改性芳香二?；⊥僚浜衔镏苽淠举|(zhì)基發(fā)光材料及其性能

王芳芳， 徐青景， 王 砥， 李 堅(jiān)

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150040)

改性芳香二酰基稀土配合物制備木質(zhì)基發(fā)光材料及其性能

WANG Fangfang

王芳芳， 徐青景， 王 砥*， 李 堅(jiān)

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150040)

為提高木材的綜合利用率，實(shí)現(xiàn)木材的表面功能化改性，首先用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)與鄰苯二甲酰氯制備改性配體，然后與Tb(NO3)3·6H2O反應(yīng)制備出發(fā)光改性稀土鋱配合物，最后將改性稀土配合物與楊木板材的表面通過水解縮聚反應(yīng)，制備具有熒光性能的改性木材。通過紅外光譜、X射線能譜、掃描電子顯微鏡及熒光光譜掃描，分析了木材表面的化學(xué)元素組成并推測(cè)了反應(yīng)機(jī)理，觀察了改性前后木材的表面微觀形貌。結(jié)果表明：改性稀土配合物水解后，通過形成氫鍵和脫水縮合兩個(gè)階段結(jié)合到木材表面；改性鋱芳香配合物在楊木材的表面形成一層致密的薄膜，生成具有熒光性能的改性木材；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到8 h以后，熒光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，當(dāng)溫度升高到60 ℃時(shí)，熒光強(qiáng)度達(dá)到最大，溫度繼續(xù)升高，熒光強(qiáng)度有所降低。

硅烷改性；稀土；熒光材料；木材表面功能化

我國(guó)稀土資源豐富，研究表明稀土具有精煉鋁合金以及細(xì)化共晶硅的長(zhǎng)效改進(jìn)作用，且其鹽類還具有殺菌消炎和抗凝血的作用[1-2]，而稀土離子也因其4f殼層電子的性質(zhì)而表現(xiàn)出不同的電子躍遷形式以及豐富的吸收和發(fā)射光譜。因此，稀土發(fā)光材料作為一種重要的功能材料得到廣泛的研究。稀土配合物的發(fā)光來源于稀土離子的特征發(fā)射，屬于中心離子發(fā)光型配合物，其光譜譜帶窄、發(fā)光譜峰尖銳、譜線強(qiáng)度強(qiáng)、色純度高、發(fā)光效率高，理論內(nèi)量子效率可達(dá)100%[3-7]，是一種優(yōu)良的發(fā)光材料，在分析化學(xué)、結(jié)構(gòu)探針及熒光材料等許多方面都有廣泛應(yīng)用[8]。而單一的稀土發(fā)光配合物有相當(dāng)?shù)木窒扌?，如熱穩(wěn)定性差、光穩(wěn)定性低和不宜加工性等，稀土有機(jī)無機(jī)雜化發(fā)光材料則在一定程度上彌補(bǔ)了以上缺點(diǎn)[9]。木材是天然可再生資源，易于加工，具有良好的力學(xué)、環(huán)境學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于建筑、室內(nèi)裝飾、制作工藝品等，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人類基本生活環(huán)境中發(fā)揮了重要作用[10]。隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們開始研究將經(jīng)過改性的木材作為新型復(fù)合材料應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。然而，木材作為生物有機(jī)材料，很容易受到氣候、環(huán)境和生物因素的影響而被破壞，而木材的表面性質(zhì)則直接影響木質(zhì)材料表面的涂飾、膠接、著色、防腐等改良功能和裝飾特性[11]。我國(guó)作為世界上木材資源比較貧乏的國(guó)家之一，對(duì)木材進(jìn)行表面功能性改良，改善其原有性能，賦予其新的功能，提高木材綜合利用率成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[12]。目前，木材的表面處理方法有很多，如硅烷化處理、接枝共聚、酯化、高溫?zé)崽幚?、溶膠-凝膠法處理等，不同的處理方法對(duì)木材表面的影響效果不同[13-17]。其中硅烷偶聯(lián)劑由于分子中具有兩親的化學(xué)基團(tuán)，既能與無機(jī)物中的羥基反應(yīng)，又能與有機(jī)物中的長(zhǎng)分子鏈相互作用，可以在兩相之間起橋梁作用而將兩相連接在一起[18-19]。同時(shí)無機(jī)材料制備簡(jiǎn)單，采用無毒性的無機(jī)材料對(duì)木材進(jìn)行改性，制得木材/無機(jī)復(fù)合材料，不僅可最大限度地保持木材的環(huán)境學(xué)特征，還能提高木材多方面的性能[20]，使改性木材能夠更好地應(yīng)用于室內(nèi)裝飾、工藝品制作等方面。本研究根據(jù)木材表面改性的問題和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用經(jīng)過氨基硅烷改性后的有機(jī)配體與稀土鋱離子形成具有發(fā)光功能的改性稀土配合物，然后將其水解用于改性木材表面制備發(fā)光木材，探索木材表面無機(jī)功能化的新技術(shù)，為尚未開展的木材-稀土配合物復(fù)合發(fā)光功能材料的研究提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑及儀器

