52 孙宾宾等 有机光致变色功能薄膜的制备与应用研究进展 有机光致变色功能薄膜的制备与应用研究进展 孙宾宾,郑继忠,杨博 (陕西国防工业职业技术学院化学工程学院,陕西西安710300) 摘要:有机光致变色功能薄膜作为一类极具潜力的特殊材料,在传感器、光信息存储介质、环境装饰与 伪装等领域有着巨大的应用前景。本文介绍了溶液成膜法、浸涂、旋涂、喷涂、L B膜法、分子自组装法、真空 蒸镀法等有机光致变色功能薄膜的制备方法,综述了其最新应用进展,并对其研究趋势进行了分析。 关键词:光致变色,功能薄膜,制备,应用,研究进展 中图分类号:TQ314.1 Progress in Preparation and Application of Organic Photochromic Functional Films SUN Bin—bin,ZHENG Ji—zhong,YANG Bo (Department of Chemical Engineering,Shanxi Institute of Technology,Xi’an 7 1 0300,Shanxi,China) Abstract:As a king of useful functional materials,photochromic functional films play an important role in sen— SOt,optical information recording materials,environment decoration and camouflage.In this paper,the preparation methods including solvent—cast method,dipping coating,spin—coating,spraying coating,Langmuir—Blodgett films method,Self-assembly films method,vacuum evaporation were reviewed in detail.Meanwhile the progress of their application and the research trends were briefly discussed. Key words:photochromicism,functional films,preparation,applications,research trends 光致变色功能膜是指在一定波长的光的照射 下,可进行特定的化学反应,导致其吸收光谱发生 明显的变化,而在另一波长的光照射下或热的作用 1 有机光致变色功能膜的制备方法 1.1溶液法成膜 有机光致变色材料极易加工成膜。将有机光 致变色聚合物 (化学键合或物理混合)溶液中的 溶剂挥发干就可以方便地制得光致变色薄膜。刘 浪等将光致变色螺吡喃和PMMA溶解于THF中,超 声分散后,倒入玻璃容器,待溶剂挥发即得光致变 色薄膜 。这种solvent-cast method在光致变色薄 下,义能恢复原来的功能薄膜材料。因其优异的光 学敏感性,在传感器、可擦重写光盘、伪装与防伪等 领域有着广阔的应用潜力。 光致变色功能膜材料按照主体成份可分为无 机光致变色功能膜和有机光致变色功能膜两大类。 无机光致变色功能膜,像纳米WO 薄膜等,可以通 过电沉积法、化学气相沉积法、溅射法等方法来制 备 目前研究的有机光致变色功能膜材料主体 膜制备中使用很多 j。 将玻璃或其他基片放在有机光致变色聚合物 的溶液中进行浸涂(dipping coating),同样可以方便 成份一般是螺吡喃和螺嗯嗪类、偶氮类、俘精酸酐 类、二芳基乙烯类化合物。相对无机光致变色功能 膜,有机光致变色功能膜可以通过设计光致变色化 合物分子结构调整其敏感波长,且易于机械加工成 膜。本文综述了有机光致变色功能膜材料的制备 方法以及应用研究进展。 的制膜。Kim s.Hl5。 等合成了一系列化学键合螺 嗯嗪基团的光致变色聚合物,利用浸涂法在玻璃板 上成膜,并研究其热消色反应动力学。 除此之外,还可以借助涂膜设备,利用有机光致 收稿日期:2013—06一I3 2013年第42卷第5期 变色聚合物的溶液进行旋涂、喷涂等。 1.2旋涂法(spin—coating) 合成材料老化与应用 53 汽界面上将不溶解的成膜材料分子加以紧密有序的 排列,形成单分子膜,然后再转移到固体载片上的制 旋涂成膜可以采用甩胶机,也叫甩胶法。其工 作原理是将光致变色聚合物溶液滴在固定好的基片 膜技术。早期用来制备L—B膜的化合物具有双亲性。 