權(quán)利要求

1.基于鋁離子敏化的光敏響應(yīng)水凝膠，其特征在于：所述光敏響應(yīng)水凝膠采用以下步驟制備所得： 步驟一、稱取二吡啶基二硫醚，放入玻璃反應(yīng)器中，在該玻璃反應(yīng)器中加入乙醇/水混合溶劑，攪拌使完全溶解，得含有二吡啶基二硫醚、醇、水的混合體系； 步驟二、將步驟一所得混合體系，置于設(shè)置溫度為70-80 ℃的加熱磁力攪拌器上, 加熱攪拌下，使混合體系升溫至設(shè)置溫度，得溫熱體系； 步驟三、稱取可溶性鋁鹽，加入步驟二所得溫熱體系中，攪拌使其完全溶解； 步驟四、加熱攪拌下，逐滴滴加堿液，使其pH = 5-7； 步驟五、繼續(xù)加熱攪拌30-50 min，使其充分反應(yīng)； 步驟六、加熱攪拌下，以8-10 D/min的速度，逐滴滴加堿液，使其pH = 7-8； 步驟七、繼續(xù)加熱攪拌，待反應(yīng)體系呈膠狀時，關(guān)閉磁力攪拌器，停止加熱，利用攪拌器內(nèi)套余熱，使反應(yīng)體系緩慢降至室溫，得水凝膠光致變色材料 ； 上述步驟中，所用原料質(zhì)量比為：二吡啶基二硫醚40-70%，可溶性鋁鹽30-60%。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏響應(yīng)水凝膠，其特征在于：所述的乙醇/水混合溶劑中乙醇和水的體積比為3:1。 

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏響應(yīng)水凝膠，其特征在于：所述的二吡啶基二硫醚為2,2'-二吡啶基二硫醚、4,4'-二吡啶基二硫醚及其衍生物。 

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏響應(yīng)水凝膠，其特征在于：所述的可溶性鋁鹽為氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽或醋酸鹽。 

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光敏響應(yīng)水凝膠，其特征在于：所述的堿液為氨水、氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液。 6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光敏響應(yīng)水凝膠，其特征在于：所述堿液為濃度為0.5 mol·Lˉ 1 的堿液或濃度為20-25%的氨水溶液。 7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一種所述的光敏響應(yīng)水凝膠在制備光致變色軟材料中的應(yīng)用。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新型光致變色軟材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于鋁離子敏化的光敏響應(yīng)水凝膠光致變色材料的制備方法。

背景技術(shù)

光致變色是指在不同波長、不同強度的光激發(fā)作用下，使物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和顏色(光吸收峰值)發(fā)生變化的可逆過程。這種能夠在光激發(fā)作用下發(fā)生可逆顏色變化的材料稱之為光致變色材料。

光致變色材料因其敏捷的光激發(fā)響應(yīng)機制，穩(wěn)定的可逆變色過程，優(yōu)異的物理化學性能，以及在建筑裝飾、防偽標識、生物醫(yī)藥、分子開關(guān)、分子催化、信息存儲、國防科技等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了科研工作者的極大興趣。

光致變色材料，按其組成不同，分為：有機光致變色材料、無機光致變色材料和無機-有機雜化光致變色材料等。

經(jīng)過科技工作者數(shù)十年來的辛勤努力，有機光致變色材料的種類和數(shù)量有了長足發(fā)展，取得了驕人成績。但隨著有機光致變色材料的生產(chǎn)和應(yīng)用，由此引發(fā)的制備過程復(fù)雜難控、環(huán)境污染比較嚴重、熱力學穩(wěn)定性偏低、抗疲勞性和靈敏性較差等問題和不足越發(fā)明顯，嚴重地制約著光致變色材料的研究和應(yīng)用。

無機光致變色材料以其變色速率快、變色持續(xù)時間長、熱穩(wěn)定性高、耐疲勞性好、機械強度高、宏觀可控易成型等優(yōu)勢，極大地拓展了光致變色材料的應(yīng)用范圍，為建筑裝飾、信息存儲、智能開關(guān)、國防科技等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用提供了新的材料基礎(chǔ)，但因無機光致變色材料的發(fā)展起步較晚，種類較少，原材料貴重，制備過程能耗高等缺陷，極大地限制了其應(yīng)用和發(fā)展。

無機–有機雜化光致變色材料是在上述兩種類型材料的基礎(chǔ)上，研究并發(fā)展起來的一種新型光致變色材料。它有效地克服了有機光致變色材料和無機光致變色材料的缺陷和不足，汲取了有機光致變色材料和無機光致變色材料的優(yōu)勢。伴隨著新的高穩(wěn)定性、高光敏度無機–有機雜化光致變色材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用，《光致變色和材料科學》已發(fā)展成為一門新的材料學科。

