CN111286033A - 一种接枝聚硅烷类闪烁体及其制备方法 - Google Patents
一种接枝聚硅烷类闪烁体及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种接枝聚硅烷类闪烁体及其制备方法,属于先进核技术应用及环境保护技术领域。通过以聚甲基硅烷(PMS)和含闪烁基团的试剂为原料,将含有闪烁基团的反应物接枝到聚甲基硅烷(PMS)分子链上,制备的聚硅烷类闪烁体兼具有机晶体闪烁体和塑料闪烁体的优势,在高温、辐射条件下的具有较强的抗降解能力,环境适应性更强。
Description
技术领域
本发明涉及一种接枝聚硅烷类闪烁体及其制备方法,属于先进核技术应用及环境保护研究领域。
背景技术
氚作为氢的放射性同位素,主要来源于重水反应堆、聚变堆、氚工艺研究设施、燃料后处理厂等核设施,其最重要的用途是与氘进行聚变反应,另外在生命科学等许多研究工作中,氚标记化合物则是必不可少的研究工具。然而,由于氚具有放射性,且非常容易被有机体吸收,如果泄漏到环境中将会对人体的健康造成伤害,因此氚的环境监测越来越受到重视。生产、操作、存储氚的工厂以及实验场所的仪器、地板、墙壁和工作服等表面都需要对氚污染进行监测。
氚主要进行β衰变,可以通过检测衰变电子来检测氚的含量。目前,氚测量仪主要由计数器、放大器、信号获取模块、主模块以及外围设备等部分组成。计数器探测由氚放射出的β射线,转化成电信号经过放大器放大,经主模块计数、存储、处理后得到氚的含量。计数器的检测能力和灵敏度都取决于其中的闪烁体性能。闪烁体是一类吸收高能粒子或射线后能够发光的材料,在辐射探测领域发挥着十分重要的作用。由于氚发射的衰变电子平均能量仅为5.7keV同时半衰期为12.43年,单位衰变电子数目也较低,因此直接测氚需要灵敏度高的无窗或薄窗计数器,这要求其中的闪烁体具有激发能量低、能谱范围宽、发光效率高、并且稳定性高,易于加工成各种形状。
目前得到广泛应用的聚苯乙烯和甲基聚苯乙烯作为基质的塑料闪烁体,耐辐照性能好,同时透明度高,光传输性能好,机械强度高,但也存在着耐用性和环境适应性的问题。如:热氧化过程产生的过氧化物会吸收闪烁体发出的光;由于化学应力导致的机械降解产生裂纹,从而破坏光传输性质;闪烁体分子量降低会导致表面和内部缺陷,出现发黄、暗淡以及开裂等。因此,急需开发一种新的高分子闪烁体体系,在具有较高的发光效率的前提下,能够提高在高温、辐射条件下的抗降解能力,具有更强的环境适应性。
发明内容
鉴于上述的分析,本发明旨在提供一种接枝聚硅烷类闪烁体及其制备方法,用于解决现有塑料闪烁体耐用性和环境适用性差的技术问题。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现:
第一方面,本发明公开了一种接枝聚硅烷类闪烁体,所述闪烁体的化学结构式用式Ⅰ表示:
其中,L1的接枝取代率x为0~0.8,L2的接枝取代率y为0~0.16,聚合度n为18~23。
第一闪烁基团L1的母体为2~3个以单键相连的恶唑环或苯环,
第二闪烁基团L2的母体为4~5个以单键相连的恶唑环或苯环。
进一步地,接枝硅烷类闪烁体的主链由Si-Si单键相连构成,每一个链节上带有一个甲基(-CH3)和一个氢(-H);接枝聚硅烷闪烁体上的一部分氢(-H)能够被第一闪烁体基团L1和/或第二闪烁基团L2接枝取代。
所述第一闪烁基团L1的母体与Si-Si主链直接连接或者通过-O-、羰基、-CH2-CH2-与Si-Si主链相连;所述第二闪烁体L2的母体与Si-Si主链直接连接或者通过-O-、羰基、-CH2-CH2-与Si-Si主链相连。
中的一种或几种;
第二方面,本发明提供一种制备第一方面所述闪烁体的方法,包括以下步骤:
S1、将原料聚甲基硅烷(PMS)和含有闪烁基团的试剂进行干燥处理;
S2、将含有闪烁基团的反应物通过Si-H亲核取代反应或加成反应接枝到聚甲基硅烷(PMS)分子链上;
S3、产物纯化过程采用2~5次溶剂沉降-溶解法。
进一步地,所述闪烁基团L1和L2的母体与Si-Si主链直接连接的化学结构采用相应的格氏试剂与Si-H的亲核取代反应得到;
所述闪烁基团L1和L2的母体与Si-Si主链通过羰基连接的结构采用相应的酰氯与Si-H进行亲核取代得到;
所述闪烁基团L1和L2的母体与Si-Si主链通过氧原子相连的结构采用氯铂酸催化下-OH与Si-H的亲核取代反应得到;
所述闪烁基团L1和L2的母体与Si-Si主链通过乙撑基-CH2-CH2-相连的结构采用乙烯基的硅氢加成反应得到。
