有機-無機復合材料中無機相分散度三維熒光分析

田銳，王沛力，呂超，段雪

（北京化工大學化學學院，化工資源有效利用國家重點實驗室，北京100029）

引 言

有機-無機復合材料廣泛應用于電子電器、建筑工程、交通運輸、日用及農用材料等多個行業和領域，在國民經濟中占有重要比重[1-3]。將無機相添加到有機基質中，一方面能夠有效提高有機基質的力學性能，另一方面通過無機相自身特性賦予有機基質新的功能[4-5]。以無機層狀材料水滑石(LDHs)為例，其具有二維有序結構、豐富可調的層板組成及可交換層間客體[6-9]，因而廣泛應用于光電、吸附、催化等領域[10-12]。將LDHs添加到有機基質如聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、瀝青等中，不僅提高了材料穩定性[13-15]、延長了材料使用壽命，構筑的復合材料在紫外屏蔽、氣體阻隔、阻燃抑煙等方面表現出優異的特性[16-17]，廣泛應用于公路道路、農膜、汽車輪胎配飾等諸多方面[18-21]。

在構筑有機-無機復合材料過程中，無機相填料的表面性質、加工技術及工藝流程決定了有機-無機復合材料中無機相的分散度[22-25]，而分散度的優劣直接影響復合材料性能及產品質量[26-27]。因此，對復合材料中無機相分散度的科學有效評價是構筑先進復合材料的關鍵和基礎。

本文首先介紹了有機-無機復合材料評價研究進展。傳統方法對復合材料中無機相分散度的評價多基于電子顯微鏡，存在制樣復雜、破壞樣品等問題。為解決這些問題，本文綜述了熒光三維成像分析對有機-無機復合材料中無機相分散度評價新方法。該方法通過對無機相特異性熒光靶向、染色及三維成像，實現了對復合材料中無機相分散度三維、介觀尺度、無損、可視化分析。建立的熒光評價方法可以實現對無機相分散度的定性定量分析，進而建立無機相分散度和復合材料宏觀性能的相關關系，為高性能復合材料的設計及構筑提供理論支持。

1 有機-無機復合材料研究現狀

為了評價有機-無機復合材料中無機相分散度，目前常用的表征方法主要以透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)為主[28-31]。SEM和TEM的成像范圍為幾納米到幾微米，能夠準確觀察材料自身形貌、提供材料晶格等精細結構信息，為無機相材料在微觀尺度的研究提供了重要支撐[32-33]。然而，將SEM、TEM應用于對有機-無機復合材料中無機相分散度評價工作中，由于其電子束穿透深度有限，僅能對淺層樣品進行分析。雖然通過對樣品層切預處理可以觀察到樣品內部某平面上的分散情況，但該方法需將復合材料成品切成特定厚度、均一的薄片進行成像觀察，對樣品具有破壞性且切片過程需要精細準確的技術，具有一定的操作難度。由于成像結果直接受到切片技術和選取范圍的影響，難以實現復合材料連續、完整的分散度評價，影響了對復合材料中無機相的準確評價[34]。因此，科學、完整地評價無機相在有機基質中的分散狀態成為行業研究領域的重點關注問題。

另外，對復合材料構效關系的研究是構筑性能優異可控的有機-無機復合材料的關鍵[35]。目前材料宏觀性能評價可通過力學、電學、光學等測試提供，在微觀形態上可以通過電子顯微鏡進行表征[36]。而由于缺乏對復合材料在介觀尺度上的表征，使得研究者們無法有效關聯并分析微觀結構和宏觀性能的關系，使得樣品評價仍然存在一定的偏差。因此，亟須發展一種在介觀尺度上對復合材料中無機相分散度的評價方法，建立材料構效關系，從而為優化材料構筑工藝以及構筑高性能復合材料提供關鍵信息。

2 無機相分散度熒光評價方法

近年來，熒光顯微成像技術因其具有高靈敏度、高空間分辨率以及實時監測能力在生物成像、示蹤、藥物傳輸及治療等領域表現出優異的應用效果[37-40]。其中，激光共聚焦熒光顯微鏡在二維平面的成像范圍為數十到數百平方微米，最大達到1平方毫米，分辨率達200納米[41-43]。其激光束成像穿透深度達到上百微米，能夠對樣品在三維空間內進行光學層切，并通過圖像重構實現樣品三維成像觀察[44-45]。

