CN108165254B - 一种介稳态温敏变色材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备温敏变色材料的方法，变色原理是温度对于介稳态光子晶体结构的影响所伴随的颜色变化。本发明与现存材料相比具有如下优势：1.本温敏变色材料能够同时实现环境变化最高温度的标记和简易再生重复使用。2.可调节材料组成配比，且具有较大的调节空间，变色温度可在‑50～50度连续可调。3.材料成本低，安全无毒，颜色变化明显。
Description
技术领域
本发明涉及功能复合材料领域，特别涉及一种温度响应变色材料的制备方法。
背景技术
温敏变色材料是指一些化合物或混合物在周围温度变化时，伴随可见吸收光谱变化的功能材料。在过去80年的发展历程中，材料种类与性能得到了极大的发展，广泛应用于工业、纺织、军事、印刷、防伪等各个领域。温敏变色材料根据变色温度可以分为低温型(<100℃)、中温型(100℃～500℃)以及高温型(>500℃)。材料种类上又可以分为无机类、有机类和液晶类。无机类温敏变色材料具有良好的耐温性，耐光性，但其变色精度不高，存在一定毒性，变色是基于物质的固有性质，无法调节变色温度和颜色制约了其应用。有机类温敏变色材料具有较大的选择性，变色区间窄，色彩鲜艳等优点，但存在一定的毒性和稳定性的问题，其暴露在日光中紫外波段，会破坏其结构从而影响变色性质。液晶类温敏变色材料虽然可实现低温连续变色，但成本较高，耐久性差。根据变色的可逆性又可以划分为可逆温敏变色材料和不可逆温敏变色材料。不可逆温敏变色材料的颜色变化是单向的，一般是由材料热分解失水、二氧化碳等化学变化，即使恢复到初始温度颜色也不能恢复，此种性质虽可以记录所经受的最高温度，但不能重复利用。而可逆温敏变色材料是温度到达某一温度颜色发生变化，在温度恢复到初始温度后颜色也恢复到原来的颜色，虽然这种材料可以反复多次使用，但无法记录环境达到的最高温度。因此，结合以上该领域研究现状，对于一种既能记录所到达的高温又能反复利用的温敏材料提出了迫切的需求。
本专利所涉及的温敏变色材料则可填补该项技术空白，该材料是基于介稳态光子晶体显色和变色。既可以记录所到达的温度，又可以在一定条件下简单、方便地恢复颜色重新利用；并且材料主体由四氧化三铁、二氧化硅以及一些无毒聚合物组成，具有较高的耐久性；组成成分比例具有可调性，从而变色温度点连续可调；所形成的颜色为结构色，颜色鲜艳变化明显。
发明内容
本申请利用在特殊条件下形成介稳态光子晶体结构，呈现出独特的结构色。在周围环境温度低于变色点时，该光子晶体结构能够稳定存在，所形成的结构颜色得以一直保持(图1过程a)。当环境温度升高到达变色点时，体系流动性增强，结构发生变化，从而改变颜色(图1过程b)。而将周围环境恢复至初始温度时，材料无法自发再次形成原有的光子晶体结构，仍维持变化后的颜色，因而可以记录经受的环境最高温度(图1过程c)。当我们将变化了颜色或失去颜色材料重新放置在特殊的磁场中时，材料中的磁性颗粒会在短时间内重新排列组装成初始的光子晶体结构，颜色得以恢复，材料可以重新利用(图1过程d)。
本专利创新性地提出利用介稳态光子晶体的结构色，实现对环境温度的颜色传感。与传统温敏变色材料不同，光子晶体的颜色具有以下两个突出特点：1)其颜色来源于特殊的有序物理结构，结构破坏时，颜色相应消失，但材料中的组装单元并没有被破坏，因此可以在一定条件下重新组装，2)该结构色与观测角度有关，从不同角度观察时，其颜色不一样，因此难以被模仿。另外，通过光子晶体的参数如纳米颗粒尺寸、纳米颗粒表面性质修饰以及稳定液配方等的优化可实现性能可调，从而面向不同应用需求：不同变色范围(如，蓝色、绿色至红色)、响应区间(如-50～50摄氏度)等。
本发明与现有技术相比具有的以下优点：
1.本发明涉及温敏材料能够同时实现环境变化最高温度的标记和简易再生重复使用。2.可调节材料组成配比，且具有较大的调节空间，变色温度可在-50～50度连续可调。3.材料成本低，安全无毒，颜色变化明显。
附图说明
图1温敏智能变色指示剂原理示意图
图2为实施例中光子晶体颗粒的透射电镜图
具体实施方式
下面实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本申请发展了一系列不同温敏变色点的介稳态光子晶体。针对不同温度的需求，介稳态温敏光子晶体的组成成分为：1)光子晶体颗粒，约占体积分数为5％至20％；2)水，占体积分数10％至30％；3)温敏添加物，可以是乙醇，丙三醇，乙二醇，二乙二醇，不同分子量的聚乙二醇，琼脂糖，石蜡等的一种或几种，所占体积分数为50％至85％。不同添加物及其不同含量配比具有不同温度响应区间。
实施例
本实施例展示了其中一种基于不同分子量的聚乙二醇作为分散剂的温敏变色材料，实现获得连续可调温敏变色材料的实施过程。