进一步地,所述S3步骤中,产物纯化过程采用多次溶剂溶解-沉降法,先将粗产物完全溶于溶解剂中,再将沉降剂加入所述含有粗产物的溶解剂溶液中,得到纯化的沉淀产物;
将沉淀产物经过无水乙醇洗涤后,进行多次溶解-沉降-洗涤过程,获得纯化的接枝聚硅烷。
优选地,所述溶解剂为非极性溶剂,包括正己烷、甲苯或四氢呋喃中的一种或几种。
优选地,所述沉降剂为强极性溶剂,包括甲醇、二甲亚砜或乙腈中的一种或几种。
有益效果
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)聚硅烷的主链完全由Si-Si组成,Si原子之间以σ键连接。由于Si原子半径大,存在空的3d轨道,因此当主链电子受到激发时很容易跃迁至3d轨道,其上电子能够沿着分子的Si-Si主链广泛离域,从而获得类似于大π共轭效应的σ共轭效应,具有独特的光学和电学特性,可作为新型的有机闪烁体。首先,聚硅烷有优于有机晶体闪烁体的发光机制,Si-Si键σ→σ*的能级差略大于π→π*的能级差,氚衰变释放出的β射线平均能量是π→π*跃迁能量的1.5~4.5倍,因此σ→σ*跃迁的电子能级差更加匹配,另外聚硅烷材料发光弛豫时间短,基本不产生磷光,有利于光量子的计数。其次,聚硅烷有类似于塑料闪烁体的优异机械和加工性能。聚硅烷为线性长链聚合物,具有出色的柔性和延展性,某些聚硅烷还具有良好的溶解性和成膜性,加工性能优越。除此之外,聚硅烷耐酸耐碱耐腐蚀抗氧化性能出色,不含活性基团的聚硅烷化学稳定性好,耐高温和辐射,一般的聚硅烷在400℃才会分解,因此聚硅烷可以做成多种形状和体积的材料,也适用于多种应用场合和条件。改性聚硅烷作为闪烁体材料,可以为将来聚变示范堆和商业堆的运行提供有效的氚检测技术支持。
(2)本发明采用改性聚硅烷作为闪烁体材料,利用高分子链的离域特性使材料发光波段可调,简化了液体闪烁体和普通聚苯乙烯基塑料闪烁体多组分(第一闪烁体、第二闪烁体)的固有状态,通过调整Si-Si主链上取代基种类与数目,改变闪烁体的禁带宽度,使之与氚β衰变能谱相适应,提高发光效率。
本发明中,上述各技术方案之间还可以相互组合,以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分优点可从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例1提供的接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的1H-NMR谱图;
图2为实施例1提供的接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的紫外吸收光谱图;
图3为实施例1提供的接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的红外光谱变化;
图4为实施例1提供的接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的Si-H含量随时间变化曲线;
图5为实施例1提供的接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的电子荧光光谱;
图6为实施例2提供的接枝聚硅烷闪烁体POPOP-PMS的1H-NMR谱图;
图7为实施例2提供的接枝聚硅烷闪烁体POPOP-PMS的紫外吸收光谱图;
图8为实施例2提供的接枝聚硅烷闪烁体POPOP-PMS的红外吸收光谱随暴露时间的变化图;
图9为实施例2提供的接枝聚硅烷闪烁体POPOP-PMS的荧光光谱;
图10为实施例2提供的接枝聚硅烷闪烁体薄膜的自然光和荧光对比照片。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例,其中,附图构成本申请一部分,并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理,并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种接枝聚硅烷类闪烁体PPO-PMS,闪烁体的化学结构式用式Ⅰ表示:
接枝聚硅烷类闪烁体PPO-PMS的制备方法,包括以下步骤:
S1、将原料聚甲基硅烷(PMS)和对苯基苯酚进行干燥处理;
S2、将对苯基苯酚通过Si-H亲核取代反应接枝到聚甲基硅烷(PMS)分子链上;
具体地,在无水无氧条件下,将对苯基苯酚与PMS在氯铂酸催化下,四氢呋喃溶剂中-OH与Si-H的亲核取代反应制得PPO-PMS粗产物。