Fukuda等利用一个表面活性的螺吡喃化合物制成L— 上,进行旋转甩出大部分溶液,只有少部分留在基片 上,在表面张力和旋转离心力的作用下,形成均匀的 B膜,这种膜在340nm会转化成部花菁结构,由于聚 集体的形成,部花菁的热稳定性显著增强¨。。。 随着L—B膜技术发展,成膜材料不再限于双亲分 薄膜,其厚度可从几纳米到几微米。王丽华 等采 子。张伟风¨卜 等用法国ATEMETA公司的LB105 用旋涂法在三种介质(石英比色皿、载玻片、聚酯薄 H H—N N一 型拉膜槽制备了N一十八烷基螺吡喃有序分子膜,研 膜)上制备了含有二芳基乙烯类光致变色成份的聚 究了化合物在L.B膜介质环境中不同于溶液中光致 乙烯吡咯烷酮薄膜,对其光致变色性质进行了研究。 1.3喷涂法 变色性质。 1.5分子自组装法 喷涂成膜法是利用喷涂机将聚合物溶液喷涂于 指定位置,一般用于油漆的喷涂。柏立岗 将萘并 分子自组装(Self—assembly)技术是依靠不同分 翌 一 吡喃类光致变色化合物、抗氧剂、光稳定剂溶于丙酮, 后加入清漆(聚氨酯涂料、硝基涂料)中并按比例稀释, 按常用的喷涂工艺制得光致变色涂层。当太阳光照射 后,漆膜能自动变色,在无照射时又能恢复原色。 1.4 L—B膜法 子间相互作用形成自组装膜,是一种适合使有机分 子自发地形成有序膜的技术。Kim S—H H 等将表 面沉积金的玻璃浸入胱胺盐酸盐的水溶液中,用去 离子水清洗后,将吸附有胱胺的金层在含有EDC和 羧基螺嗯嗪的乙醇溶液中反应,去离子水清洗、干燥 得到了自组装在金表面的螺嗯嗪单层膜(图1),并考 察了其光致变色行为。 O 一,L.B膜(Langmuir.Blodgett Film)是一种精确控制 薄膜厚度和分子排列的单分子膜沉积技术,即在水 lI C—Dye 一 N l -() NH 、 NH , —Dye N l H- 、,、NH /C—Dye N 、,、NH I H一_() ,, —Dy。 N l H 图1金表面螺曝嗪单层膜自组装过程 Fig.1 The stepwise organization of a spiroxazine dye monolayer on Au layer 进行层层自组装(Layer—by—layer Self-assembly) 嗯嗪基团的季铵盐,图2)与带负电荷的聚苯乙烯磺 可以制备多层膜。Kim S-H 等利用静电引力,在 载玻片上LBL沉积制备了带正电荷的螺嗯嗪(含螺 酸钠的交替多层膜(2层、5层和10层膜)并考察了 其光致变色行为。 嘞。— 一 。 带负电荷的聚苯乙烯磺酸钠的交替多层膜,并考察 了其光致变色行为。 Kim S-H 等相继在载玻片上LBL沉积制备 了带正电荷的含螺嗯嗪基团阳离子聚合物(图3)与 54 孙宾宾等有机光致变色功能薄膜的制备与应用研究进展 N 、N一^、一^、N 。 Cl I l 图3含螺嗯嗪基团阳离子聚合物的合成过程 Fig.3 The synthesis of cationic spirooxazine polymer 2有机光致变色功能膜制备方法简单 评述 在有机光致变色功能薄膜制备方面,与浸涂、旋 涂、喷涂相比较,L.B膜法和自组装法在有效地控制 有机分子有序排列、可控形成单层或多层相同材料或 不同材料的结构等方面优势明显 17 1。自组装法相对 一定的规律转换成可用信号的器件或装置。由于 以发生结构的可逆变化,进而引起分子极化率、离 有机光致变色薄膜在一定范围波长光的照射下可 子通透性、电导率等物化性质的改变,将这些变化 可以转化为光、电信号,制成传感器¨ 。螺嗯嗪类 光致变色化合物在紫外光照射下,呈现出有正、负 离子结构的开环体。SuK Shinael2。。等将螺嗯嗪类化 合物自组装在金表面形成单层膜,利用螺嗯嗪开环 于L.B膜法来说,更具有薄膜附着力强,制备过程简 单的优点。但是自组装法需要使用的有机光致变色 化合物分子结构上存在能与基体相互作用的官能团。 除此之外,有机光致变色材料还可以通过真空蒸镀法 体与拥有两性离子结构的苯丙氨酸之间的相互作用, 设计了对苯丙氨酸就有检测作用的传感器(图4)。 3.2可擦重写光盘 等方式成膜¨ ,真空蒸镀成膜均匀但设备要求高。 光信息存储是当今公认的重大科技领域的前 沿课题之一。光致变色薄膜的光成色和光漂白循 环构成化学记忆模型,可用于信息存储 。