CN115449083A - 一种具有高循环性能的可擦除无墨印刷材料及其制备方法与用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高循环性能的可擦除无墨印刷材料及其制备方法与用途,该可擦除无墨印刷材料的化学式为[La(OH)(BINDI)0.5(DMF)3]·DMF,晶胞参数为:a=32.9128(5),b=14.7668(2),c=14.0262(2),α=γ=90°,β=100.1590。本申请还提供了所述光致变色金属‑有机框架材料的制备方法。本发明提供的光致变色金属‑有机框架材料制备方法简单,在光照下变色灵敏、可逆性高、颜色变化明显。基于该材料制备的可擦除无墨印纸具有良好的分辨率、清晰度以及高的循环性能,循环200次对光响应依旧灵敏,有望作为一种新型的智能响应材料应用于防伪、无墨印刷等领域。
Description
技术领域
本发明属于光敏材料的合成技术领域,具体涉及一种应用于可擦除无墨印刷的光致变色金属-有机框架材料及其制备方法
技术背景
可擦除和无油墨印刷技术不仅可以减少有害墨水的使用,同时可对印刷介质及纸张进行回收利用,对于环境保护、能源节约具有重要意义。热敏打印作为传统的可擦除打印技术存在耗能高、微热感应灵敏等问题。智能响应型材料可在外界刺激(如光、热、压力等)下发生可逆的颜色变化,有利于信息的记录与擦除。在众多智能响应材料中,光致变色材料具有灵敏度高、操作方便、安全无污染等优点,是可擦除无墨印刷材料的良好选择。参见(MI Khazi,W Jeong,J M Kim.[J].Adv Mater,2018,30,1705310.T Panda,D K Maiti,M KPanda.[J].ACS Appl Mater Interfaces,2018,10,29100.H Nishi,T Namari,SKobatake.[J].Journal of Materials Chemistry,2011,21,17249.W B Li,X H Chen,J ZChen,R Huang,J WYe,L Chen,H P Wang,TYang,LYTang,J Bai,Z W Mo,X M Chen.[J].ACSAppl Mater Interfaces,2022,14,8458)。然而传统光致变色材料存在变色寿命短、循环性差等缺点,这极大限制了光致变色材料在可擦除无墨印刷方面的应用。参见(W Q Kan,Y CHe,S Z Wen,P S Zhao.[J].Dalton Trans,2019,48,17770.W Q Wen,S Z Wen,Y C He,C YXu.[J].Inorg Chem,2017,56,14926.P H Wang,C M Yu,M S Wang,G C Guo.[J].Dyes andPigments,2021,185,108888.N Sikdar,K Jayaramulu,V Kiran,K V Rao,S Sampath,S JGeorge,T K Maji.[J].Chemistry,2015,21,11701)。因此,设计合成变色明显、循环性能好、显色时间适宜的光致变色材料对于推动可擦除无墨打印技术的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光致变色金属-有机框架(Metal-OrganicFramework,简称为MOF)材料及其制备方法。基于该材料制备的可擦除无墨印刷纸具有良好的清晰度、分辨率以及高的循环性能。
本发明中的光致变色MOF材料化学式为[La(OH)(BINDI)0.5(DMF)3]·DMF,其中,H4BINDI为N,N’-二(5-间苯二甲酸基)-1,4,5,8-萘二酰亚胺,DMF为N,N’-二甲基甲酰胺。本发明中光致变色MOF材料结晶于单斜晶系的C2/c空间群,晶胞参数为a=32.9128(5),b=14.7668(2),c=14.0262(2),α=γ=90°,β=100.1590。
