温敏漆的制备综合性实验设计_宋亚娇.pdf

第 3 期收稿日期:20220810基金项目:内蒙古民族大学教育教学研究课题(No:QN20200013)作者简介:宋亚娇，女，博士，讲师，主要从事大学化学教学和研究。温敏漆的制备综合性实验设计宋亚娇1，王晓晖1，刘景林1，李月菊2，王洪刚3(1内蒙古民族大学 化学与材料学院 化学国家级实验教学示范中心，内蒙古 通辽028000;2通辽市第四中学，内蒙古 通辽028000;3扎鲁特旗第一中学，内蒙古 通辽028000)摘要:综合性实验是深化实验教学改革、提高教学质量的关键环节。为适应新形势下人才培养的要求，探索有利于培养学生创新意识，提高创新能力的实验教学方法，结合化学专业特点，在充分考虑前期已学课程的基础上设计了温敏漆制备综合性实验，将科研与实验教学相结合，既丰富充实了教学内容又提高了学生的实验动手能力。本实验的设计旨在于充分调动学生实践学习中的积极性和主动性，培养学生独立解决实际问题、探索创新能力。关键词:综合性实验;温敏漆;稀土中图分类号:TQ6375文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03003703Comprehensive Experimental Design of Temperature Sensitive Paint PreparationSong Yajiao1，Wang Xiaohui1，Liu Jinglin1，Li Yueju2，Wang Honggang3(1College of Chemistry and Materials Science，Experimental Teaching Demonstration Center ofChemistry，Inner Mongolia Minzu University，Tongliao028000，China;2Tongliao City No4 Middle School，Tongliao028000，China;3Zarut Banner No1 Middle School，Tongliao028000，China)Abstract:Comprehensive experiment is the key to deepen experimental teaching reform and improve teaching qualityIn order toadapt to the requirements of talent training under the new situation，explore the benefit to cultivate innovation consciousness ofstudents，improve the innovation ability of experimental teaching method，we combined with the characteristics of chemistryprofessional，on the basis of fully considering the previous course design comprehensive experiment of the preparation oftemperature sensitive paintThe comprehensive experiment combining scientific research and experimental teaching，both enrichthe teaching content and improve the experimental ability of students The design of this experiment aims to fully mobilizeenthusiasm and initiative of students in practical learning，and cultivate the ability to solve practical problems independently andexplore and innovateKey words:comprehensive experiment;temperature sensitive paint;rare earth教育部在关于“面向 21 世纪教育振兴行动计划”中强调，全面推进面向学生，以培养学生的创新精神和实践能力为核心，培养和造就一批具有国际竞争能力的高层次创新人才。然而，目前化学专业实验教学内容多为验证性实验，无机化学实验、有机化学实验、分析化学实验、物理化学实验等基础化学实验课程，大多强调自身课程的整体性，缺乏学科交叉性。显然，这种传统的教学内容和模式远远不能适应 21 世纪培养具有知识型、创新型和复合型人才的要求。综合性实验是在学生具有一定理论基础和实验基本操作基础上，运用多门专业相关课程知识，对学生进行多方面综合训练的实验，旨在强化学生知识结构的纵向和横向联系，促进学生创新精神和实践能力培养1。基于以上研究背景，本工作结合化学专业特点，在充分考虑前期已学课程的基础上设计了温敏漆制备综合性实验，将科研与实验教学相结合，既丰富充实了教学内容又提高了学生的实验动手能力。温敏漆技术是一种非接触式、全方位测温技术，其原理为利用光致发光的热猝灭效应，通过使用高性能相机获得温度分布图像，确定待测模型表面温度变化23。温敏漆一般由聚合物功能层和基底反射层两部分组成，能够产生热猝灭的探针分子位于聚合物功能层中。本实验制备了 Er05Eu05(TTA)3phen 发光探针分子，将发光探针分子与甲基丙烯酸甲酯(MMA)混合，通过自由基聚合用得到 温敏漆 Er05Eu05(TTA)3phen/PMMA。本实验的设计旨在于充分调动学生实践学习中的积极性和主动性，培养学生独立解决实际问题、探索创新能力。