鋁離子因其原子軌道線性組合的長程離域化和較強的接受孤電子對能力，使其在與有機配體發(fā)生配位作用時，離域結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致一些化合物在不同波長、不同強度的光照作用下，呈現(xiàn)出不同的顏色(光吸收峰值)，并能在不同波長、不同強度的光激發(fā)下，使化合物的顏色發(fā)生變化(或增強)。這種在不同波長、不同強度的光激發(fā)作用下，使化合物的顏色發(fā)生變化(或增強)的現(xiàn)象稱之為鋁離子的光敏化效應(yīng)。鋁離子的光敏化效應(yīng)在光致發(fā)光材料和光致變色材料中，具有舉足輕重的地位。

水凝膠是一種具有特定功能的軟材料，它以獨特的凝膠化模式、敏銳地刺激響應(yīng)機制，良好的生物相容性，及光、電、磁、催化、氧化還原等新性能，引起了研究者的廣泛關(guān)注。設(shè)計、開發(fā)刺激響應(yīng)靈敏度高，生物相容性好，功能化效果好的新型水凝膠軟材料是材料科學工作者追求的共同目標。

發(fā)明內(nèi)容

為了制備一種新型光致變色材料，本發(fā)明的目的一在于提供一種光敏響應(yīng)水凝膠，目的二在于提供所述光敏響應(yīng)水凝膠在光致變色軟材料制備中的應(yīng)用，所述光敏響應(yīng)水凝膠以鋁離子為光敏化劑，將鋁離子的光敏化效應(yīng)和水凝膠的設(shè)計制備巧妙結(jié)合，首次設(shè)計、合成了一種新型光敏響應(yīng)水凝膠光致變色材料，實現(xiàn)了常規(guī)條件下合成水凝膠光致變色材料的新突破。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體方案如下：

一種基于鋁離子敏化的光敏響應(yīng)水凝膠，采用以下步驟制備所得：

步驟一、稱取二吡啶基二硫醚，放入玻璃反應(yīng)器中，在該玻璃反應(yīng)器中加入乙醇/水混合溶劑，攪拌使完全溶解，得含有二吡啶基二硫醚、醇、水的混合體系；

步驟二、將步驟一所得混合體系，置于設(shè)置溫度為70-80 ℃的加熱磁力攪拌器上,加熱攪拌下，使混合體系升溫至設(shè)置溫度，得溫熱體系；

步驟三、稱取可溶性鋁鹽，加入步驟二所得溫熱體系中，攪拌使其完全溶解；

步驟四、加熱攪拌下，逐滴滴加堿液，使其pH =5-7；

步驟五、繼續(xù)加熱攪拌30-50 min，使其充分反應(yīng)；

步驟六、加熱攪拌下，以8-10 D/min的速度，逐滴滴加堿液，使其pH =7-8；

步驟七、繼續(xù)加熱攪拌，待反應(yīng)體系呈膠狀時，關(guān)閉磁力攪拌器，停止加熱，利用攪拌器內(nèi)套余熱，使反應(yīng)體系緩慢降至室溫，得水凝膠光致變色材料 ；

上述步驟中，所用原料質(zhì)量比為：二吡啶基二硫醚40-70%，可溶性鋁鹽30-60%。

優(yōu)選地，所述的乙醇/水混合溶劑中乙醇和水的體積比為3:1。

優(yōu)選地，所述的二吡啶基二硫醚為2,2'-二吡啶基二硫醚、4,4'-二吡啶基二硫醚及其衍生物。

優(yōu)選地，所述的可溶性鋁鹽為氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽或醋酸鹽。

優(yōu)選地，所述的堿液為氨水、氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液。更進一步地，所述堿液為濃度為0.5 mol·Lˉ 1 的堿液或濃度為20-25%的氨水溶液。

本發(fā)明還請求保護所述光敏響應(yīng)水凝膠在光致變色軟材料制備中的應(yīng)用。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)，具備以下有益效果：

本發(fā)明以鋁離子為敏化劑，將鋁離子的敏化作用和水凝膠的設(shè)計制備巧妙結(jié)合，首次設(shè)計、合成了一種新型高光敏響應(yīng)水凝膠光致變色材料，實現(xiàn)了常規(guī)條件下合成水凝膠光致變色材料的新突破，為水凝膠光致變色材料的設(shè)計、合成及新型光致變色材料的研究提供了新的思路和方法。