本发明中光致变色MOF材料的晶体结构描述如下:不对称单元中包含一个La3+阳离子,一个羟基配体,半个BINDI4-配体,三个配位的DMF分子和一个游离的DMF分子。其中La3+为八配位结构,分别与DMF的三个氧原子、羧基的四个氧原子和羟基配体的一个氧原子配位,形成扭曲的四方反棱柱构型。每个BINDI配体也是八配位的,同一个羧酸根的两个O分别连接两个La形成La2双核结构,相邻的双核结构通过BINDI配体连接形成三维结构的多孔框架 三维孔道被连接在La2簇上的溶剂分子占据,最终变成了一个六方通道
本发明中可擦除无墨印刷纸的制备方法主要包括以下步骤:
(1)光致变色MOF材料的制备:将H4BINDI、La(NO3)3,吡啶加入到DMF溶液中,将上述混合溶液在80℃的烘箱中反应24h,使用DMF洗涤样品2-3次并放置于空气中干燥,得到黄色块状光致变色MOF材料,所述的H4BINDI:La(NO3)3比例为2.9:1;
(2)变色层的制备:将上述材料加入到乙醇溶液中,超声得可擦除无墨印刷纸的变色层;
(3)保护层的制备:将羟乙基纤维素加入到水中溶解,搅拌后加入乙二醇继续搅拌,得可擦除无墨印刷纸的保护层;
(4)可擦除无墨印刷纸的制备:以滤纸作为底层,先后将变色层、保护层均匀地抽滤到滤纸上得到可擦除无墨印刷纸。
本发明的优点是:光致变色MOF材料在光照下变色灵敏、可逆性高、颜色变化明显。基于光致变色MOF材料制备的可擦除无墨印刷纸具有良好的清晰度、分辨率、高的循环性能,循环200次对光响应依旧灵敏。本发明提供的可擦除无墨印刷材料制备简单、实用性强、安全无污染。
附图说明
图1是所述光致变色MOF材料的晶体结构图。
图2是所述光致变色MOF材料在不同光照时间下的紫外-可见吸收谱图。
图3是所述光致变色MOF材料光照前后的电子顺磁共振(EPR)波谱图。
图4是所述光致变色MOF材料光照前后的X射线粉末衍射图(XRD)。
图5是所述光致变色MOF材料的热重谱图。
图6是所述基于光致变色MOF材料制备可擦除无墨印刷纸的模型图。
图7是所述基于光致变色MOF材料制备的可擦除无墨印刷纸的打印效果图。
图8是所述基于光致变色MOF材料制备的可擦除无墨印刷纸的分辨率性能图。
图9的是所述基于光致变色MOF材料制备的可擦除无墨印刷纸的循环性能图。
具体实施方式
实施例1:
(1)光致变色MOF材料的合成
将20毫克H4BINDI,1毫升0.1摩尔/升La(NO3)3的DMF溶液,1毫升DMF和50微升吡啶加入到5毫升的玻璃瓶中混合均匀,装盖后在80℃烘箱放置24小时,在24小时内降至室温得到目标产物。
(2)印刷纸的制备
显色层的制备:称取30毫克干燥的MOF材料放置于烧杯中,用移液枪移取30毫升乙醇加入烧杯中,超声30分钟。
保护层的制备:称取1克羟乙基纤维素于烧杯中,加入30毫升水使其溶解,溶液常温搅拌30分钟后,加入15毫升乙二醇继续搅拌10分钟。
印刷纸的制备:将滤纸作为印刷纸底层放置于布氏漏斗中,将上述制备的显色原料均匀地抽滤至滤纸上,然后将保护层均匀地抽滤到显色层上,抽滤完成后将滤纸放置在玻璃托盘中晾干。
本发明使用如下仪器或方法对材料进行表征及性能测试。