利用共聚焦熒光顯微技術，建立有機-無機復合材料中無機相分散度可視化分析方法(圖1)，能夠有效實現對無機相分散度在三維、介觀尺度的無損可視化分析。該方法采用熒光靶向染色技術，針對不同表面狀態的無機相以及不同應用場合，以前染、后染方式通過靜電作用、共價鍵連接實現對無機相的特異性染色。對有機-無機復合材料中的無機相進行三維成像，能夠準確分析無機相的形貌、聚集態以及分散情況，并對無機相分散均勻性、表面-內部差異以及粒子空間間距進行定量分析，建立無機相分散度和復合材料宏觀性能的相關關系。該方法不僅適用于復合材料制備工藝篩選，同時可用于成品材料的無損檢測，為材料結構評價、構效關系研究以及制備工藝優化提供重要信息。

圖1 有機-無機復合材料中無機相分散度熒光評價方法Fig.1 The fluorescent evaluation on the dispersion state for inorganic filler in organic-inorganic composites

3 無機相熒光靶向成像及定性分析

常用的無機相如水滑石(LDHs)、蒙脫土(MMT)、二氧化硅、氫氧化鋁等多為不發光的固體粉末[46-47]，而為實現熒光共聚焦成像，首先需要無機相呈現穩定高效的熒光發射。針對無機相表面荷電特性，選擇帶有相反電荷的熒光分子通過靜電作用染色帶電無機相、選擇共價鍵連接方式對電中性無機相進行修飾。針對不同適用場景，分別采用前染、后染方法對復合材料中無機相進行染色，從而實現了在三維空間對有機-無機復合材料中無機相的染色、定位以及成像分析。

3.1 無機相前染修飾

無機相前染修飾，即對無機相先進行修飾染色，然后將具有固態熒光發射性能的無機相分散到有機基質中構筑復合材料，并進行三維成像分析。本部分將對帶正電、負電以及電中性無機相的修飾過程分別進行介紹。

3.1.1 荷電無機相 常用的LDHs、MMT等無機相表面分別帶有正、負電荷，可以選擇帶有相反電荷的熒光分子，通過靜電作用對無機相進行熒光染色修飾。

Guan等[48-50]設計合成了帶正電的四苯乙烯-十二烷基三甲基溴化銨(TPE-DTAB)，該分子在固態表現出優異的熒光發射性能。將TPE-DTAB與帶負電的層狀填料蒙脫土(MMT)充分反應并對獲得的復合材料進行表征。X射線衍射以及紅外吸收結果顯示TPE-DTAB成功修飾到MMT表面,熒光光譜分析表明未經修飾的MMT沒有熒光，而修飾后的MMT在固態顯示出TPE-DTAB的強熒光特性，成功實現對無機相MMT熒光染色(圖2)[51]。

圖2 TPE-DTAB修飾的MMT的結構及發光性能表征[51]Fig.2 Structural and fluorescent characterizations of TPE-DTAB-modified MMT[51]

將具有熒光的MMT分散到聚氯乙烯(PVC)中構筑MMT-PVC復合材料，并對MMT在復合材料中的分散情況進行觀察。采用傳統TEM切片成像方法，僅能提供幾個微米范圍無機相的分散情況[圖3(a)]。熒光成像技術能夠在二維x-y平面600μm×600 μm的范圍中清楚地展示代表MMT的熒光顆粒在聚合物基質中的分散情況，并觀察到了不同尺寸的MMT聚集體[圖3(b)]。另外，通過在z軸不同焦平面采集圖像并重構，可在不同深度上展示無機相的分散度及聚集狀態，得到MMT顆粒在PVC基質中的三維分散情況[圖3(c)]。因此，建立的熒光成像方法因其在三維空間、介觀尺度成像的優勢，獲得完整可靠的可視化結果，清晰地觀測到無機相不同的聚集狀態及分布情況。

圖3 有機-無機復合材料中帶電無機相前染修飾及成像[51]Fig.3 Pre-labelling of charged inorganic nanofiller and imaging of organic-inorganic composites[51]

針對正電性無機相水滑石(LDHs)，可以合成帶有負電的四苯乙烯-十二烷基磺酸鈉(TPE-SDS)，并以TPE-SDS修飾LDHs，將修飾后的熒光LDHs通過共混熱壓分散到聚合物PVC中。采用熒光成像方法，可在介觀尺度、三維空間有效觀察到有機-無機復合材料中的LDHs的聚集狀態及分散性，為LDHs基復合材料評價提供基礎。