国内外 这一领域的研究很多,樊美公等用两种涂布方法制 3 有机光致变色功能膜材料的应用 3.1 传感器 传感器是一种能感受和探测外界信号,并按照 O O 得了以吡咯取代的浮精酸酐为光致变色成份的光盘 、/_- 一 人 一o Ring・Closed Form H O O IIC.I/ N—一、厂一 ¨—Opened Form —・ ,、-IC一-一 H Phenylalanine 图4金表面螺嗯嗪单层膜的光转化及其开环体与苯丙氨酸的相互作用 Fig.4 Reversible photo-conversion of spirooxazinr monolayer on Au film and the interaction between ring-opened form and phenylalanine 2013年第42卷第5期 合成材料老化与应用 55 样盘 引。一种是甩胶法,将光致变色化合物和高分 子介质溶于有机溶剂,甩涂于基盘上;另一种是真 空蒸镀法,在高真空环境中加热光致变色化合物使 其蒸发,从而均匀地涂于基盘上。样盘的成色与消 色过程分别用紫外光和He—Ne激光器照射,经数百 薄膜研究进展[J].化工新型材料,2006,34 (5):8—1O. [2]孙宾宾,陈洁,杨博.键和光致变色螺嗯嗪侧 基的聚合物研究进展[J].云南化工,2008,35 (1):65—69. 次写入删除循环后,未见光敏感性和其他性能的明 显变化。随着光致变色光存储体系中五个关键难 [3]刘浪,龙世军,张国栋,等.PMMA分散螺吡喃 薄膜的微结构与光致变色行为[J].高等学校 化学学报,2010,31(9):1868—1873. 题的初步解决或接近实用化的要求,光致变色信息 存储材料已处在应用开发和产业化的前夕 。 3.3环境装饰与伪装 有机光致变色涂料已有产品开发成功,将其涂布 于固定建筑室外表面,可以起到装饰美化作用。将有 机光致变色薄膜应用于军事和国防目标,利用其颜色 随光线的变化使其融自然中,使卫星等侦察手段 不易发觉,可以起到隐蔽伪装作用 J。 4结束语 有机光致变色薄膜材料在一些领域已经得到 广泛研究与应用,但也存在一些问题。 ①有机光致变色化合物合成困难,特别是一些 光致变色杂环化合物,导致的薄膜材料成本较高,限 制了其在低端市场的应用。譬如有机光致变色涂料 已经有多个品种开发成功,但是很难推广。目前研究 的方向是寻找更为简单的制备方法以降低成本。 ②有机光致变色光存储体系中五个关键难题 还未彻底解决,尚达不到产业化要求。目前研究的 方向是寻找在室温下具有可逆、可探测双稳态的有 机光致变色体系 。 ③大部分有机光致变色材料,包括各种方法制 备的光致变色薄膜,其所谓的可逆光致变色行为并 不是无条件、无穷次的可逆。这是由于这些染料分 子在长期的光致变色循环过程中,会发生氧化、降 解等副反应,引起光致变色成分的损失,进而导致 材料光致变色性能的降低甚至失去,即光致变色材 料的抗疲劳性能尚不够高。目前研究的方向包括 对光致变色分子结构进行修饰,寻找抗疲劳性能更 好的新光致变色品种,通过隔离保护等手段提高其 抗疲劳性等。 相信随着研究的不断深入,有机光致变色功能 薄膜将会在日常生活、军事国防、光电材料等领域 得到更加广泛的应用。 参考文献 [1]尚福亮,杨海涛,韩海涛.光致变色纳米WO, [4]Lee I—J.A low temperature spectrophotometric study of the photomer0cyanine form of spiroox— azine doped in polystyrene film[J].J Photochem Photobiol A:Chem,1999,124:141—146. 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CN l364858A.2002—08—21. 具有更好的加工及阻燃等性能。 (3)经喷雾干燥后的产品可改变微观形态,由 棒状变为片状,并且经验证片状的阻燃效率比棒状 的高。 [8]廖洪书等.高纯度三聚氰胺氰尿酸的制备方法 [P].CN 1506356A.2004—06—23. f 9 i Jean—Michel Paul,PROCESS FOR THE SYN— (4)本工艺简单环保,并且经小试、中试、大试 证明,工艺稳定可靠,完全可以用于工业化生产,对 THESIS OF MELAMINE CYANURATE[P]. US005202438A.1993—04—13. 国内MCA产品品质的提升有很大的带动作用。 [10]阿达.米歇尔.制备密胺氰尿酸酯的方法 参考文献 Tanaka,Shinya Combination of melamine deriva— tives for fineproofing agent for thermoplastre poly— [P].CN 1942452A.2007—04—04. [11]周侃等.高流散性高纯度结晶片状三聚氰胺 氰尿酸酯的制备方法[P].CN 102093300B. 2012—08—08.