本發(fā)明所得水凝膠光致變色材料，具有光響應(yīng)范圍寬，響應(yīng)時間短，變色速度快(裸眼觀察3-5秒即有明顏色變化)，顏色變化裸眼可見等特點，同時具備制備工藝簡便易行，原料來源簡單易得，能耗低，成本小，無污染等優(yōu)勢，是一種質(zhì)優(yōu)價廉的新型光致變色軟材料。

附圖說明

圖1是鋁離子敏化水凝膠光致變色材料在自然光和波長254nm、365nm紫外光激發(fā)下的裸眼呈色圖；

圖2是本申請所述水凝膠光致變色材料體系的紫外吸收光譜圖；

圖3是本申請所述水凝膠光致變色材料體系的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜圖。

具體實施方式

基于鋁離子敏化的光敏響應(yīng)水凝膠光致變色材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、按一定質(zhì)量比，稱取二吡啶基二硫醚，放入50 mL玻璃反應(yīng)器中，加入體積比為3:1的乙醇/水混合溶劑15-20 mL，攪拌使其完全溶解，得二吡啶基二硫醚、醇、水混合體系；

步驟二、將步驟一的混合體系，置于設(shè)置溫度為70-80 ℃的加熱磁力攪拌器上,加熱攪拌下，使混合體系升溫至設(shè)置溫度；

步驟三、按一定質(zhì)量比，稱取可溶性鋁鹽，加入步驟二的溫熱體系中，攪拌使其完全溶解；

步驟四、加熱攪拌下，逐滴滴加濃度為0.5 mol·Lˉ 1 (或含量為20-25%的氨水溶液)的堿液，使其pH = 5-7；

步驟五、繼續(xù)加熱攪拌30-50 min，使其充分反應(yīng)；

步驟六、加熱攪拌下，以8-10 D/min的速度，逐滴滴加濃度為0.5 mol·Lˉ 1 (或含量為20-25%的氨水溶液)的堿液，使其pH = 7-8；

步驟七、繼續(xù)加熱攪拌，待反應(yīng)體系呈膠狀時，關(guān)閉磁力攪拌器，停止加熱，利用攪拌器內(nèi)套余熱，使反應(yīng)體系緩慢降至室溫，得水凝膠光致變色材料 。

本發(fā)明制備的水凝膠光致變色材料, 其主要原料組成質(zhì)量比為：二吡啶基二硫醚40-70%，可溶性鋁鹽30-60%，及其堿、乙醇和水的混合體系。

所述的二吡啶基二硫醚包括但不限于：2,2'-二吡啶基二硫醚、4,4'-二吡啶基二硫醚及其衍生物。

所述的乙醇/水混合溶劑中乙醇和水的體積比包括但不限于：3:1。

所述的可溶性鋁鹽包括但不限于：氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽或醋酸鹽等。所述的質(zhì)量配比包括但不局限于上述比例。

所述的堿包括但不限于：氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀等，包括但不限于上述濃度。

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

實施例1

基于鋁離子敏化的光敏響應(yīng)水凝膠光致變色材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、按一定質(zhì)量比，稱取2,2'-二吡啶基二硫醚2.20g，放入50 mL玻璃反應(yīng)器中，加入體積比為3:1的乙醇/水混合溶劑15 mL，攪拌使其完全溶解，得2,2'-二吡啶基二硫醚、醇、水混合體系；

步驟二、將步驟一的混合體系，置于設(shè)置溫度為70 ℃的加熱磁力攪拌器上, 加熱攪拌下，使混合體系升溫至設(shè)置溫度；

步驟三、按一定質(zhì)量比，稱取氯化鋁1.33g，加入步驟二的溫熱體系，攪拌使其完全溶解；

步驟四、加熱攪拌下，逐滴滴加濃度為0.5 mol·L ˉ1 氫氧化鈉溶液，使其pH = 5；

步驟五、繼續(xù)加熱攪拌30 min，使其充分反應(yīng)；

步驟六、加熱攪拌下，以8 D/min的速度，逐滴滴加濃度為0.5 mol·Lˉ1 氫氧化鈉溶液，使其pH = 7；

步驟七、繼續(xù)加熱攪拌，待反應(yīng)體系呈膠狀時，關(guān)閉磁力攪拌器，停止加熱，利用攪拌器內(nèi)套余熱，使反應(yīng)體系緩慢降至室溫，得水凝膠光致變色材料 。

實施例2

基于鋁離子敏化的光敏響應(yīng)水凝膠光致變色材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、按一定質(zhì)量比，稱取2,2'-二吡啶基二硫醚2.28g，放入50 mL玻璃反應(yīng)器中，加入體積比為3:1的乙醇/水混合溶劑20 mL，攪拌使其完全溶解，得2,2'-二吡啶基二硫醚、醇、水混合體系；

