長周期光纖光柵表面敏感膜的制備及其檢測技術(shù)研究.pdf

1、本文系統(tǒng)地研究了長周期光柵表面敏感膜的制備過程及其對銅離子的監(jiān)測技術(shù)。 針對本課題的關(guān)鍵：選取合適的材料作為長周期光柵的表面敏感膜，并根據(jù)反應(yīng)原理確定適宜的反應(yīng)條件。羧甲基纖維素是一種高分子聚合物，由于自身的特殊結(jié)構(gòu)，能對銅離子有吸附作用。而且經(jīng)過一系列反應(yīng)，又能夠結(jié)合在長周期光柵表面作為敏感膜。 由于羧甲基纖維素不能直接反應(yīng)在長周期光柵表面。因此必須找到一種物質(zhì)，在無機材料和有機材料的界面之間架起“橋梁”，

2、把兩者連接在一起，起到增加粘結(jié)強度的作用。胺丙基三乙氧基硅烷是一種硅烷偶聯(lián)劑，由于它含有兩種不同的化學官能團，它的一端能與光柵表面的硅醇基團反應(yīng)生成共價鍵，另一端又能與羧甲基纖維素反應(yīng)。從而使羧甲基纖維素反應(yīng)在長周期光柵表面上。 用與光纖材料相同的高純度石英玻璃進行了前期實驗，通過選擇合適的溶劑，控制反應(yīng)時間，優(yōu)化成膜溫度，以及反應(yīng)前對光柵表面進行羥基活化等手段，并用環(huán)境掃描電子顯微鏡和X射線型能譜儀分析了不同實驗條件下制備的高

3、分子敏感膜的微觀形貌、表面成分，以確定各種實驗條件下敏感膜的制備性能。 研究結(jié)果表明，選用乙醚(c<,4>H<,10>O)和苯(C<,6>H<,6>)作為溶劑，溶解胺丙基三乙氧基硅烷，進行4h、8 h、12h和16h制備的敏感膜在經(jīng)硫酸銅溶液浸泡后，所形成的高分子敏感膜嚴重脫落，變得很不完整，也很不均勻。這說明局部區(qū)域高分子敏感膜和石英玻璃表面的結(jié)合力還不夠牢固。但用乙醚作溶劑的敏感膜質(zhì)量相對優(yōu)于苯溶劑，在此基礎(chǔ)上對石英表面

4、用硝酸進行羥基活化處理，并優(yōu)選敏感膜形成工藝，控制成膜溫度為60℃，時間為8h，形成的敏感膜表面覆蓋好、厚度合適、致密無裂紋。 隨著反應(yīng)時間由4h向16h的增加，玻璃試樣表面的高分子敏感膜的表面形貌由不致密顆粒狀．致密顆粒狀．集結(jié)成膜狀而逐步變化。這說明當反應(yīng)時間較短時，根本不能形成完整和均勻敏感膜。隨著反應(yīng)時間的增長，高分子敏感膜逐漸變得更加致密均勻。但反應(yīng)時間太長，膜的分層現(xiàn)象嚴重，且表面裂紋增多。通過四種反應(yīng)時間的對比

5、分析可知，反應(yīng)時間為8h時，所制備的高分子敏感膜層最穩(wěn)定。用環(huán)境電子掃描顯微鏡和 X 射線型能譜分析儀來分析試樣表面形貌及各種元素相對含量。實驗結(jié)果表明，用硝酸進行過表面活化處理的石英試樣，分別經(jīng)過硫酸銅溶液、EDTA 溶液浸泡后，試樣的穩(wěn)定性比未經(jīng)表面活化處理過的試樣有了很大的提高：其表面膜層更均勻平整、裂紋較少、經(jīng)幾次浸泡后膜層仍比較穩(wěn)定。因此，在進行化學反應(yīng)前，需要對光柵表面進行羥基活化處理，以提高成膜質(zhì)量。能譜分析結(jié)果表明：浸入

6、硫酸銅溶液后的試樣表面只含銅元素而不含硫元素，這說明了表面敏感膜對銅離子吸附的特殊性；浸入 EDTA 溶液后，試樣表面的銅元素消失，說明了EDTA能有效的奪取膜層中的銅離子，從而使得長周期光柵得以反復(fù)利用。 將優(yōu)化后的各項工藝參數(shù)應(yīng)用于長周期光柵表面制備長周期光柵銅離子傳感器，能定性地檢測溶液中的銅離子。但運用該工藝所制成敏感膜的穩(wěn)定性尚需進一步提高。 本文還對光纖 Ph 傳感器做了初步探索，結(jié)果表明，Ph在 3～8 的