分别对光致变色MOF材料光照前后的颜色变化、不同光照时间的紫外-可见吸收、光照前后的电子顺磁共振、光照前后的X射线粉末衍射进行了测试:本发明制备的光致变色MOF材料在光照5秒后颜色由黄色变成深绿色,变色后的MOF材料在空气中放置2分钟后可恢复至初始颜色。本发明制备的光致变色MOF材料的紫外-可见吸收谱图使用TU-1901紫外-可见分光光度计测试,不同光照时间的紫外-可见吸收光谱如图2所示(使用Origin软件绘制),光照10秒后,在481nm、607nm、686nm和765nm处出现新的吸收峰,其中607nm为NDI自由基特征峰。光照20分钟后吸收带基本达到饱和,此后吸收峰没有明显变化。本发明制备的光致变色MOF材料光照前后的电子顺磁共振波谱图如图3所示(使用Origin软件绘制),电子顺磁共振波谱图使用布鲁克EMX-6/1电子顺磁共振波谱仪,X波段为9.854GHZ磁场下收集,光照后在g=2.0041处出现一个明显的自由基信号峰。本发明制备的光致变色MOF材料的粉末X射线衍射(PXRD)图在理学Rigaku X射线仪上收集,使用Mo-Kα射线X射线衍射图如图4所示(使用Origin软件绘制,使用Mercury软件模拟),u结果表明光照前后晶体结构未发生明显变化。
本发明热重分析图在NETZSCH TG209型热重分析仪上收集,见图5(使用Origin软件绘制)。
图6是所述基于光致变色MOF材料制备可擦除无墨印刷纸的模型图。印刷纸主要分为三层,最上层为保护层,其主要成分为羟乙基纤维素;中层为变色层,其主要成分为光致变色MOF材料;下层为滤纸。
附图7-9示出了分别对基于光致变色MOF材料制备的可擦除无墨印刷纸的清晰度、分辨率及循环性能进行测试。用氙灯照射1分钟即完成打印,打印内容肉眼可见且具有良好的清晰度,打印完成的印刷纸在空气中常温放置三天完全褪色,放置在80℃烘箱中2小时即可实现完全褪色,见图7;打印内容分辨率可达0.2mm满足日常打印的需求,见图8;基于光致变色MOF材料制备的可擦除无墨印刷纸循环200次没有任何损失,见图9。
Claims (7)
1.一种具有高循环性能的可擦除无墨印刷材料,其特征是:该材料属于金属-有机框架,组成用化学式表示为:[La(OH)(BINDI)0.5(DMF)3]·DMF,其中BINDI4-为H4BINDI失去四个氢原子所得,H4BINDI为N,N’-二(5-间苯二甲酸基)-1,4,5,8-萘二酰亚胺,DMF为N,N’-二甲基甲酰胺,其最小不对称单元包括一个La3+阳离子,一个羟基,半个BINDI4-配体,三个配位的DMF分子和一个游离的DMF分子。
2.如权利要求1所述的具有高循环性能的可擦除无墨印刷材料,其特征是:该材料结晶于单斜晶系的C2/c空间群,晶胞参数为a=32.9128(5),b=14.7668(2),c=14.0262(2),α=γ=90°,β=100.1590。
3.如权利要求1所述的具有高循环性能的可擦除无墨印刷材料,其特征是:La为八配位结构,分别与来自DMF的三个氧原子、来自羧基的四个氧原子和来自羟基配体的一个氧原子配位,形成扭曲的四方反棱柱构型。
5.如权利要求1所述的具有高循环性能的可擦除无墨印刷材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)光致变色MOF材料的制备:将H4BINDI、La(NO3)3、吡啶加入到DMF溶液中,将上述混合溶液在80℃的烘箱中反应24h,使用DMF洗涤样品2-3次并放置于空气中干燥,得到黄色块状光致变色MOF材料,所述的H4BINDI:La(NO3)3比例为2.9:1;
(2)变色层的制备:将上述材料加入到乙醇溶液中,超声得可擦除无墨印刷纸的变色层;
(3)保护层的制备:将羟乙基纤维素加入到水中溶解,搅拌后加入乙二醇继续搅拌,得可擦除无墨印刷纸的保护层;
(4)可擦除无墨印刷纸的制备:以滤纸作为底层,先后将变色层、保护层均匀地抽滤到滤纸上得到可擦除无墨印刷纸。
6.如权利要求1所述的光致变色MOF材料的性能,其特征是:该光致变色MOF材料在光照5秒下发生明显的颜色变化(由黄色变为深绿色)。
7.如权利要求1所述的基于具有高循环性能的可擦除无墨印刷材料的用途,其特征是:该光致变色MOF材料用作可擦除无墨印刷材料时可循环200次。
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