步驟二、將步驟一的混合體系，置于溫度為75 ℃的加熱磁力攪拌器上, 加熱攪拌下，使混合體系升溫至設(shè)置溫度；

步驟三、按一定質(zhì)量比，稱取硫酸鋁3.42g，加入步驟二的溫熱體系，攪拌使其完全溶解；

步驟四、加熱攪拌下，逐滴滴加濃度為0.5 mol·L ˉ1的氫氧化鉀溶液，使其pH =6；

步驟五、繼續(xù)加熱攪拌35 min，使其充分反應(yīng)；

步驟六、加熱攪拌下，以9 D/min的速度，逐滴滴加濃度為0.5 mol·Lˉ1 的氫氧化鉀溶液含量為25%的氨水溶液，使其pH = 7；

步驟七、繼續(xù)加熱攪拌，待反應(yīng)體系呈膠狀時，關(guān)閉磁力攪拌器，停止加熱，利用攪拌器內(nèi)套余熱，使反應(yīng)體系緩慢降至室溫，得水凝膠光致變色材料 。

實施例3

基于鋁離子敏化的光敏響應(yīng)水凝膠光致變色材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、按一定質(zhì)量比，稱取4,4'-二吡啶基二硫醚2.20g，放入50 mL玻璃反應(yīng)器中，加入體積比為3:1的乙醇/水混合溶劑15 mL，攪拌使其完全溶解，得4,4'-二吡啶基二硫醚、醇、水混合體系；

步驟二、將步驟一的混合體系，置于溫度為70 ℃的加熱磁力攪拌器上, 加熱攪拌下，使混合體系升溫至設(shè)置溫度；

步驟三、按一定質(zhì)量比，稱取硝酸鋁2.13g，加入步驟二的溫熱體系，攪拌使其完全溶解；

步驟四、加熱攪拌下，逐滴滴加含量為25%的氨水溶液，使其pH = 7；

步驟五、繼續(xù)加熱攪拌45 min，使其充分反應(yīng)；

步驟六、加熱攪拌下，以9 D/min的速度，逐滴滴加含量為25%的氨水溶液，使其pH= 8；

步驟七、繼續(xù)加熱攪拌，待反應(yīng)體系呈膠狀時，關(guān)閉磁力攪拌器，停止加熱，利用攪拌器內(nèi)套余熱，使反應(yīng)體系緩慢降至室溫，得水凝膠光致變色材料 。

實施例4

基于鋁離子敏化的光敏響應(yīng)水凝膠光致變色材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、按一定質(zhì)量比，稱取4,4'-二吡啶基二硫醚2.20g，放入50 mL玻璃反應(yīng)器中，加入體積比為3:1的乙醇/水混合溶劑20 mL，攪拌使其完全溶解，得4,4'-二吡啶基二硫醚、醇、水混合體系；

步驟二、將步驟一的混合體系，置于溫度為80 ℃的加熱磁力攪拌器上, 加熱攪拌下，使混合體系升溫至設(shè)置溫度；

步驟三、按一定質(zhì)量比，稱取醋酸鋁2.10g，加入步驟二的溫熱體系，攪拌使其完全溶解；

步驟四、加熱攪拌下，逐滴滴加含量為20%的氨水溶液，使其pH = 7；

步驟五、繼續(xù)加熱攪拌50 min，使其充分反應(yīng)；

步驟六、加熱攪拌下，以10 D/min的速度，逐滴滴加含量為20%的氨水溶液，使其pH= 8；

步驟七、繼續(xù)加熱攪拌，待反應(yīng)體系呈膠狀時，關(guān)閉磁力攪拌器，停止加熱，利用攪拌器內(nèi)套余熱，使反應(yīng)體系緩慢降至室溫，得水凝膠光致變色材料 。

本申請制備的水凝膠光致變色材料，在自然光和波長254nm、365nm紫外光激發(fā)下的顏色變化如圖1，圖中，自然光下不變色，254nm紫外光下呈現(xiàn)青（綠）色，365nm紫外光下呈現(xiàn)亮綠色。圖2給出了體系的紫外吸收光譜，表明體系在紫外區(qū)有較強的吸收，圖3給出了體系的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，在206nm激發(fā)光激發(fā)下，體系在470mn處發(fā)出強青(綠)色光，在544nm處則發(fā)出較強的綠色光，與裸眼觀察顏色變化基本一致。

需要說明的是，以上所述的實施方案應(yīng)理解為說明性的，而非限制本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明的保護范圍以權(quán)利要求書為準。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實質(zhì)和范圍的前提下，對本發(fā)明作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整仍屬于本發(fā)明的保護范圍。

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光敏響應(yīng)水凝膠及其在光致變色軟材料制備中的應(yīng)用.pdf