聚乙烯醇/碳量子點復(fù)合熒光纖維的制備及檢測性能

李 獻 西， 鄒 旸， 房 少 康， 于 躍， 張 鴻

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

寧夏紅枸杞是茄科植物的果實[1]。受地理位置的影響，寧夏紅枸杞子含糖量較高，且富含多種維生素、蛋白質(zhì)、淀粉等有機物。由于這些物質(zhì)附帶種類豐富的—OH、—COOH、—CH3、—NH3等基團，以枸杞作為碳源，通過水熱法制備的碳量子點(CQDs)具有量子點的諸多優(yōu)點，如所含基團豐富、尺寸均勻、產(chǎn)率較高等[2]。聚乙烯醇(PVA)價格低廉，易降解，綠色環(huán)保無污染，具有良好的力學(xué)性能、成纖性能以及加工性能[3]，是一種用途相當(dāng)廣泛的高分子聚合物。目前PVA纖維的成型方式一般有干法紡絲、靜電紡絲、干濕法紡絲等[4]。相比于以上成型方式，濕法紡絲具有更高的纖維成型可控性、紡絲裝置簡便、節(jié)約能源、環(huán)境污染程度小、成本較低等優(yōu)勢[5]。

本實驗以食物源寧夏紅枸杞作為碳源，利用水熱反應(yīng)法制備CQDs，將其與PVA共混進行濕法紡絲，制備出復(fù)合熒光纖維，探究了復(fù)合纖維的力學(xué)、熱力學(xué)及熒光傳感性能，特別研究了復(fù)合熒光纖維對Cu2+的傳感響應(yīng)性。

1 實 驗

1.1 材 料

寧夏紅枸杞，食品級，寧夏中寧縣恒發(fā)商貿(mào)有限公司；PVA(1799型，摩爾分?jǐn)?shù)98%～99%)、二甲基亞砜(DMSO)、氯化銅(CuCl2)，上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀 器

F-7000熒光分光光度計，日立高新科技公司；JSM-7800F掃描電子顯微鏡(SEM)，JEM-2100透射電子顯微鏡(TEM)，日本電子株式會社；NicoletTMiS50傅里葉紅外光譜儀，上海零露儀器設(shè)備有限公司；DHR-2旋轉(zhuǎn)流變儀，美國TA儀器；YG061電子單紗強力儀，萊州市電子儀器有限公司；TGA2熱重分析儀，瑞士梅特勒-托利多公司。

1.3 方 法

1.3.1 水熱反應(yīng)法制備CQDs

水熱法合成碳量子點的控制條件分別為反應(yīng)時間(1～18 h)、反應(yīng)溫度(60～180 ℃)和枸杞質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.8%～3.3%)。控制其中兩個不變，研究另外一個變量對CQDs溶液顏色、質(zhì)量濃度及溶液熒光強度的影響。選取最優(yōu)條件：枸杞用量3.3%，在180 ℃持續(xù)反應(yīng)18 h，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，通過0.2 μm的微孔濾膜進行抽濾，得到深黃色澄清CQDs溶液，用于配置后續(xù)紡絲液。

1.3.2 PVA/CQDs紡絲溶液的配制

選取PVA紡絲溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，改變CQDs溶液與DMSO比例，制備出1#～5#PVA/CQDs復(fù)合溶液用作紡絲液(表1)。

表1 PVA/CQDs復(fù)合溶液配制比例Tab.1 The ratio of PVA/CQDs composite solutions

1.3.3 PVA/CQDs復(fù)合熒光纖維的制備

將配置好的1#～5#樣品溶液吸入注射器中，通過注射器外部加熱，控制紡絲液溫度為40 ℃，控制推進器擠出推進速度恒定，選取乙醇作為凝固浴，凝固浴溫度為30 ℃。圖1為紡絲裝置簡圖。

圖1 紡絲裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of spinning device

1.4 性能與表征

(1)CQDs紅外表征：將CQDs溶液冷凍干燥24 h得到CQDs粉末進行測試。

(2)CQDs表面形貌：用注射器抽取一滴CQDs溶液，滴在TEM銅網(wǎng)表面，干燥后測試。

(3)CQDs質(zhì)量濃度：烘干100 mL小燒杯并稱量其質(zhì)量(m1)，將水熱反應(yīng)釜中的混合反應(yīng)液體使用0.2 μm的微孔濾膜過濾，量取50 mL澄清CQDs溶液置于小燒杯中，冷凍干燥24 h，完全去除水分，稱量小燒杯和剩余組分質(zhì)量為m2，計算質(zhì)量濃度。

