基于旋涂法制備的智能光致變色膜

馮麗萍，馬世蘋，余佳潔，范恒維

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院動(dòng)力與能源學(xué)院航天學(xué)院，陜西 西安 710129)

0 引言

紫外線的危害、光污染等被人熟知，玻璃幕墻的運(yùn)用更是加劇了光污染，因此遮光產(chǎn)品備受歡迎[1]。然而目前市面上已經(jīng)存在的遮光產(chǎn)品均存在一定程度的缺陷：傳統(tǒng)窗簾材料浪費(fèi)、壽命短、安裝繁雜；玻璃幕墻反射膜造成光污染、治標(biāo)不治本；變色玻璃成本高、安裝繁雜、防紫外線效果不好，市場(chǎng)正期待著擁有創(chuàng)新理念的新型防紫外線遮光產(chǎn)品。筆者開發(fā)的基于旋涂法制備的智能光致變色膜正是這樣一種產(chǎn)品。

1 變色膜原理及制備

1.1 工作原理

在太陽光或者其他含有紫外線的光線照射條件下，變色膜使用的材料WO3和TiO2能產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，價(jià)帶上會(huì)產(chǎn)生空穴，電子則會(huì)躍遷到導(dǎo)帶，ZnO作為催化劑，可以生成更多光生電子-空穴對(duì)。空穴能夠分解WO3- TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)上吸附的水分子，將其分解為H+和O2-，H+通過擴(kuò)散或者庫侖力的作用進(jìn)入WO3內(nèi)部，WO3與H+及光生電子一起反應(yīng)生成藍(lán)色的鎢青銅，WO3-TiO2由無色變?yōu)樗{(lán)色，經(jīng)過上述過程，紫外線被部分吸收[2]。另外長鏈大分子PEG-400的存在可以提升復(fù)合溶膠的附著性能，從而達(dá)到緊緊吸附水分的目的，從而可以提高變色速率和變色品質(zhì)，使復(fù)合薄膜可見光區(qū)域的吸收光譜也發(fā)生變化。在膜的性能方面，通過大量實(shí)驗(yàn)證明，在WO3、TiO2、ZnO三者比例為16：2：1，且加入適量PEG-400時(shí)，其變色性能、吸光性能為最優(yōu)。

以旋涂法將制備好的混合溶膠旋涂在PVC膜上，在制備過程中，通過加入適量的PVA提高膜與復(fù)合溶膠的黏度，待其旋涂均勻后，在一定溫度下對(duì)薄膜進(jìn)行干燥處理，得到非晶態(tài)的薄膜。

在太陽光或其他含有紫外線的光線下，當(dāng)W6+被還原為W5+之后，由WO3-TiO2-ZnO組成的無色復(fù)合溶膠顏色發(fā)生改變，最終顯示為藍(lán)色[3]。 因此降低膜的透光率，從而可以通過感應(yīng)外界光強(qiáng)度的變化來降低自身的透光性，以達(dá)到降低太陽光或其他含有紫外線的光線透過率的目的，當(dāng)太陽光或其他含有紫外線的光線照射強(qiáng)度減弱時(shí)，筆者研發(fā)的復(fù)合變色膜將會(huì)由藍(lán)色慢慢變?yōu)闊o色，從而使自身的透光率逐漸升高。

1.2 變色膜制備方法

本變色膜制備整體流程(見圖1)分為3部分，充分利用其材料復(fù)合、旋涂制膜的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮復(fù)合光致變色膜使用簡單、壽命較長、效果穩(wěn)定的特點(diǎn)，其中所述復(fù)合溶液的制備包含3種基本材料的制備。