自制楊木板材(20 mm×20 mm×3 mm)，鄰苯二甲酰氯(純度98%)，3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550，色譜純)，硝酸鋱六水合物(純度99.99%)，乙二胺四乙酸二鈉(保定凱越化工有限公司)，六次甲基四胺(上海譜振生物科技有限公司)，二氯甲烷、無水乙醇、丙酮(均為分析純)，蒸餾水(實(shí)驗(yàn)室自制)，鹽酸(煙臺(tái)市雙雙化工有限公司)。

LS55熒光光譜儀，美國(guó)PE公司；Nicolet iS10傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)賽默飛世爾科技公司；QUANTA 200掃描電子顯微鏡，Genesis 2000型X射線能譜儀，荷蘭FEI公司。

1.2 改性木材的制備方法

1.2.1 改性配合物的制備 稱取鄰苯二甲酰氯2.030 2 g與3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)4.428 g分別溶于10 mL二氯甲烷中，將前者溶液緩慢滴加入后者，常溫，攪拌反應(yīng)2 h，分離提純，得淡黃色油狀液體，即改性配體。然后分別將干燥后的改性配體與Tb(NO3)3·6H2O以物質(zhì)的量之比為3 ∶1溶于無水乙醇，在70 ℃的條件下水浴攪拌反應(yīng)6 h，將所得液體蒸發(fā)溶劑，用乙醚洗滌，置于真空干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定，即得改性稀土鋱配合物。

1.2.2 改性木材的制備 將自制楊木木塊分別用丙酮、無水乙醇和蒸餾水超聲波清洗10 min,放入80 ℃烘箱中干燥2 h備用。

將制得的改性稀土鋱配合物配制成50 g/L的水溶液，分別將干燥好的木塊浸入該溶液中，加幾滴稀鹽酸加速水解，置于一定溫度的水浴中反應(yīng)一段時(shí)間后取出，用蒸餾水洗去表面未反應(yīng)的改性鋱配合物，放入100 ℃烘箱中干燥至質(zhì)量恒定。制備得到不同反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度條件下的改性木材。

1.3 改性木材的表征與性能測(cè)試

1.3.1 改性木材表面化學(xué)成分分析 改性木材的表面化學(xué)組成通過紅外吸收光譜(FT-IR)和X射線能譜(EDXA)進(jìn)行分析。FT-IR采用Nicolet iS10傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定，分別將改性前后的木材置于樣品臺(tái)上，分辨率設(shè)為0.41 cm-1，掃描次數(shù)為32次。EDXA采用X射線能譜儀測(cè)定，將樣品固定在樣品臺(tái)上，噴金處理后，在15 kV電壓下對(duì)選定的表面進(jìn)行掃描。

1.3.2 熒光光譜測(cè)定 在改性木材表面刮取0.02 g木粉，用熒光光譜儀(控制狹縫10.0/5.0 nm,掃描速度為1 000 nm/min)測(cè)定改性木粉的激發(fā)和發(fā)射光譜。

1.3.3 表面形貌分析 木材改性前后的表面形貌用QUANTA 200型掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試，取一部分樣品固定在樣品臺(tái)上，噴金處理后，在電壓為15 kV下觀察其表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 木材表面化學(xué)鍵的形成