ρ=(m2-m1)/V

式中：ρ為CQDs質(zhì)量濃度，g/L；V為所量取的CQDs溶液體積，L。

(4)熒光強度：使用容量瓶將CQDs溶液稀釋500倍，注入石英比色皿中，等待氣泡完全脫除后進行測試。

(5)流變性能：選取30、35、40、45、50 ℃作為測試溫度，剪切速率0.01～100 s-1。

(6)抗拉性能：設(shè)置隔距250 mm，拉伸速度20 mm/min。

(7)PVA/CQDs復(fù)合纖維響應(yīng)性分析：配置Cu2+水溶液濃度為0.037 mol/mL，將制備好的復(fù)合纖維或者復(fù)合膜浸入Cu2+溶液中，測試浸泡不同時間下熒光強度的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度和枸杞質(zhì)量分?jǐn)?shù)對CQDs溶液質(zhì)量濃度及熒光強度的影響

2.1.1 反應(yīng)時間對CQDs溶液質(zhì)量濃度及熒光強度的影響

控制枸杞質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.4%和反應(yīng)溫度180 ℃不變，探究反應(yīng)時間對CQDs溶液質(zhì)量濃度及熒光強度的影響。圖2為反應(yīng)時間對CQDs溶液顏色、CQDs溶液質(zhì)量濃度以及溶液熒光強度的影響。如圖2(a)所示，隨著反應(yīng)時間增加，碳量子點溶液顏色由淺變?yōu)樯睿缓笤儆缮钭優(yōu)闇\；CQDs溶液質(zhì)量濃度明顯下降，并在反應(yīng)12 h時達到最低；在反應(yīng)時間為15～18 h時，CQDs溶液質(zhì)量濃度基本保持不變。由圖2(b)可以看出，CQDs溶液熒光強度隨著反應(yīng)時間的增加而增強。當(dāng)反應(yīng)時間為1～12 h時，枸杞中的糖類分子逐漸溶解到水溶液中，導(dǎo)致溶液顏色由淺變深，隨著反應(yīng)時間的延長糖類小分子逐漸轉(zhuǎn)化為CQDs，15 h后完全轉(zhuǎn)化為碳量子點，溶液顏色保持不變，18 h熒光強度達到最大。

2.1.2 反應(yīng)溫度對CQDs溶液質(zhì)量濃度及熒光強度的影響

控制枸杞質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.3%及反應(yīng)時間18 h不變，研究反應(yīng)溫度對CQDs溶液濃度及熒光強度的影響。圖3為反應(yīng)溫度對制備的CQDs質(zhì)量濃度、溶液顏色以及溶液熒光強度的影響。如圖3(a)所示，反應(yīng)溫度由60 ℃增高到180 ℃，隨著溫度的增高，碳量子點溶液顏色由淺變?yōu)樯睿缓笤儆缮钭優(yōu)闇\；其質(zhì)量濃度呈現(xiàn)明顯下降趨勢。由圖3(b)可以看出，隨著反應(yīng)溫度增高溶液熒光強度逐步增強。由此得出結(jié)論，隨著反應(yīng)溫度增高，碳量子點質(zhì)量濃度逐步降低，溶液熒光強度逐漸增強。

圖2 CQDs溶液質(zhì)量濃度及熒光強度與反應(yīng)時間的關(guān)系圖

Fig.2 The correlation between reaction time and the mass concentration, fluorescence intensity of CQDs

圖3 CQDs質(zhì)量濃度及熒光強度與反應(yīng)溫度的關(guān)系圖

Fig.3 The correlation between reaction tempera- ture and the mass concentration, fluore- scence intensity of CQDs

2.1.3 枸杞質(zhì)量分?jǐn)?shù)對CQDs質(zhì)量濃度及熒光強度的影響

控制反應(yīng)溫度180 ℃及反應(yīng)時間18 h不變，研究枸杞用量對CQDs質(zhì)量濃度及熒光強度的影響。圖4為枸杞質(zhì)量分?jǐn)?shù)對CQDs溶液質(zhì)量濃度及熒光強度的影響。如圖4(a)所示，隨著枸杞用量的增加，CQDs溶液顏色由淺變深；CQDs溶液質(zhì)量濃度呈上升的趨勢。如圖4(b)所示，CQDs溶液熒光強度隨枸杞質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸變強。由此得出結(jié)論，枸杞質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，制備的CQDs溶液顏色越深，質(zhì)量濃度越高，熒光強度越高。

