长周期光纤光栅表面敏感膜的制备及其检测技术研究

摘要

本文系统地研究了长周期光栅表面敏感膜的制备过程及其对铜离子的监测技术。 针对本课题的关键：选取合适的材料作为长周期光栅的表面敏感膜，并根据反应原理确定适宜的反应条件。羧甲基纤维素是一种高分子聚合物，由于自身的特殊结构，能对铜离子有吸附作用。而且经过一系列反应，又能够结合在长周期光栅表面作为敏感膜。 由于羧甲基纤维素不能直接反应在长周期光栅表面。因此必须找到一种物质，在无机材料和有机材料的界面之间架起“桥梁”，把两者连接在一起，起到增加粘结强度的作用。胺丙基三乙氧基硅烷是一种硅烷偶联剂，由于它含有两种不同的化学官能团，它的一端能与光栅表面的硅醇基团反应生成共价键，另一端又能与羧甲基纤维素反应。从而使羧甲基纤维素反应在长周期光栅表面上。 用与光纤材料相同的高纯度石英玻璃进行了前期实验，通过选择合适的溶剂，控制反应时间，优化成膜温度，以及反应前对光栅表面进行羟基活化等手段，并用环境扫描电子显微镜和X射线型能谱仪分析了不同实验条件下制备的高分子敏感膜的微观形貌、表面成分，以确定各种实验条件下敏感膜的制备性能。 研究结果表明，选用乙醚(c<,4>H<,10>O)和苯(C<,6>H<,6>)作为溶剂，溶解胺丙基三乙氧基硅烷，进行4h、8 h、12h和16h制备的敏感膜在经硫酸铜溶液浸泡后，所形成的高分子敏感膜严重脱落，变得很不完整，也很不均匀。这说明局部区域高分子敏感膜和石英玻璃表面的结合力还不够牢固。但用乙醚作溶剂的敏感膜质量相对优于苯溶剂，在此基础上对石英表面用硝酸进行羟基活化处理，并优选敏感膜形成工艺，控制成膜温度为60℃，时间为8h，形成的敏感膜表面覆盖好、厚度合适、致密无裂纹。 随着反应时间由4h向16h的增加，玻璃试样表面的高分子敏感膜的表面形貌由不致密颗粒状．致密颗粒状．集结成膜状而逐步变化。这说明当反应时间较短时，根本不能形成完整和均匀敏感膜。随着反应时间的增长，高分子敏感膜逐渐变得更加致密均匀。但反应时间太长，膜的分层现象严重，且表面裂纹增多。通过四种反应时间的对比分析可知，反应时间为8h时，所制备的高分子敏感膜层最稳定。用环境电子扫描显微镜和 X 射线型能谱分析仪来分析试样表面形貌及各种元素相对含量。实验结果表明，用硝酸进行过表面活化处理的石英试样，分别经过硫酸铜溶液、EDTA 溶液浸泡后，试样的稳定性比未经表面活化处理过的试样有了很大的提高：其表面膜层更均匀平整、裂纹较少、经几次浸泡后膜层仍比较稳定。因此，在进行化学反应前，需要对光栅表面进行羟基活化处理，以提高成膜质量。能谱分析结果表明：浸入硫酸铜溶液后的试样表面只含铜元素而不含硫元素，这说明了表面敏感膜对铜离子吸附的特殊性；浸入 EDTA 溶液后，试样表面的铜元素消失，说明了EDTA能有效的夺取膜层中的铜离子，从而使得长周期光栅得以反复利用。 将优化后的各项工艺参数应用于长周期光栅表面制备长周期光栅铜离子传感器，能定性地检测溶液中的铜离子。但运用该工艺所制成敏感膜的稳定性尚需进一步提高。 本文还对光纤 Ph 传感器做了初步探索，结果表明，Ph在 3～8 的范围内变化时，光输出功率与 Ph 值近似成线性关系。因此如果利用不同的 Ph 指示剂，在不同的 Ph 值范围内，该传感器可以实现对 Ph 值的初步检测。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

第二章实验原理和实验方法

第三章石英玻璃表面敏感膜制备条件优化

第四章光栅表面敏感膜对铜离子的检测

第五章光纤pH传感器

第六章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文