用EDTA滴定方法確定改性稀土配合物中配體和稀土離子的配比，根據(jù)滴定結(jié)果，可推測(cè)其結(jié)構(gòu)式如右圖所示[21]。

改性稀土配合物與木材表面的連接取決于兩大活性部分，即改性稀土配合物中的—Si—OC2H5基團(tuán)和木材表面的大量羥基?！猄i—OC2H5基團(tuán)經(jīng)過水解后形成—Si—OH基團(tuán)，與木材表面的—OH發(fā)生氫鍵連接，然后脫水縮合形成Si—O—C鍵，同時(shí)經(jīng)水解后的—Si—OH基團(tuán)也會(huì)發(fā)生自縮合形成Si—O—Si鍵[22]，且通過紅外光譜的分析，可以看到Si—O—C以及Si—O—Si鍵的形成。從而可以推測(cè)其反應(yīng)過程，硅烷鍵水解過程、改性配合物與木材鍵合及自縮合過程分別見式(1)、(2)：

(1)

(2)

R1：硅烷偶聯(lián)劑中非水解基團(tuán) non-hydrolyzed group in silane coupling agent

2.2 木材表面化學(xué)元素組成分析

木材表面改性前后的化學(xué)元素組成用EDXA能譜進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 木材原樣(a)和改性木材(b)的EDXA能譜

由圖1(b)可以看出，在1.84 keV處出現(xiàn)明顯的硅原子吸收峰，在6.4 keV處也出現(xiàn)鋱離子的吸收峰，木材表面硅和鋱的元素分別為7.99%和6.87%，其質(zhì)量比為1.16，與理論質(zhì)量比1.06基本吻合。在2.63 keV處出現(xiàn)氯原子吸收峰，是反應(yīng)過程中加入稀鹽酸加速水解而引入的少量雜質(zhì)。而圖1(a)是未經(jīng)處理的木材，其表面元素則主要為碳和氧。

2.3 紅外光譜分析

圖2 紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra

2.4 熒光光譜分析

在測(cè)試過程中首先以配合物熒光強(qiáng)度最大處的發(fā)射波長(zhǎng)(545 nm)為檢測(cè)波長(zhǎng)測(cè)得木材改性前后的激發(fā)光譜(見圖3)，再由熒光光譜儀測(cè)定的最佳激發(fā)波長(zhǎng)(300 nm)測(cè)得木材改性前后的發(fā)射圖譜(見圖4)。從圖4可以看出，木材經(jīng)改性稀土配合物修飾后，在492和547 nm處有Tb3+的特征發(fā)射峰，分別屬于Tb3+的5D4→7F6和5D4→7F5能級(jí)間躍遷，由于是f-f宇稱禁阻，所以譜帶半寬峰很窄。特征峰的出現(xiàn)說明了木材表面鋱離子的存在，即改性稀土配合物與木材表面相結(jié)合。而一般位于587和 624 nm 處Tb3+的5D4→7F4和5D4→7F3能級(jí)間躍遷，由于受到倍頻峰的影響不太明顯。而未經(jīng)過反應(yīng)的木材，則沒有明顯的Tb3+特征熒光峰。

圖3 熒光激發(fā)光譜圖 圖4 熒光發(fā)射光譜圖

為考察不同反應(yīng)條件對(duì)改性木材熒光強(qiáng)度的影響，采用控制變量法研究了反應(yīng)時(shí)間以及溫度的影響。反應(yīng)時(shí)間和溫度對(duì)熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響如圖5所示。從圖5可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度的升高，改性木材的熒光發(fā)射強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到8 h以后，熒光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，說明8 h后，反應(yīng)基本完全。當(dāng)溫度升高到60 ℃時(shí)，熒光強(qiáng)度達(dá)到最大，溫度繼續(xù)升高，熒光強(qiáng)度有所降低，因?yàn)闇囟鹊某掷m(xù)升高加劇了配合物分子間的相互碰撞，使傳遞給配體的能量有所損失，從而降低了配體向中心離子的能量傳遞效率，且減少了與木材表面羥基的縮合反應(yīng)，從而使改性木材的熒光強(qiáng)度下降。從熒光強(qiáng)度的大小來看，反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)其的影響不是很大。