3.1.2 電中性無機相 電中性無機相(如二氧化硅等)在有機-無機復合材料中具有廣泛應用[52-54]。為了實現對電中性無機相的前染修飾，Feng等[55]首先對二氧化硅表面進行活化，并進行氨基化。通過表面氨基和異硫氰基的作用，成功將異硫氰基熒光素分子修飾在二氧化硅表面。修飾后的二氧化硅在固態表現出明顯的綠色熒光。將修飾后的二氧化硅分散到硅橡膠中，通過共聚焦成像，得到了二氧化硅在硅橡膠中的三維分散情況(圖4)，成功實現了對電中性無機相在復合材料中的分散度評價。另外，可以通過軟件處理對獲得的三維圖像在不同深度及x-y平面進行橫切和剖析，得到在不同(x,y,z)位置的無機相分散情況；將此光學切片圖與傳統物理切片獲得的局部SEM分散度圖片進行比較，發現兩種方法獲得的分散度評價結果基本一致，表明此方法的準確性。

圖4 有機-無機復合材料中電中性無機相前染修飾及三維成像[55]Fig.4 Pre-labelling of neutral inorganic nanofiller and imaging of organic-inorganic composites[55]

3.2 無機相后染定位

在實際生產生活中，往往需要對復合材料成品進行現場、無損分析，以滿足對材料無機相分散度的快速、在線評價。這就要求發展一種針對成品復合材料的熒光染色及成像分析方法。

分子識別定位技術主要基于探針分子和目標分子之間的官能團特異性匹配，實現對目標分子的靶向識別[56-57]，在生物診斷、治療以及藥物定向傳輸中已有成熟的應用[58-60]。此方法為進行聚合物基質中的無機相定位提供了思路。

Tian等[61]設計開發了一種對復合材料成品中無機相的后染識別、定位技術。該方法根據無機相表面特性(帶電性、特殊官能團)，選擇特異性識別無機相的熒光分子。由于聚合物具有疏松結構，能夠使熒光小分子擴散進入內部，特異性靶向無機相表面基團使無機相發光，從而通過熒光信號定位成品復合材料中的無機相，并觀察其分散度。以常用無機填料水滑石、蒙脫土為例，其表面具有豐富的羥基基團[62-63]。由于硼酸基團與羥基基團可以反應生成B—O共價鍵[64]，該工作選擇雙硼酸修飾的四苯乙烯(TPEDB)作為熒光探針分子。如圖5所示，隨著體系中LDHs含量的增多，TPEDB熒光發射強度逐漸增強，這是由于TPEDB被固定在LDHs層板上，因非輻射躍遷被限制而表現出增強的熒光。由此，TPEDB分子的熒光發射變化可指示LDHs的含量以及表面羥基數量，可以作為LDHs的特異性靶向染色試劑。

圖5 TPEDB分子在不同LDHs含量下的熒光發射變化[61]Fig.5 Fluorescent performance variationsof TPEDBin the presence of LDHs[61]

對聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等聚合物材料，由于聚合物材料自身結構以及制膜過程的影響，會存在微納米級別孔洞，使納米尺度熒光小分子滲透進入復合材料，實現對無機相的染色和定位。將無機相按照一定比例加入有機相如PP、PE中并熱壓成型，將成品復合材料浸泡于TPEDB溶液中，由于TPEDB分子尺寸小于2 nm，可以浸入復合材料，并靶向識別無機相LDHs。從共聚焦熒光顯微鏡熒光成像圖中可以明顯觀察到未添加無機相LDHs的聚合物基質在熒光分子溶液中浸泡處理后并無熒光，而復合材料中由于具有含羥基的無機相LDHs而顯示出青色塊狀熒光，證明了TPEDB對無機相的選擇性標記染色。為了證明此方法的準確性，先對LDHs用紅色熒光量子點(熒光發射為620 nm)前染修飾；在構筑復合材料之后，再以青色熒光TPEDB分子(熒光發射為460 nm)后染復合材料中LDHs。通過共聚焦熒光顯微鏡雙通道分別采集兩種熒光分子的成像圖。如圖6所示，復合材料中的無機相同時顯示出強烈的紅色和青色熒光，且紅色和青色色塊重合良好，即兩種方法染色效果一致，證明后染方法的可行性及準確性。