圖4 CQDs質(zhì)量濃度及熒光強度與枸杞用量的關(guān)系圖

Fig.4 The correlation between the mass concentration of lycium barbarum and the mass concentration, fluorescence intensity of CQDs

2.2 CQDs粒徑分析

圖5為CQDs的透射電子顯微鏡圖像。由圖5可以看出，CQDs尺寸以及粒間距離相對均勻，分散性良好，量子點形狀接近圓形，直徑在2.5 nm 左右，表面有斜向下條紋，表明使用枸杞作為碳源所制備的CQDs具有一維晶格且晶面結(jié)構(gòu)完整，晶面間距為0.15 nm[6]。圖5(b)為分析得到的量子點粒徑分布圖。結(jié)果表明，CQDs直徑分布在2.0～3.2 nm最為集中，高達65.9%。

2.3 CQDs紅外光譜分析

圖5 不同放大倍率下CQDs透射電鏡圖及CQDs粒徑分布圖

Fig.5 TEM image of CQDs with different magnifica-tion ratios and particle size distribution

圖6 CQDs紅外光譜圖Fig.6 FT-IR spectrum of CQDs

2.4 PVA/CQDs溶液的流變表征

圖7(a)為固定PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%、溶劑CQDs與DMSO質(zhì)量比為20∶80條件下溫度對紡絲液流變性能的影響。如圖7(a)所示，溶液黏度隨著剪切速率升高而降低，呈現(xiàn)非牛頓性，表現(xiàn)出假塑性行為；隨著溫度的升高，共混體系表觀黏度也呈現(xiàn)下降趨勢，在40～50 ℃時黏度基本保持不變。這可以通過高分子纏結(jié)理論[8]來解釋：隨著剪切速率的增大，PVA/CQDs共混體系中PVA分子鏈之間原來的纏結(jié)點發(fā)生解纏結(jié)，在剪切取向過程中，與溶劑及其他分子鏈之間阻力減小，因此出現(xiàn)隨著剪切速率的增加而混合溶液黏度變小的現(xiàn)象。隨著溫度的升高，分子鏈運動加速，分子間距離有所增加，在取向下更容易解纏結(jié)，導(dǎo)致在30～40 ℃內(nèi)PVA/CQDs紡絲液黏度明顯下降。當(dāng)溫度高于40 ℃，測試濃度下分子鏈運動基本達到最大，所以溫度的升高對混合溶液黏度影響不明顯。

圖7 PVA/CQDs紡絲液流變性能

Fig.7 Rheological properties of PVA/CQDs spinning solutions

圖7(b)為固定PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%、測試溫度為40 ℃條件下CQDs溶液與DMSO質(zhì)量比對其流變行為的影響。數(shù)據(jù)表明，隨著CQDs溶液比例的增加，PVA/CQDs混合溶液黏度明顯上升。這是由于CQDs溶液中的水分子與DMSO之間形成氫鍵，DMSO對PVA的溶解能力下降，隨著CQDs溶液比例的不斷增加，溶劑氫鍵作用逐漸增強，PVA自身聚集能力增強，致使分子鏈運動阻力增大，所以表觀黏度顯著增加[9]。

圖7(c)為固定溶劑CQDs與DMSO質(zhì)量比為20∶80、測試溫度為40 ℃條件下PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏度之間的關(guān)系。隨著PVA溶液濃度的增大，表觀黏度呈整體增大的趨勢，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%時，隨著剪切速率增加，黏度基本保持不變。這是由于濃度增大，共混體系中溶質(zhì)分子之間相互距離減小，分子鏈段運動阻力增加致使黏度增加。質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%時，分子鏈之間間距過大，沒有達到分子鏈纏結(jié)濃度，相互作用力太小，所以隨著剪切速率的增大，黏度變化不明顯。通過流變學(xué)研究確定紡絲條件：紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%，紡絲溫度40 ℃。