圖5 不同反應(yīng)條件對(duì)熒光發(fā)射強(qiáng)度的影響

2.5 掃描電鏡分析

掃描電子顯微鏡可以觀察木材改性前后的表面形貌，放大倍數(shù)為1 000倍時(shí)不同木材樣品的SEM圖如圖6所示。由圖6(a)可以看到未處理?xiàng)钅静目v切面排布均勻的紋孔，由圖6(c)可以清楚地看到經(jīng)過改性的木材，紋孔的孔隙被覆蓋，在表面均勻的形成一層薄膜。通過圖6(b)和圖6(d)的比較也可以看出，經(jīng)過改性的木材導(dǎo)管內(nèi)壁比較光滑，切面變得圓潤(rùn)，縫隙中也有填充物，說明表面形成一層致密的薄膜，這層薄膜即為由改性稀土配合物水解后與木材表面的羥基反應(yīng)，附著在木材表面而形成。

圖6 不同樣品縱切面的SEM圖(×1 000)

3 結(jié) 論

以經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑(3-氨基丙基三乙氧基硅烷)改性的芳香二?；⊥僚浜衔锱c楊木木材表面反應(yīng)，制備具有熒光性能的改性木材。通過紅外光譜和EDXA能譜分析，證明經(jīng)硅烷改性鋱芳香配合物與木材表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)；通過熒光光譜分析，說明改性木材表面可以發(fā)出Tb3+的特征發(fā)射峰；通過分析不同反應(yīng)條件對(duì)熒光強(qiáng)度的影響，可以看出當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為8 h、溫度為60 ℃時(shí)，改性木材熒光強(qiáng)度最大；通過掃描電鏡觀察其微觀形貌可以看出，改性鋱芳香配合物在楊木材的表面形成一層致密的薄膜。改性鋱芳香配合物水解后，通過形成氫鍵和脫水縮合兩個(gè)階段結(jié)合到木材表面。

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Preparation and Performance of Luminous Wood with Modified Aromatic Diacyl Rare-earth Complexes

WANG Fangfang, XU Qingjing, WANG Di, LI Jian

(Key Laboratory of Bio-based Material Science & Technology of Ministry of Education; College of Material Science and Technology， Northeast Forestry University, Harbin 150040,China)

In order to improve the utilization of wood and achieve the functionalization of wood surface, the luminous woods were prepared. Firstly, the modified ligands were synthesized by the reaction between 3-aminopropyltriethoxysilane and phthaloyl dichloride. Then the modified ligands and the luminous terbium complexes that prepared with the terbium nitrate hexahydrate were concatenated on the surface of poplar veneer via hydrolysis condensation reaction to form the luminous wood. The elementary composition and micro morphology of wood surface were analyzed by FT-IR, EDXA and SEM. According to fluorescence spectrum, the mechanism of reaction was speculated. The results showed that the modified rare-earth complexes were combined on the surface of wood with the formation of hydrogen bond and the dehydration condensation. The compact membrane of the modified terbium complexes on the surface of wood endowed the wood with the fluorescence property. The fluorescence intensity of the modified wood promoted to the maximum when the reaction was carried out for 8 hours and the temperature of reaction rose to 60 ℃. But the fluorescence intensity would descend when the temperature of reaction was more than 60 ℃.

silane modification；rare earth；fluorescent material；wood surface functionalization

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.02.013

2016- 06-16

黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2012C027)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(DL11BB01)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(160750)

王芳芳(1990— )，女，河南滑縣人，碩士生，主要從事生物質(zhì)資源化學(xué)研究

*通訊作者：王 砥，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域：功能性生物質(zhì)材料化學(xué)；E-mail:diwang1030@126.com。

TQ35；S781.61

A

0253-2417(2017)02- 0101- 07

王芳芳，徐青景，王砥，等.改性芳香二酰基稀土配合物制備木質(zhì)基發(fā)光材料及其性能[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017，37(2)：101-107.