CN111909684A - 一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料及其制备和应用，包括PDMS基体材料，所述PDMS基体材料内部包裹两种光功能材料，两种光功能材料在PDMS基体材料中均匀混合，所述光功能材料分别为光致发光材料和光致变色材料。本发明将光致变色和光能发光两种技术结合起来，优势互补，满足随时随地紫外检测的需求，极大地拓展多模式紫外响应复合材料的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及紫外响应复合材料技术领域，特别涉及一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料及其制备和应用。
背景技术
紫外线是一种常见的电磁辐射，其波长范围在10～400nm之间。由于波长短、能量大，紫外线在工业生产和日常生活中具有广泛的运用，如半导体行业的光刻工艺和餐具的紫外线消毒柜等等。太阳光谱中也有将近9％的能量分布在紫外波段，与地球上多种生物的生存繁衍息息相关。然而，过量的紫外线会影响细胞的新陈代谢，例如会造成色素沉淀和皮肤病变。由于紫外线是人眼无法直接观测的，利用各种光功能材料对紫外线进行探测或指示具有重要意义。
光致变色指的是某些化合物在一定的波长和强度的光作用下分子结构或化学成分发生变化，从而导致其对光的吸收峰值相应改变。如果吸收峰值变化的范围恰好处在可见光波段，就能够引起人眼可见的颜色变化，并且这种改变一般是可逆的。停止入射光的刺激，材料的颜色能够恢复到初始状态。采用对紫外线敏感的光致变色材料可以将看不见的紫外线转化为人眼可见的颜色变化，从而判断特定空间是否存在紫外线。但这种材料的应用严重依赖于环境光的照明，在伸手不见五指的漆黑环境下，即使材料发生了明显的变色现象也无法被人眼察觉。另一方面，光致发光是指物体经受外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导致发光的现象。该过程历经光吸收、能量传递及光发射三个主要阶段，光的吸收及发射都涉及到能级之间的跃迁。针对不同发光材料而言，其激发波长和发射波长都不尽相同。采用能够被紫外线激发的材料，通过能量传递转换为可见光释放出来，就可以实现黑暗环境中的紫外线检测了。这类材料释放的可见光强度通常较弱，在晴朗的白天或照明状况良好的环境中不易被察觉。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料及其制备和应用，将光致变色和光能发光两种技术结合起来，优势互补，满足随时随地紫外检测的需求，极大地拓展多模式紫外响应复合材料的应用场景。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料，包括PDMS基体材料1，所述PDMS基体材料1内部包裹两种光功能材料，两种光功能材料在PDMS基体材料1中均匀混合，所述光功能材料分别为光致发光材料2和光致变色材料3；
所述PDMS基体材料1包括主剂：硬化剂，质量比为10:1；
所述的PDMS基体材料1为5～8.8g，光致变色材料3为0.025～0.2g，光致发光材料2为0.5～2.8g。
一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的制备方法，包括以下步骤；
1)将要盛放复合材料的培养皿等容器清洗干净；
2)配置复合材料：将光致发光材料2、光致变色材料3和PDMS基体材料1按一定比例加入到干净容器中，先将PDMS基体材料1放入容器中，光致发光材料2和光致变色材料3不分先后；
3)将步骤2)均匀混合，所配好的物质搅拌均匀，形成混合体系，搅拌要一直持续到没有大颗粒团聚体存在；
4)将步骤3)混合体系真空除气泡与加温固化：将所得PDMS混合体系进行抽真空去除搅拌造成的气泡，除气泡结束后加热保持温度；
5)将步骤4)加热固化完成的复合材料薄膜在培养皿中取出得到柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料。
所述步骤1)中依次分别在去离子水、酒精中超声清洗，同时该容器耐热至少90℃高温。
所述步骤2)中配制复合材料，可采用以下方法：
先将所需光致发光材料2与光致变色材料3分别称量好，之后称取PDMS基体材料1的量；
所述PDMS基体材料1包含PDMS主剂与硬化剂；
其中将PDMS主剂与硬化剂以质量比10：1比例混合均匀，光致变色材料3和光致发光材料2与PDMS基体材料1质量比按照从4：6到1:10的比例调和，所述光致变色材料3与光致发光材料2的质量比为1:1～1:20。
所述步骤2)中光致发光材料2为经过高能球磨后的纳米级长余辉光致发光粉。
所述步骤3)中均匀混合的方式根据复合材料的合成量选择混合方式，可以采取人工搅拌、机械搅拌和超声分散等方式，搅拌要一直持续到没有大颗粒团聚体存在，搅拌时长为10～30min。
所述步骤4)中将PDMS混合体系放入真空环境中，等气泡完全除去后取出，具体时间为10～30min，根据具体真空度条件确定取出时间，加热过程，具体实施要求：温度与时间为负相关，低温对应长时间，高温对应短时间，除气泡结束后加热至50～90℃并保持0.5～4h。
所述柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料应用于柔性电子皮肤、智能显示器件和多模式紫外传感器。
柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的特性，使其可以检测环境中是否存在紫外线，作为多模式紫外传感器携带于身，并且在紫外线的照射下可以人为的搭配复合材料显示的颜色和显示的内容，使其能够在智能显示器方面有所应用。
本发明的有益效果：
本发明选取合适的光致变色材料和光致发光材料都可以实现紫外线的检测。区别在于光致变色材料需要在较强的环境光照明条件下使用，而光致发光材料则在外界照明弱的环境中更具优势。两种材料的应用场景恰能互补，因此将两种光功能材料有机结合起来可以使得单一材料或器件实现24小时全天候、随时随地的紫外检测，摆脱外界环境光的束缚。
本发明根据复合材料设计了一种0-3复合型多功能材料，选取光学透明、惰性无毒的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)作为三维连续相，添加零维的光致变色粉末和光致发光粉末两种功能相。通过简单的工艺能够制备出多模式紫外响应的复合材料，并且这种复合材料继承了PDMS优异的柔性和可拉伸性能。此外，通过选用不同功能相材料可以组合为不同的颜色，达到多彩显示效果。
本发明设计的柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料在柔性电子皮肤、智能显示器件和多模式紫外传感器等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所制备的复合材料的结构示意图。
图中：1—PDMS基体材料；2—光致发光材料；3—光致变色材料。
图2为此复合材料初始状态下，以及在外界紫外光照射后在白天和夜晚的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1图2所示：本实施例选取的光致变色材料为有机光致变色微胶囊，光致发光材料为纳米级别的长余辉光致发光粉。根据以上选取来说明本发明复合材料的制备实施方案。
以下给出具体步骤：
1)清洗仪器：将要盛放复合材料的培养皿先使用去离子水超声清洗，再使用无水乙醇超声清洗干净；
2)配置复合材料：称取光致发光粉(0.5～2.8g)和有机光致变色材料(0.025～0.2g)加入到PDMS(5～8.8g，主剂：硬化剂为10:1)中放入清洗好的培养皿中；
对于本实验而言性能最优时PDMS基体相与功能相(光致变色材料3和光致发光材料2总质量)质量比为9:1，其中功能相的光致变色材料3与光致发光材料2的质量比为1:19；同时，作为基体相的PDMS也可改为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环氧树脂或者其他能够固化的透明高分子材料。
3)均匀混合：将所配好的物质混合均匀，根据所选择的总质量选取不同的搅拌方式，搅拌直到所有物质均匀混合，复合材料之中没有较大的颗粒状团聚存在；
4)真空除气泡与加热固化：将所得的PDMS混合体系进行真空保持10～30min除气泡，除气泡结束后加热至50～90℃并保持0.5～4h使复合薄膜能够充分固化，并且温度应在有机光致变色材料的适应范围之内；
5)取膜：将加热完成的复合材料薄膜在培养皿中取出得到柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料。
其中最优的处理方式为在光致变色材料所适应的温度范围内选取尽量高的温度持续较为短的时间。对于本实验而言最优为80℃保温1h。
温度范围与所选的有机光致变色材料的适应温度有关。
实施例1：
1)清洗仪器：将要盛放复合材料的培养皿先使用去离子水超声清洗，再使用无水乙醇超声清洗干净；
2)配置复合材料：称取光致发光粉(绿色)2.8g，和有机光致变色材料(红色)0.2g,加入到7.7g的PDMS(主剂：硬化剂为10:1)中，放入清洗好的培养皿中；
3)均匀混合：将所配好的物质混合均匀，搅拌直到所有物质均匀混合，复合材料之中没有较大的颗粒状团聚；
4)真空除气泡与加热固化：将所得的PDMS混合体系进行真空保持30min除气泡，除气泡结束后加热至60℃并保持2h；
5)取膜：将加热完成的复合材料薄膜在培养皿中取出得到柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料。
实施例2：
本实施例与实施例1不同的是以下方面：
所述的光致发光材料(蓝绿色)为1.9g；
有机光致变色材料(紫色)为0.1g；
PDMS(主剂：硬化剂为10:1)为8.8g；
抽真空除气泡时间为25分钟；
加热温度与时长为70℃，1.5h。
实施例3：本实施例与实施例1不同的是以下方面：
所述的光致发光材料(白色)为1.0g；
有机光致变色材料(蓝色)为0.05g；
PDMS(主剂：硬化剂为10:1)为4.4g；
抽真空除气泡时间为20分钟；
加热温度与时长为50℃，4h。
实施例4：本实施例与实施例1不同的是以下方面：
所述的光致发光材料(天蓝色)为0.5g；
有机光致变色材料(橙黄色)为0.025g；
PDMS(主剂：硬化剂为10:1)为5.0g；
抽真空除气泡时间为15分钟；
加热温度与时长为80℃，1h。
实施例5：本实施例与实施例1不同的是以下方面：
所述的光致发光材料(黄色)为0.5g；