1实验目的(1)掌握自由基聚合反应的实验步骤;(2)学习掌握红外光谱、紫外吸收光谱、荧光光谱在结构表征和光学性质研究中的应用;(3)掌握化学软件 Chemdraw 和 Origin 的使用方法。2药品与仪器实验药品:2 噻吩甲酰基三氟丙酮(TTA)、邻菲罗啉(phen)、氧 化 铕(Eu2O3)、氧 化 铒(Er2O3)、过 氧 化 苯 甲 酰(BPO)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)均购自阿拉丁试剂有限公司;其他常规试剂(盐酸、乙醇、三乙胺等)均购自国药集团化学试剂有限公司。实验仪器:SPECTUM2000FT 型红外光谱仪(KBr 压片法，分辨率为 05 cm1，测量范围 4004 000 cm1);UVmini1240型紫外可见分光光度计(测量范围 200800 cm1)Hitachi F3010 型荧光光度计(激发波长 340 nm);恒温加热磁力搅拌器;循环水式多用真空泵;电热恒温鼓风干燥箱。3实验步骤31探针分子的制备将 Eu2O3和 Er2O3分别溶于一定量的 37%盐酸中，蒸发结晶获得稀土氯化物 EuCl36H2O 和 YCl36H2O。按 n(Eu3+)73宋亚娇，等:温敏漆的制备综合性实验设计DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.010山东化工 n(Er3+)n(TTA)n(phen)=05 05 3 1 称取一定量的 EuCl36H2O、ErCl36H2O、TTA 和 phen。将称量好的EuCl36H2O、ErCl36H2O 和 TTA 置于 30 mL 乙醇溶液中，待完全溶解后加入 phen，利用三乙胺将上述溶液 pH 值调至弱碱性，产生粉色沉淀。待沉淀完全，经抽滤、洗涤、干燥获得 Er05Eu05(TTA)3phen 探针分子。32温敏漆的制备将适量 Er05Eu05(TTA)3phen 探针分子、少量过氧化苯甲酰置于 30 mL MMA 中，60 水浴加热至溶液黏稠。将溶液取出灌模成型，80 恒温 4 h 即获得温敏漆 Er05Eu05(TTA)3phen/PMMA。此外，利用上述方法制备了 Eu(TTA)3phen 探针分子和 Eu(TTA)3phen/PMMA 温敏漆。4结果讨论41探针分子的结构分析本实验利用红外光谱对探针分子的结构进行了表征，如图1 所示。图 1红外光谱由配体 phen 红外谱图可知，在 1 550 cm1(C=N 伸缩振动吸收峰)、852 和 716 cm1(CH 面外弯曲振动吸收峰)处 phen具有 明 显 特 征 峰12。由 配 体 TTA 红 外 谱 图 可 知，在1 661 cm1(不对称羰基伸缩振动峰)、1 576 cm1(不对称 C=C伸缩振动峰)和 735 cm1(对称 CC 伸缩振动峰)处 TTA 具有明显特征峰2;当稀土离子 Er3+和 Eu3+与配体 TTA 和 phen 配位后，探针分子在 631 cm1出现 Eu(Er)O 伸缩振动峰，说明TTA 与稀土离子配位成键。phen 在 1 550 cm1的特征吸收峰蓝移至1 581 cm1，在 852 和 716 cm1处的特征峰蓝移至 862 和735 cm1，说明 phen 与稀土离子配位成键。对比Eu(TTA)3phen和 Er05Eu05(TTA)3phen 红外谱图可知，二者谱图相似，个别特征峰有微小位移，说明稀土 Er3+的掺杂并未生成新的配位结构3。根据红外光谱结果推测 Er05Eu05(TTA)3phen 探针分子结构如图 2 所示。图 2Er05Eu05(TTA)3phen 探针分子结构42探针分子和温敏漆的光学性质本实验以乙醇为溶剂，在 200800 nm 范围内测试了探针分子 Er05Eu05(TTA)3phen 和自由配体 TTA、phen 的紫外可见吸收光谱。由图 3 可知，探针分子 Er05Eu05(TTA)3phen 最佳吸收波段为 230340 nm，对应于配体的*跃迁吸收。因此可确定温敏漆合适的激发波长区段在 230340 nm。图 3探针分子和配体的紫外可见吸收光谱不同温度下温敏漆 Er05Eu05(TTA)3phen/PMMA 和 Eu(TTA)3phen/PMMA 的荧光发射光谱如图 4 所示。由图 4a 和图 4b 可 见，20 70 温 度 范 围 内，温 敏 漆 Er05Eu05(TTA)3phen/PMMA 和 Eu(TTA)3phen/PMMA 的荧光发射强度不同，但其峰位基本一致，均在614 nm 处具有最强荧光发射，在580 和 590 nm 处具有较弱荧光发射。由量子力学理论可知，探针分子位于 614 nm 的荧光发射来自 Eu3+的5D07F2能级跃迁，即电偶极跃迁;而 580 nm 处的较弱发射来自 Eu3+的5D07F0能级跃迁;591 nm 处的荧光发射则是来自 Eu3+的5D07F1能级跃迁，即 磁 偶 极 跃 迁46。此 外，相 同 温 度 下 Er05Eu05(TTA)3phen/PMMA 温 敏 漆 最 强 荧 光 发 射 峰 强 度 均 高 于Eu(TTA)3phen/PMMA最强荧光发射峰强度，说明稀土 Er3+的掺入对 Eu(TTA)3phen/PMMA 温敏漆发光具有增益作用。(a)Er05Eu05(TTA)3phen/PMMA;(b)Eu(TTA)3phen/PMMA图 4不同温度下温敏漆荧光光谱83SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷第 3 期43温敏漆的荧光猝灭原理分析由图 4a 和图 4b 可知，温敏漆 Er05Eu05(TTA)3phen/PMMA和 Eu(TTA)3phen/PMMA 最强荧光发射峰强度随着温度的升高逐渐 减 弱，说 明 在 20 70 范 围 内，温 敏 漆 Er05Eu05(TTA)3phen/PMMA 和 Eu(TTA)3phen/PMMA 具有温度猝灭性。温敏漆的荧光猝灭原理如下6:一定激发波长的激发光照射下，探针分子吸收能量与其他粒子发