1.制备Fe3O4@SiO2光子晶体颗粒：室温下，在50毫升反应釜内加入20毫升乙二醇，并在剧烈磁力搅拌条件下缓慢加入0.5毫克PSSMA(3：1)形成均匀澄清溶液，然后向溶液中加入0.54克六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)以及1.5克醋酸钠，继续搅拌30分钟后，撤去磁力搅拌，装入反应釜，放于200度烘箱中反应10小时。反应结束后，待降至室温，离心收集样品(转速：11000转/分钟，时间：5分钟)用水、乙醇分别洗涤三次，后分散于15毫升水中，再用磁铁分离样品进一步洗涤。取3毫升分散于20毫升乙醇中，加入1毫升氨水，在搅拌条件下加入100微升正硅酸四乙酯并继续搅拌30分钟后，离心洗涤，获得的光子晶体颗粒的透射电镜图片见图2，为均匀的120±10纳米的球形包裹了二氧化硅的四氧化三铁颗粒。
2.取出200微升样品于80度烘箱中干燥，并称其质量，可以得知单位体积样品所含光子晶体颗粒质量。取出200微升样品，11000转/分钟，5分钟离心去除上层清液，加入水和聚乙二醇(光子晶体，水，聚乙二醇的体积分数为5～20％，10～30％和50～85％)，超声至分散均匀，用扁平毛细管吸取溶液后，用紫外固化胶和紫外光将毛细管两端封口。外加磁场5分钟后即形成该温敏变色材料。
3.不同聚乙二醇分子量以及不同组分比例所得温敏变色材料具有不同变色点，下面例举一些配比方式及其对应变色点帮助进一步理解本专利。
| 光子晶体 | 水 | 聚乙二醇 | 聚乙二醇分子量 | 变色点温度 |
| 10％ | 20％ | 70％ | 400 | 7±2 |
| 10％ | 20％ | 70％ | 1000 | 28±2 |
| 20％ | 30％ | 50％ | 1000 | 24±2 |
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| 10％ | 20％ | 70％ | 6000 | 48±2 |
| 10％ | 20％ | 70％ | 10000 | 50±2 |
Claims (2)
1.一种介稳态温敏变色材料，其特征在于：介稳态温敏变色材料的组成成分为：1)光子晶体颗粒，约占体积分数为5％至20％，2)水，占体积分数10％至30％，3)温敏添加物，即不同分子量的聚乙二醇，所占体积分数为50％至85％；所述介稳态温敏变色材料的制备方法包括如下步骤：
1)制备Fe3O4@SiO2光子晶体颗粒：室温下，在50毫升反应釜内加入20毫升乙二醇，并在剧烈磁力搅拌条件下缓慢加入0.5毫克PSSMA 3∶1形成均匀澄清溶液，然后向溶液中加入0.54克六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)以及1.5克醋酸钠，继续搅拌30分钟后，撤去磁力搅拌，装入反应釜，放于200度烘箱中反应10小时；反应结束后，待降至室温，离心收集样品，转速：11000转/分钟，时间：5分钟；用水、乙醇分别洗涤三次，后分散于15毫升水中，再用磁铁分离样品进一步洗涤；取3毫升分散于20毫升乙醇中，加入1毫升氨水，在搅拌条件下加入1D0微升正硅酸四乙酯并继续搅拌30分钟后，离心洗涤，获得光子晶体颗粒，为均匀的120±10纳米的球形包裹了二氧化硅的四氧化三铁颗粒；
2)取出200微升样品于80度烘箱中干燥，并称其质量，可以得知单位体积样品所含光子晶体颗粒质量，取出200微升样品，11000转/分钟，5分钟离心去除上层清液，加入水和聚乙二醇，其中光子晶体，水，聚乙二醇的体积分数分别为5～20％，10～30％和50～85％，超声至分散均匀，用扁平毛细管吸取溶液后，用紫外固化胶和紫外光将毛细管两端封口，外加磁场5分钟后即形成该温敏变色材料。
2.一种制备介稳态温敏光子晶体的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备Fe3O4@SiO2光子晶体颗粒：室温下，在50毫升反应釜内加入20毫升乙二醇，并在剧烈磁力搅拌条件下缓慢加入0.5毫克PSSMA 3∶1形成均匀澄清溶液，然后向溶液中加入0.54克六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)以及1.5克醋酸钠，继续搅拌30分钟后，撤去磁力搅拌，装入反应釜，放于200度烘箱中反应10小时；反应结束后，待降至室温，离心收集样品，转速：11000转/分钟，时间：5分钟；用水、乙醇分别洗涤三次，后分散于15毫升水中，再用磁铁分离样品进一步洗涤；取3毫升分散于20毫升乙醇中，加入1毫升氨水，在搅拌条件下加入100微升正硅酸四乙酯并继续搅拌30分钟后，离心洗涤，获得光子晶体颗粒，为均匀的120±10纳米的球形包裹了二氧化硅的四氧化三铁颗粒；
2)取出200微升样品于80度烘箱中干燥，并称其质量，可以得知单位体积样品所含光子晶体颗粒质量，取出200微升样品，11000转/分钟，5分钟离心去除上层清液，加入水和聚乙二醇，其中光子晶体，水，聚乙二醇的体积分数分别为5～20％，10～30％和50～85％，超声至分散均匀，用扁平毛细管吸取溶液后，用紫外固化胶和紫外光将毛细管两端封口，外加磁场5分钟后即形成该温敏变色材料。
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