有机光致变色材料(桃红色)为0.025g；
PDMS(主剂：硬化剂为10:1)为5.0g；
抽真空除气泡时间为10分钟；
加热温度与时长为90℃，0.5h。
应用实例：
柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料，其可应用于柔性电子皮肤、智能显示器件和多模式紫外传感器。
应用实例1：柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的特性，使其可以检测环境中是否存在紫外线，所以可以作为紫外线探测器携带于身。
应用实例2：在紫外线的照射下，可以人为的搭配柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料显示的颜色和显示的内容，所以其能够在智能显示器方面也有所应用。
Claims (8)
1.一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料，其特征在于，包括PDMS基体材料(1)，所述PDMS基体材料(1)内部包裹两种光功能材料，两种光功能材料在PDMS基体材料(1)中均匀混合，所述光功能材料分别为光致发光材料(2)和光致变色材料(3)；
所述PDMS基体材料(1)包括主剂：硬化剂，质量比为10:1；
所述的PDMS基体材料(1)为5～8.8g，光致变色材料(3)为0.025～0.2g，光致发光材料(2)为0.5～2.8g。
2.基于权利要求1所述的一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
1)将要盛放复合材料的培养皿等容器清洗干净；
2)配置复合材料：将光致发光材料(2)、光致变色材料(3)和PDMS基体材料(1)按一定比例加入到干净容器中，先将PDMS基体材料(1)放入容器中，光致发光材料(2)和光致变色材料(3)不分先后；
3)将步骤2)均匀混合，所配好的物质搅拌均匀，形成混合体系，搅拌要一直持续到没有大颗粒团聚体存在；
4)将步骤3)混合体系真空除气泡与加温固化：将所得PDMS混合体系进行抽真空去除搅拌造成的气泡，除气泡结束后加热保持温度；
5)将步骤4)加热固化完成的复合材料薄膜在培养皿中取出得到柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中依次分别在去离子水、酒精中超声清洗，同时该容器耐热至少90℃高温。
4.根据权利要求2所述的一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中配制复合材料，采用以下方法：
先将所需光致发光材料(2)与光致变色材料(3)分别称量好，之后称取PDMS基体材料(1)的量；
所述PDMS基体材料(1)包含PDMS主剂与硬化剂；
其中将PDMS主剂与硬化剂以质量比10：1比例混合均匀，光致变色材料(3)和光致发光材料(2)与PDMS基体材料(1)质量比按照从4：6到1:10的比例调和，所述光致变色材料(3)与光致发光材料(2)的质量比为1:1～1:20。
5.根据权利要求2所述的一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中光致发光材料(2)为经过高能球磨后的纳米级长余辉光致发光粉。
6.根据权利要求2所述的一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中均匀混合的方式根据复合材料的合成量选择混合方式，可以采取人工搅拌、机械搅拌和超声分散等方式，搅拌要一直持续到没有大颗粒团聚体存在，搅拌时长为10～30min。
7.根据权利要求2所述的一种柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中将PDMS混合体系放入真空环境中，等气泡完全除去后取出，具体时间为10～30min，根据具体真空度条件确定取出时间，加热过程，具体实施要求：温度与时间为负相关，低温对应长时间，高温对应短时间，除气泡结束后加热至50～90℃并保持0.5～4h。
8.基于权利要求1所述的柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料应用于柔性电子皮肤、智能显示器件和多模式紫外传感器；
柔性可拉伸的多模式紫外响应复合材料的特性，使其可以检测环境中是否存在紫外线，作为多模式紫外传感器携带于身，并且在紫外线的照射下可以人为的搭配复合材料显示的颜色和显示的内容，使其能够在智能显示器方面有所应用。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111840597A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-10-30 | 福州大学 | 一种自驱动深紫外杀菌材料的杀菌方法 |
| CN112379473A (zh) * | 2020-11-14 | 2021-02-19 | 暨南大学 | 一种柔性可调谐的深紫外带通滤光片及其制备方法 |
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2020
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