S3、产物纯化过程采用多次溶剂沉降-溶解法,重复该过程3次。
包括以下子步骤:
S31、将粗产物溶于由正己烷和甲苯按体积比1:1组成的混合非极性溶液中;S32、向粗产物的非极性溶液中逐滴加入极性溶剂(即沉降剂)甲醇,使得接枝聚硅烷溶解度降低发生沉降;S33、沉淀经过无水乙醇洗涤后,再次进行溶解-沉降-洗涤过程,最终得到纯化的接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS。
S4、性能检测
对合成出的接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS分别做核磁表征、红外光谱、紫外光谱、荧光光谱、分子量测定以及抗氧化红外分析测试。
(1)接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的核磁表征
接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的1H-NMR谱如图1所示,谱图表明闪烁基团已经成功连接于Si-Si长链上:其中0~0.9ppm归属于Si-CH3的质子峰,3.3~3.6ppm的峰归属于聚硅烷主链上远离闪烁基团的Si-H,而临近闪烁基团的Si-H受共轭吸电效应的影响而向低场移动,因此ArO-Si-H的质子峰出现在4.8ppm处,7.4~8.0ppm的出峰为联苯环上的质子峰。
(2)接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的紫外吸收光谱
PPO-PMS的紫外吸收光谱如图2所示,由图中可以看出,紫外吸收光谱出现了两个峰,其中220nm附近为电子的σ-σ*的跃迁造成的吸收峰,代表着Si-Si主链共轭的紫外吸收,高波段的出峰在260nm附近,是电子的π-σ*(π-σ*)跃迁造成的吸收峰,代表着侧基与主链共轭的紫外吸收。
(3)接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的红外光谱变化及Si-H含量-时间情况
闪烁体抗氧化性采用红外光谱随着空气中暴露时间的变化量进行评价。图3为PPO-PMS放置在空气气氛中42h的红外光谱,可以观察到Si-H键在0h时2160cm-1和2100cm-1处还有明显的裂分峰,分别对应与对苯基苯氧取代基近邻的Si-H(2160cm-1)以及远离该大体积取代基的Si-H(2100cm-1)。选择变化较大的2100cm-1峰进行比较,以谱图中1250cm-1处代表Si-CH3的出峰高度为基准峰,对谱图进行归一化处理后,定义0h时谱图中2100cm-1峰高值为100%,得到PPO-PMS中Si-H含量随氧化时间的变化关系曲线,如图4所示。从图4中可以看出,PPO-PMS的(Si-H)%变化幅度大约是20%,说明PPO-PMS由于侧基空间位阻效应更加明显,表现出较高的对Si-H键的保护能力,具有较强的抗氧化能力。
(4)接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS的电子荧光光谱
取纯化后的接枝聚硅烷闪烁体PPO-PMS溶解于四氢呋喃中,采用旋涂法在玻璃基体上制备聚合物薄膜,测试溶解性和成膜性。采用平均动能为5.7KeV电子辐照来模拟β衰变实际环境,来评价材料的荧光强度和效率。
PPO-PMS闪烁体的电子荧光光谱如图5所示。与现有常规液闪相比,PPO-PMS有明显红移和提高近3个数量级的荧光发射强度,荧光效率>90%。有利于吸收氚衰变产生的5.7keV的电子能量,并高效的转化为荧光光子,提高闪烁计数器的灵敏度。
实施例2
一种接枝聚硅烷类闪烁体POPOP-PMS,POPOP闪烁基团与Si-Si主链直接连接,闪烁体的化学结构式用式I表示:
S1、原料准备
以聚甲基硅烷(PMS)和1-(5-苯基-2-恶唑基)-4-(5-(4-溴苯基)-2-恶唑基)苯为原料;PMS的干燥在甲苯溶剂中采用钠回流法;溶剂无水四氢呋喃采用钠回流法制备;合成试剂和其它用到的溶剂采用分子筛干燥,残留水分<20ppm。
S2、接枝反应
闪烁基团与Si-Si主链直接连接的化学结构采用相应的格氏试剂与Si-H的亲核取代反应得到。具体的,在无水无氧条件下,在四氢呋喃介质中1-(5-苯基-2-恶唑基)-4-(5-(4-溴苯基)-2-恶唑基)苯与镁粉生成格氏试剂,与Si-H发生亲核取代反应,合成反应方程式如式Ⅲ所示。
S3、样品纯化