圖6 有機-無機復合材料中電中性無機相后染定位及三維成像分析[61]Fig.6 Post-labelling of inorganic nanofiller and imaging of organic-inorganic composites[61]

該方法僅在對成品材料評價時引入熒光分子，保持了復合材料原有狀態，能夠真實反映無機相分散情況。目前已完成對以LDHs、MMT為無機相，PE、PP為有機相的復合材料中的無機相定位成像，均獲得可靠的結果。該方法操作簡單、結果準確，實現了快速、無損、現場分析，為復合材料的生產工藝指導和產品質量篩選提供了有力依據。

4 無機相分散度熒光定量評價

無機相分散度的定量分析是準確評價材料結構、研究復合材料構效關系的基礎[65-67]。傳統方法研究主要依靠樣品在二維平面的投影進行定量計算[68-70]。為了彌補在三維空間對材料評價的缺失，研究者通過理論建模計算對無機相分散度進行定量評價，但此方法基于理想條件下的假設，無法評價材料真實分散度[71-72]。為了解決這些問題，本文將介紹基于熒光成像三維可視化方法對無機相分散度的定量評價，通過均勻性判定、表面-體相分布規律研究以及粒子空間間距計算評價無機相分散情況，并建立無機相分散度和復合材料宏觀性能相關關系。

4.1 無機相均勻性概率分析

Zhong等[73]通過對無機相熒光染色及共聚焦熒光成像，成功獲取無機相顆粒的三維空間信息，發展了無機相分散均勻性概率分析。首先，對三維空間內無機相粒子的體積及復合材料總體積進行計算，發現無機相占有總掃描范圍的含量與投料比一致，證明了三維定量數據提取的準確性。此方法以質心點代替無機相粒子對成像體系進行定量研究，并通過統計學概率進行量化分析(圖7)。利用皮爾遜卡方檢驗評價各無機相質心點分布與理想情況下完全均勻分布時的偏差，通過Matlab求得樣本在不同置信水平下的檢驗統計量χ2。χ2值越小代表無機相在復合材料中的分布越均勻，當χ2無限趨近于零時認為無機相分散絕對均勻。通過χ2數值的計算，可以確定無機相分散度的不同等級，并對不同材料的分散度進行比較和評價。該方法得到的分散度評價結果與復合材料宏觀性能變化趨勢一致，有效解釋了無機相分散度對復合材料宏觀性能的影響機制。

圖7 有機-無機復合材料中無機相分散度均勻性概率分析[73]Fig.7 Probability calculation of the uniformity in organic-inorganic composites[73]

4.2 表面-體相分布變化規律

三維熒光成像的優勢在于能夠在不同深度采集圖像，從而實現對復合材料從表面到體相內部不同深度時分散度的準確分析。Zhang等[74]的工作中首先采用后染方法對LDHs-PE復合材料中的無機相進行識別、染色和成像，并每隔5μm對不同深度二維平面的無機相成像圖進行定量分析。以LDHs添加量為2.0%(質量)的復合材料為例，熒光成像像素值顯示：樣品表面難以觀察到無機相，直到樣品深度達到5μm才出現無機相。隨著深度繼續增加，無機相數量快速增長，至25μm后基本達到平衡；深度繼續增加時，無機相數量基本穩定不變(圖8)。對于不同無機相添加量[0.2%～2.0%(質量)]的復合材料，均呈現“出現-緩慢增長-快速增長-穩定”的規律。此研究證明復合材料中無機相分散狀態在表面和體相中差別大，因此，需要對復合材料進行三維空間的系統研究，才能完整、客觀地評價材料的分散度。

圖8 有機-無機復合材料中無機相分散度表面-體相分布規律定量分析[74]Fig.8 The quantitative evaluation of the inorganic nanofiller dispersion fromsurface to inner part in theorganic-inorganic composites[74]

