基于旋涂法制备的智能光致变色膜

2020-08-06冯丽萍马世苹余佳洁范恒维

技术与市场 2020年8期

冯丽萍，马世苹，余佳洁，范恒维

(西北工业大学材料学院动力与能源学院航天学院，陕西西安 710129)

0 引言

紫外线的危害、光污染等被人熟知，玻璃幕墙的运用更是加剧了光污染，因此遮光产品备受欢迎[1]。然而目前市面上已经存在的遮光产品均存在一定程度的缺陷：传统窗帘材料浪费、寿命短、安装繁杂；玻璃幕墙反射膜造成光污染、治标不治本；变色玻璃成本高、安装繁杂、防紫外线效果不好，市场正期待着拥有创新理念的新型防紫外线遮光产品。笔者开发的基于旋涂法制备的智能光致变色膜正是这样一种产品。

1 变色膜原理及制备

1.1 工作原理

在太阳光或者其他含有紫外线的光线照射条件下，变色膜使用的材料WO3和TiO2能产生光生电子-空穴对，价带上会产生空穴，电子则会跃迁到导带，ZnO作为催化剂，可以生成更多光生电子-空穴对。空穴能够分解WO3- TiO2复合结构上吸附的水分子，将其分解为H+和O2-，H+通过扩散或者库仑力的作用进入WO3内部，WO3与H+及光生电子一起反应生成蓝色的钨青铜，WO3-TiO2由无色变为蓝色，经过上述过程，紫外线被部分吸收[2]。另外长链大分子PEG-400的存在可以提升复合溶胶的附着性能，从而达到紧紧吸附水分的目的，从而可以提高变色速率和变色品质，使复合薄膜可见光区域的吸收光谱也发生变化。在膜的性能方面，通过大量实验证明，在WO3、TiO2、ZnO三者比例为16：2：1，且加入适量PEG-400时，其变色性能、吸光性能为最优。

以旋涂法将制备好的混合溶胶旋涂在PVC膜上，在制备过程中，通过加入适量的PVA提高膜与复合溶胶的黏度，待其旋涂均匀后，在一定温度下对薄膜进行干燥处理，得到非晶态的薄膜。

在太阳光或其他含有紫外线的光线下，当W6+被还原为W5+之后，由WO3-TiO2-ZnO组成的无色复合溶胶颜色发生改变，最终显示为蓝色[3]。因此降低膜的透光率，从而可以通过感应外界光强度的变化来降低自身的透光性，以达到降低太阳光或其他含有紫外线的光线透过率的目的，当太阳光或其他含有紫外线的光线照射强度减弱时，笔者研发的复合变色膜将会由蓝色慢慢变为无色，从而使自身的透光率逐渐升高。

1.2 变色膜制备方法

本变色膜制备整体流程(见图1)分为3部分，充分利用其材料复合、旋涂制膜的创新优势，发挥复合光致变色膜使用简单、寿命较长、效果稳定的特点，其中所述复合溶液的制备包含3种基本材料的制备。

图1 变色膜制备整体流程

1.2.1 WO3溶胶的制备

1)称取3.3 g钨酸钠于20 ml的超纯水中，在搅拌的同时向溶液中滴加盐酸，使溶液的pH=4。

2)称取1.8 g草酸溶于20 ml超纯水中，搅拌10 min。

3)将2种溶液混合，搅拌10 min，然后在空气中陈化24 h。

1.2.2 TiO2溶胶的制备

1)称量7.12 g钛酸丁酯溶于在25 ml的无水乙醇中，搅拌30 min。

2)量取1 ml超纯水和2 ml乙酸，将两者混合，搅拌10 min。

3)将2种溶液混合，搅拌30 min，在空气中陈化24 h。

1.2.3 ZnO溶胶的制备

1)称取2.75 g的二水合乙酸锌溶解在25 ml无水乙醇中，形成悬浊液。

2)向悬浊液中滴加1.5 ml二乙醇胺，溶液变透明，60℃下恒温搅拌30 min。

3)陈化24 h，形成清澈透明的ZnO溶胶。

在50 ml的WO3溶胶中添加0.5 g的PEG-400，然后取50 ml的WO3与PEG-400混合溶胶与TiO2溶胶、ZnO溶胶按照不同的比例进行混合，然后在25℃的条件下用超声波振动仪振动10 min，从而得到不同组分配比且各组分分布效果好的复合溶胶。

本WO3- TiO2- ZnO复合薄膜以PVC膜为衬底采用旋涂法制备，由于PVC膜的表面可能会存在一定的灰尘颗粒等污染物，这将会造成所制备的复合薄膜的均匀性较差，除此之外，薄膜与衬底间的粘附力将会变小，薄膜内部将会产生各种缺陷，所以在制取复合薄膜前应该对基底进行必要的清洗。

使用清洗干净后的PVC膜作为基底，将匀胶机转速调整为500 r/min。先在基底上滴加PVA提高黏度，再滴加适量不同配比混合溶液制备得到复合膜。

1.3 变色膜制备结果及测试

对制备好的复合膜使用紫外分光光度计进行分析测试，得到不同组分的复合溶胶在紫外线照射10 min后的吸收光谱(见图2)。根据吸收光谱可知，WO3：TiO2：ZnO=16:2:1为最佳配比。在复合溶液中添加PEG-400可以使得变色膜的变色性能改变，当添加0.5 g PEG-400的时候，所制备的变色膜具有最出色的变色性能，此时的变色膜在20 W的紫外灯的照射下，8 min后变为蓝色，即在紫外线的照射下，该变色膜拥有快速的变色反应速率。使用扫描电子显微镜得到其在2.5 μm、600 nm的表面形貌微观图片，其表面较为光滑，可判断旋涂均匀，效果较好。

图2 不同组分的复合溶胶在紫外线照射10 min后的吸收光谱

图3 添加PEG-400的复合溶胶制备的变色膜在20 W紫外灯照射后的吸收光谱

将在紫外线下照射20 min后已变色的复合变色膜放在避光的条件下一定的时间，得到其褪色过程的吸收光谱(见图4)。由图4可知，放置2 h后，吸收峰由850 nm移向880 nm。将变色膜放在无光环境10 h后，有机无机复合膜由蓝色变为无色。该变色膜再次被照射后，又从无色变为蓝色，这表示该样品具有比较好的的光致变色可逆性。