圖1 變色膜制備整體流程

1.2.1 WO3溶膠的制備

1)稱取3.3 g鎢酸鈉于20 ml的超純水中，在攪拌的同時(shí)向溶液中滴加鹽酸，使溶液的pH=4。

2)稱取1.8 g草酸溶于20 ml超純水中，攪拌10 min。

3)將2種溶液混合，攪拌10 min，然后在空氣中陳化24 h。

1.2.2 TiO2溶膠的制備

1)稱量7.12 g鈦酸丁酯溶于在25 ml的無水乙醇中，攪拌30 min。

2)量取1 ml超純水和2 ml乙酸，將兩者混合，攪拌10 min。

3)將2種溶液混合，攪拌30 min，在空氣中陳化24 h。

1.2.3 ZnO溶膠的制備

1)稱取2.75 g的二水合乙酸鋅溶解在25 ml無水乙醇中，形成懸濁液。

2)向懸濁液中滴加1.5 ml二乙醇胺，溶液變透明，60℃下恒溫?cái)嚢?0 min。

3)陳化24 h，形成清澈透明的ZnO溶膠。

在50 ml的WO3溶膠中添加0.5 g的PEG-400，然后取50 ml的WO3與PEG-400混合溶膠與TiO2溶膠、ZnO溶膠按照不同的比例進(jìn)行混合，然后在25℃的條件下用超聲波振動(dòng)儀振動(dòng)10 min，從而得到不同組分配比且各組分分布效果好的復(fù)合溶膠。

本W(wǎng)O3- TiO2- ZnO復(fù)合薄膜以PVC膜為襯底采用旋涂法制備，由于PVC膜的表面可能會(huì)存在一定的灰塵顆粒等污染物，這將會(huì)造成所制備的復(fù)合薄膜的均勻性較差，除此之外，薄膜與襯底間的粘附力將會(huì)變小，薄膜內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，所以在制取復(fù)合薄膜前應(yīng)該對(duì)基底進(jìn)行必要的清洗。

使用清洗干凈后的PVC膜作為基底，將勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為500 r/min。先在基底上滴加PVA提高黏度，再滴加適量不同配比混合溶液制備得到復(fù)合膜。

1.3 變色膜制備結(jié)果及測(cè)試

對(duì)制備好的復(fù)合膜使用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行分析測(cè)試，得到不同組分的復(fù)合溶膠在紫外線照射10 min后的吸收光譜(見圖2)。根據(jù)吸收光譜可知，WO3：TiO2：ZnO=16:2:1為最佳配比。在復(fù)合溶液中添加PEG-400可以使得變色膜的變色性能改變，當(dāng)添加0.5 g PEG-400的時(shí)候，所制備的變色膜具有最出色的變色性能，此時(shí)的變色膜在20 W的紫外燈的照射下，8 min后變?yōu)樗{(lán)色，即在紫外線的照射下，該變色膜擁有快速的變色反應(yīng)速率。使用掃描電子顯微鏡得到其在2.5 μm、600 nm的表面形貌微觀圖片，其表面較為光滑，可判斷旋涂均勻，效果較好。

圖2 不同組分的復(fù)合溶膠在紫外線照射10 min后的吸收光譜

圖3 添加PEG-400的復(fù)合溶膠制備的變色膜在20 W紫外燈照射后的吸收光譜

將在紫外線下照射20 min后已變色的復(fù)合變色膜放在避光的條件下一定的時(shí)間，得到其褪色過程的吸收光譜(見圖4)。由圖4可知，放置2 h后，吸收峰由850 nm移向880 nm。將變色膜放在無光環(huán)境10 h后，有機(jī)無機(jī)復(fù)合膜由藍(lán)色變?yōu)闊o色。該變色膜再次被照射后，又從無色變?yōu)樗{(lán)色，這表示該樣品具有比較好的的光致變色可逆性。

圖4 添加PEG-400的復(fù)合溶膠制備的變色膜放在避光處不同時(shí)刻的吸收光譜

2 結(jié)語

筆者所制備的智能光致變色膜原理簡單，制備成本較低，對(duì)現(xiàn)有的玻璃無需更換，只需要將此變色膜像手機(jī)貼膜一樣張貼在所需場(chǎng)所的玻璃制品上就可以滿足人們的需求，能夠吸收較強(qiáng)紫外線，并能反復(fù)使用，對(duì)解決當(dāng)前較強(qiáng)紫外線對(duì)人體不適的問題有一定作用。