜材料即N-乙基咔唑与苯甲酸根插层的水滑石薄膜，是先通过电解氧化法在金属铝基板上生成一层致密氧化铝层作为铝基底（AAO/AI），再采用原位生长法在该基底上生成层板垂直铝基底排列的苯甲酸根插层水滑石薄膜，在层间形成含有大量苯环结构的疏水性环境;然后将N-乙基咔哩引入并固定于苯甲酸根修饰的水滑石层间。

2、智能型荧光薄膜材料的表征

将制得的智能型荧光薄膜材料进行XRD、扫描电镜表征，并研究其荧光性能。这些表征显示成功制备了N-乙基咔哩与苯甲酸根插层的水滑石薄膜。由XRD结构参数可知苯甲酸根在水滑石层间采取轴线垂直层板的单层排列方式，N-乙基咔噢进入层间后，层间距并没有增大，这是由于N-乙基咔唑的分子较小，且原位生长于铝基底上的水滑石层板间距很难扩张，故N-乙基咔唑分子采取两个苯环连线平行水滑石层板的排列方式。在N-乙基咔哩进入水滑石层间前后，其晶胞参数a值保持不变且和水滑石粉体相近，表明产物具有完整的层状结构。

从扫描电镜照片中可以看出，制备得到的N-乙基咔唑与苯甲酸根插层水滑石薄膜中，水滑石层板垂直于基底，并且排列较致密。在荧光光谱中，观察到N-乙基咔唑的插层LDHs受激发后能发出明显的荧光，并且发射的荧光强度随周围湿度的增加而增加，最大发射波长随湿度增加稍微向红波方向移动。这是由于随着周围湿度增加，水滑石层间的含水量也相应增加，从而增加了层间环境的极性，使得N-乙基咔唑的荧光光谱增强。

3、结论

利用水滑石层间苯甲酸根提供的富含离域π键的疏水环境，可以将具有优良荧光特性的N-乙基咔唑组装进入水滑石层间，实现N-乙基咔唑的固定化和高分散化，制备出了插层结构稳定、机械强度高、耐腐蚀的N-乙基咔唑与苯甲酸根插层的水滑石材料。发现该薄膜的荧光光谱的反射强度随周围环境的湿度变化呈现出规律：性变化，可以预期该材料可大规模应用于工农业生产等领域的湿度实时监测领域。

参考文献：

[1]陆军，刘晓磊，史文颖，王心蕊，卫敏，段雪.水滑石类插层组装功能材料[J].石油化工，2008（37）：539.