2.5 PVA/CQDs纖維性能

2.5.1 抗拉性能測試

采用電子單紗強力儀對濕法紡絲得到的復(fù)合纖維進行機械性能測試。由于初生纖維的韌性較好，未牽伸的復(fù)合纖維在測試量程下不能拉斷，故采用牽伸后的復(fù)合纖維進行抗拉測試。在牽伸溫度40 ℃、牽伸7倍條件下，1#～5#樣品的斷裂強度及斷裂伸長率的數(shù)據(jù)如圖8(a)所示。數(shù)據(jù)表明，隨著CQDs溶液比例的增加，PVA/CQDs復(fù)合纖維斷裂強度和斷裂伸長率都逐漸降低。PVA/CQDs纖維成型的過程實質(zhì)上是溶劑、凝固浴、聚合物復(fù)合體系之間相交換的過程[10]，由于PVA易吸水，紡絲液中水分子不易與凝固浴乙醇交換，所以CQDs溶液比例的增加導(dǎo)致在相交換過程中體系交換速度減緩，纖維內(nèi)部分子鏈排布不均。另一方面，由于隨著CQDs含量的增加，紡絲過程中PVA分子鏈排布規(guī)整度被擾亂，取向度降低，斷裂強度與斷裂伸長率總體呈現(xiàn)下降趨勢。1#樣品中未添加CQDs溶液，斷裂強度為1.86 cN/dtex，斷裂伸長率65.11%；5#樣品量子點含量最高，斷裂強度為1.45 cN/dtex，斷裂伸長率51.55%。相比于1#樣品，2#～5#樣品的抗拉性有少許降低，但并不影響纖維的使用。

圖8(b)為4#樣品在固定的牽伸倍率下，不同牽伸溫度對其抗拉性能的影響。如圖8(b)所示，在25～40 ℃，斷裂強度隨著牽伸溫度的增加而上升，當(dāng)牽伸溫度為45 ℃時，斷裂強度突然下降。這是由于PVA/CQDs復(fù)合纖維在牽伸時，分子鏈呈現(xiàn)取向排列，取向度逐漸提高，斷裂強度增加，在40 ℃抗拉性能最優(yōu)，斷裂強度為1.89 cN/dtex，斷裂伸長率為44.79%。當(dāng)溫度提高到45 ℃后，牽伸溫度較高，分子運動加快，沿牽伸方向的解取向也增加，取向度降低，斷裂強度下降。

圖8 復(fù)合纖維抗拉數(shù)據(jù)圖

Fig.8 Tensile strengths of composite fibers

圖8(c)為固定最優(yōu)牽伸溫度40 ℃，研究不同牽伸倍數(shù)對斷裂強度及斷裂伸長率的影響。提高拉伸倍數(shù)，將未延伸纖維中的堆積層解開，折疊鏈減少，使分子鏈充分結(jié)晶，從而使纖維的力學(xué)性能得到提高[11]。隨著牽伸倍率的增加，PVA/CQDs斷裂強度呈現(xiàn)先增后減小的趨勢。在牽伸7倍時斷裂強度達到最大，斷裂強度為1.89 cN/dtex，斷裂伸長率為44.79%；在牽伸5倍時綜合性能達到最優(yōu)，此時斷裂強度為1.19 cN/dtex，斷裂伸長率為77.84%。

2.5.2 PVA/CQDs復(fù)合纖維的微觀形貌

圖9為復(fù)合纖維表面形貌。從圖9中可以看出，1#～5#樣品纖維表面小顆粒明顯減少，溝槽結(jié)構(gòu)變多且更平整光滑，說明PVA/CQDs溶液共混非常均勻。隨著CQDs含量的增加，表面顆粒明顯減少，這說明CQDs的引入對纖維成型有促進作用，紡絲過程中，進行相交換的過程減緩，因此纖維表面變光滑，溝槽變多且均勻，利于復(fù)合纖維排濕防潮，更利于儲存[12]。圖9(f)為浸入Cu2+溶液后的表面形貌圖，浸入Cu2+離子溶液后表面變得凹凸不平，這是由于Cu2+的絡(luò)合作用導(dǎo)致表面產(chǎn)生凹陷。