4.3 無機相空間粒子間距計算

無機相納米粒子距離是評價有機-無機復合材料分散度的重要參數，通過無機相粒子距離可以解釋復合材料性能的變化原因[75-76]。為解決二維投影不準確的困難，Zhang等[74]提出無機相空間距離計算方法。在三維成像圖中，提取無機相三維空間坐標，采用Matlab計算三維空間中相鄰粒子間距分布情況，并對統計結果進行高斯模擬。結果表明，在LDHs添加量較低[0.2%～0.4%(質量)]時，無機相粒子空間間距變化范圍大、分布隨機，平均空間間距為16.2μm。隨著添加量不斷增加，無機相粒子空間間距變化范圍縮小，分散逐漸趨向均勻，平均空間間距最小達到7.8μm。當LDHs添加量超過1.6%(質量)時，體系中出現大塊聚集，粒子空間間距分布變寬，距離增大至10.5μm[圖9(a)]。這是由于在添加量過多時，體系中的無機相顆粒發生團聚，導致測量的團聚體之間空間間距增大。因此，可以獲得該體系無機相粒子空間間距理想變化情況[圖9(a)，虛線]，并作為復合材料中無機相聚集狀態的判斷標準。

進一步對復合材料的宏觀力學性能進行研究。隨著無機相LDHs添加量增多、粒子間距減小，復合材料力學性能不斷增大，至添加量為1.6%(質量)時力學性能最佳。而當體系中出現聚集后[添加量大于1.8%(質量)]，隨著粒子間距的異常增大，復合材料力學性能下降。通過構筑三維坐標，可直觀觀察到“無機相添加量-粒子空間間距-復合材料力學性能”變化情況[圖9(b)]，從而建立分散度-宏觀性能相關關系。該方法的建立成功實現了對無機相三維分散度的定量評價，為材料構效關系研究、設計和構筑高性能復合材料提供了有力支持和重要參考。

圖9 復合材料中無機相空間距離計算(a)及無機相分散度與宏觀性能關系(b)[74]Fig.9 Evaluation on the spatial interparticle distance of inorganic nanofillers in the composites(a)and the relationship between spatial interparticle distance and tensile strength(b)[74]

5 結論與展望

以上研究工作成功建立了有機-無機復合材料中無機相分散度的三維成像及定性、定量評價方法。目前，建立的評價方法已成功完成對無機相如水滑石、蒙脫土、二氧化硅等材料的有效熒光標記，對有機聚合物基質如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯以及硅橡膠等都具有可靠的研究結果。對該方法的適用范圍在不斷探索和拓展，在實驗設計過程中應充分考慮以下幾個條件：第一，聚合物基質的熒光干擾，例如對于自身帶有藍色熒光的PVC，應選擇波長較長的熒光分子染色無機相，避免聚合物基質的干擾，得到背景干凈、清晰的成像圖；第二，該方法對于透明/半透明樣品具有優良的成像結果，這是因為透明樣品可以減少激光在穿透樣品過程中的衰減，在聚焦過程準確定位無機相，從而獲得三維成像結果；第三，采用后染成像方法時，一方面應該選擇無機相獨有而聚合物沒有的官能團進行無機相靶向識別，另一方面需要研究聚合物材料的結構及致密程度，確保熒光小分子滲入聚合物，準確實現無機相的特異性染色、定位及成像。另外，對熒光染色方法的成本進行考察，由于熒光成像檢測方法靈敏度高、采用的熒光分子性能優異，因此使用的熒光分子溶液濃度小、成本低、可廣泛應用。該方法不僅能實現對復合材料生產工藝的指導，并且適用于對復合材料成品的現場無損分析，結果準確可靠，為生產環節提供了可靠的理論依據，具有較大的應用價值。目前在多家企業實現應用，得到了優良的應用反饋，并已制定相關企業標準及行業標準。

綜上，復合材料結構可視化未來的發展方向如下。

(1)在構筑高性能復合材料時，往往同時添加多種無機相，或選擇共混聚合物等復雜多相體系，對這些體系中多種無機相、有機相的同時、準確分析是進一步認識材料內部結構的基礎。通過選擇對不同無機相特異性靶向的熒光分子，采用共聚焦多通道成像系統，有望實現對不同無機相、有機相分散度、變化情況的定性定量分析，為材料結構設計和性能優化提供基礎。

(2)對于有機-無機復合材料中添加劑的動態遷移過程研究。對于添加劑運動的熱力學、動力學規律進行探索，并采用理論計算和實驗研究相結合的方法，研究不同添加劑在不同復合材料體系中的遷移規律。基于此，有望實現復合材料的性能提升、壽命延長。

因此，開發適用多種體系的可視化研究方法，有望加深對材料內部結構的認識，推進聚合物及有機-無機復合材料的進一步發展和應用拓展。