产物纯化过程采用多次溶剂沉降-溶解法,重复该过程3次。
包括以下子步骤:
S31、将粗产物溶于非极性溶剂中正己烷中;S32、向粗产物的非极性溶液中加入极性溶剂乙腈,使得接枝聚硅烷溶解度降低发生沉降;S33、沉淀经过无水乙醇洗涤后,再次进行溶解-沉降-洗涤过程,最终得到纯化的接枝聚硅烷POPOP-PMS。
S4、性能检测
对合成的材料分别做核磁表征、红外光谱、紫外光谱、荧光光谱、分子量测定以及抗氧化红外分析测试。以下是对接枝聚硅烷闪烁体POPOP-PMS的性能检测情况:
(1)接枝聚硅烷闪烁体POPOP-PMS的核磁表征
POPOP-PMS的核磁谱如图6所示,该谱图表明POPOP基团已经成功接入Si-Si主链:其中0~0.7ppm区间内主链最具有代表性的Si-CH3的质子峰一一对应,设定几种产物的谱图中Si-CH3质子峰的峰面积为1,并作归一化处理。由于受到闪烁侧基共轭效应的影响,Si-H的位置发生了偏移,在4.6ppm处出现了归属于剩余Si-H的峰。7.8~8.8ppm处出现了三处对应着闪烁侧基上苯环和恶唑环上的质子峰的出峰。
(2)接枝聚硅烷闪烁体POPOP-PMS的紫外吸收
POPOP-PMS闪烁体的紫外吸收光谱如图7所示,由图7可以看出,POPOP-PMS在260和360nm有两处吸收峰,分别归属于电子在Si-Si主链的σ-σ*跃迁和POPOP闪烁基团的π-π*跃迁,中间250~360nm处的峰体现电子的n-σ*或者π-σ*的跃迁,反映出硅主链和闪烁侧基互相影响。
(3)接枝聚硅烷闪烁体POPOP-PMS的红外吸收
POPOP-PMS闪烁体的红外吸收光谱随暴露时间的变化如图8所示,POPOP-PMS闪烁体抗氧化性采用红外光谱随着空气中暴露时间的变化量进行评价;图8中2100~2200cm-1处对应的Si-H出峰强度越大,表明产物中Si-H键的含量越高,图8中0~42h的谱图中Si-H出峰的高度都不变,Si-H含量不会随着在空气中暴露时间的增加而减少,说明POPOP-PMS在空气中的抗氧化性强,稳定性高。
(4)接枝聚硅烷闪烁体POPOP-PMS的荧光光谱与荧光照片
在平均动能为5.7keV电子辐照来模拟β衰变实际环境,来评价材料的荧光光谱和效率,POPOP接枝聚硅烷闪烁体最大荧光发射波长为400~470nm,荧光效率0.93,位于可见光区段,如图9所示。采用旋涂法在玻璃基体上制备出聚合物薄膜,溶解性和成膜性良好,在电子辐照下显示出明亮的荧光,如图10所示。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
2.如权利要求1所述的闪烁体,其特征在于,所述第一闪烁基团L1的母体与Si-Si主链直接连接或者通过-O-、羰基、-CH2-CH2-与Si-Si主链相连;所述第二闪烁体L2的母体与Si-Si主链直接连接或者通过-O-、羰基、-CH2-CH2-与Si-Si主链相连。
4.如权利要求3所述的闪烁体,其特征在于,
6.一种制备权利要求1-5任一所述闪烁体的方法,包括以下步骤:
S1、将原料聚甲基硅烷(PMS)和含有闪烁基团的试剂进行干燥处理;
S2、将含有闪烁基团的反应物通过Si-H亲核取代反应或加成反应接枝到聚甲基硅烷(PMS)分子链上;
S3、产物纯化过程采用2~5次溶剂沉降-溶解法。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,
所述闪烁基团L1和L2的母体与Si-Si主链直接连接的化学结构采用相应的格氏试剂与Si-H的亲核取代反应得到;
所述闪烁基团L1和L2的母体与Si-Si主链通过羰基连接的结构采用相应的酰氯与Si-H进行亲核取代得到;
所述闪烁基团L1和L2的母体与Si-Si主链通过氧原子相连的结构采用氯铂酸催化下-OH与Si-H的亲核取代反应得到;
所述闪烁基团L1和L2的母体与Si-Si主链通过乙撑基-CH2-CH2-相连的结构采用乙烯基的硅氢加成反应得到。
9.如权利要求6-8任一所述的方法,其特征在于,
所述S3步骤中,产物纯化过程采用多次溶剂溶解-沉降法,先将粗产物完全溶于溶解剂中,再将沉降剂加入所述含有粗产物的溶解剂溶液中,得到纯化的沉淀产物;
将沉淀产物经过无水乙醇洗涤后,进行多次溶解-沉降-洗涤过程,获得纯化的接枝聚硅烷;
优选地,所述溶解剂为非极性溶剂,包括正己烷、甲苯或四氢呋喃中的一种或几种;
优选地,所述沉降剂为强极性溶剂,包括甲醇、二甲亚砜或乙腈中的一种或几种。
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