圖9 PVA/CQDs樣品SEM圖

Fig.9 SEM images of PVA/CQDs samples

2.5.3 PVA/CQDs復(fù)合膜及纖維的熒光測試

圖10(a)為不同激發(fā)波長下PVA/CQDs復(fù)合膜熒光光譜圖，選取不同波長對復(fù)合膜進行激發(fā)，熒光強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。圖10(b)為選取358 nm作為激發(fā)波長，測試在Cu2+溶液中浸泡不同時間后的熒光強度的變化。如圖10(b)所示，復(fù)合膜熒光強度隨浸泡時間的延長而逐步降低。圖10(b)中的內(nèi)置小圖是復(fù)合纖維在Cu2+溶液中浸泡不同時間后的熒光顯微鏡圖片，由左至右依次為：PVA纖維，浸水PVA/CQDs復(fù)合纖維，未浸水PVA/CQDs復(fù)合纖維，浸入Cu2+溶液30 s、浸入Cu2+溶液1 min、浸入Cu2+溶液5 min 和浸入Cu2+溶液10 min的PVA/CQDs復(fù)合纖維。可以看出，浸泡30 s時熒光亮度基本達到最低，與未添加CQDs的PVA纖維相近。由于復(fù)合纖維直徑較小，PVA/CQDs復(fù)合纖維熒光淬滅速度相比于復(fù)合膜相對較快，能夠達到瞬間淬滅的效果。圖10表明，隨著浸泡時間的延長，熒光強度顯著下降，這說明Cu2+與CQDs絡(luò)合后，有明顯的熒光淬滅效果，進一步證明了PVA/CQDs復(fù)合纖維應(yīng)用于Cu2+檢測的可行性。

圖10 不同測試條件下的熒光強度圖

Fig.10 Fluorescence intensity of PVA/CQDs samples under different test conditions

2.5.4 熱穩(wěn)定性分析

圖11(a)為CQDs熱失重曲線，在40～110 ℃ 無質(zhì)量損失，說明碳量子點經(jīng)過冷凍干燥后不含有表面結(jié)合水分，這也證明了圖6紅外光譜中3 000～3 500 cm-1處不屬于水分子特征峰。后續(xù)溫度區(qū)間主要分為兩個重要階段，在110～200 ℃，TG曲線下降明顯，此階段為CQDs表面的基團進行分解生成H2O和CO2等小分子分散到外界導(dǎo)致的質(zhì)量損失。在200～500 ℃，隨著溫度的上升，TG曲線變化斜率突然增大然后再減小，DTG曲線出現(xiàn)分解速率最大峰，在此階段CQDs主體碳團部分分解[13]。

圖11 樣品熱失重曲線

Fig.11 Thermogravimetric curves of CQDs and PVA/CQDs samples

圖11(b)為不同CQDs含量的PVA/CQDs復(fù)合纖維熱失重曲線，失重曲線可以分為3個階段：第1階段為220 ℃前，為水分的損失；第2階段為220～380 ℃，PVA分子主鏈開始分解；第3階段為380～460 ℃，為碳化階段[14]。由于CQDs含量較低，所以對PVA/CQDs復(fù)合纖維熱穩(wěn)定性幾乎不產(chǎn)生影響，因此CQDs的引入不影響復(fù)合纖維的應(yīng)用。

圖11(c)為PVA/CQDs復(fù)合纖維在Cu2+溶液中浸泡不同時間后的熱失重曲線。如圖11(c)所示，Cu2+的引入增強了PVA/CQDs復(fù)合纖維熱穩(wěn)定性，這更加有利于復(fù)合纖維的應(yīng)用，也證明復(fù)合纖維可以與銅離子發(fā)生絡(luò)合作用，可以為熒光檢測提供依據(jù)。在500～600 ℃，隨著復(fù)合纖維在Cu2+溶液中浸泡時間的延長，熱失重曲線呈現(xiàn)水平上升。這是由于浸泡時間延長，與CQDs絡(luò)合的Cu2+數(shù)量增加，而在500～600 ℃ Cu2+和CQDs無法被熱分解，因此剩余質(zhì)量越來越多[15]。

3 結(jié) 論

本實驗以食物源枸杞為碳源，通過水熱反應(yīng)法成功制備了具有良好熒光性能和熱穩(wěn)定性的CQDs溶液，并利用濕法紡絲法制備了PVA/CQDs復(fù)合熒光纖維。該纖維保持了CQDs和PVA的綠色環(huán)保特性，CQDs的引入會使PVA/CQDs復(fù)合纖維的機械性能降低，在40 ℃牽伸5倍時抗拉性能達到最優(yōu)，斷裂強度為1.19 cN/dtex，斷裂伸長率為77.84%。

紅外光譜表明CQDs表面含有可以與金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用的羥基和羰基，通過熱重和表面形貌分析證明了復(fù)合纖維可以與Cu2+發(fā)生強絡(luò)合作用，并且對Cu2+具有熒光響應(yīng)性，表現(xiàn)出熒光淬滅的效果。復(fù)合熒光纖維在0.037 mol/mL的銅離子溶液中，可以在短時間(15 s)內(nèi)發(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象。

以環(huán)保可降解的PVA/CQDs纖維為載體，可以比碳量子點溶液的熒光檢測具有更好的便攜性，有望開發(fā)出新型的兼具環(huán)保和便攜性的銅離子檢測裝置。