王曉輝,董黎明,顧俊杰,么冰,陳艷,李靖
(1.徐州工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221111;2.江蘇綠源橡膠資源循環(huán)利用創(chuàng)新中心,江蘇 邳州 221300)
可逆熱敏變色材料在智能窗、穿戴(控溫)電子傳感器、打印、安全標(biāo)、高壓電、路橋與多頻監(jiān)偽等領(lǐng)域被廣泛、深入研究與應(yīng)用[1-6]?;钚詼貐^(qū)居于酸與單苯酚類之間的雙酚A(BPA)[7],比熒烷內(nèi)酯環(huán)更難光活化失羧的三苯甲烷類結(jié)晶紫內(nèi)酯(CVL)[8-9]作電子受體、電子給體的二元有機(jī)體系,分別可失去H+顯色和接受H+隱色,成為受關(guān)注焦點(diǎn)。酚羥基(OH)通過釋放H+給予內(nèi)酯環(huán)及再得到H+,兩者分別在醌和開環(huán)酸之間異構(gòu)轉(zhuǎn)化,紫外-可見光帶的吸收/散射度得到調(diào)節(jié),產(chǎn)生迅速與顯著的溫度跟蹤及變色響應(yīng)[4,10]。有生物親和活性、介于1-癸醇和1-十八醇之間的的長鏈脂肪醇常用于調(diào)節(jié)體系相變限,即變色域[4,11-12]。制備該類材料的復(fù)配法、無機(jī)包覆法等易流失組分[4,13],無機(jī)SiO2等殼易風(fēng)化[14],微膠囊法與濕成膜法采用合成、天然高分子膜或球包封該體系[4,11-12]更穩(wěn)定、環(huán)境友好。例如Heng等[15]采用木質(zhì)纖維素,T?züm等[11-12]以聚甲基丙烯酸甲酯-乙二醇-二甲基丙烯酸酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯[P(MMA-co-EG-co-DMA-co-GMA)]、聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸[P(MMA-co-MAA)]等作殼封包多組分的BPA體系。耿曉葉[16]的三聚氰胺-多聚甲醛人工微球,相變潛熱量ΔHm為171.9 J/g、ΔHc為171.4 J/g。Wang等[17]用聚偏氟乙烯(PVDF)作壁的核/殼纖維,相轉(zhuǎn)變溫度約38 ℃,潛熱達(dá)88.7 J/g。此外,He等[18]的聚乙烯醇/聚氨酯(PVA/PU)復(fù)合膜能經(jīng)歷百次穩(wěn)定的熱冷循環(huán)。Wang等[19]以甲基紅做改性劑、在30~40 ℃藍(lán)紫/橙紅變色微球,成功應(yīng)用于紡織物。
具有2,6-取代活性的BPA,與高熔點(diǎn)、強(qiáng)π-π堆積作用的對(duì)苯二甲醛(TPD)[20-21]可控共聚成低聚物,預(yù)防BPA在封裝膜或微球損壞、降解后的直接暴露,并且吸電子的混芳香橋可弱化酚OH的H+活性,調(diào)節(jié)體系變色域,降低潛熱[20],提升其低溫敏感性[20-21]和變色速度。本文采用低熔點(diǎn)、弱π-π堆積作用且活性略高于TPD的潛在生物質(zhì)IPD,與BPA在開放與溶液共縮聚體系中,微波輔助合成2,6-單取代雙酚A間苯二甲醛樹脂(BPA-IPD),并將該顯色劑封裝在NiBR中,研究隱顯色劑、混合醇以及成膜物質(zhì)等工藝因素影響的復(fù)合膜熱敏變色性質(zhì)。
雙酚A、十六醇與十八醇,化學(xué)純,上海泰坦科技股份有限公司;
正丁醇、NaOH、甲醇、無水乙醇,分析純,上海泰坦科技股份有限公司;
間苯二甲醛,純度為98 %,上海泰坦科技股份有限公司;
結(jié)晶紫內(nèi)酯,純度為97 %,上海泰坦科技股份有限公司;
丙酮,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;
鎳系順丁橡膠,NiBR-9000,江蘇格菲新材料有限公司;
98號(hào)汽油,市售,徐州徐勤加油站有限公司。
微波合成儀,M1-L213B,廣東美的廚房電器制造有限公司;
凝膠滲透色譜儀(GPC),PL-GPC 50,美國安捷倫科技有限公司;
1H-NMR、13C-NMR,Avance Neo 500,德國布魯克有限公司;
FTIR,ALPHA-Ⅱ,德國布魯克有限公司;
分光色差儀(SP),CS-420,杭州彩譜科技有限公司;
電加熱攪拌臺(tái)(HS),5S,中國Joanlab有限公司;
偏光顯微鏡(PLM),BX53P,日本奧林巴斯影像有限公司;
熱重分析儀(TG),Q50,美國沃特斯儀器有限公司;
熱分析儀(DSC),Q20,美國沃特斯儀器有限公司。
2.283 g雙酚A、1.368 g間苯二甲醛(以98.0 %計(jì))以0.010∶0.010 (mol)加入50 mL燒杯,再移取5.00 mL正丁醇、現(xiàn)配的0.050 mL 1 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù),0.250 mol/L)的NaOH溶液,在60 ℃超聲至均相液體。以385 W,于微波合成儀內(nèi)加熱6 min。向粗產(chǎn)物中加入10.00 mL無水乙醇,于約60~70 ℃超聲至完全溶解,熱過濾,緩緩加入20.00 mL去離子水,升溫至80 ℃完全溶解后,冷卻至室溫,自然分層后保留底層,按程序再進(jìn)行2次,于80 ℃真空旋蒸,除去殘留單體與混合溶劑,產(chǎn)物溶解于5.00 mL無水乙醇中,超聲至透明溶液,約10 min向其中滴加1.00 mL甲醇和10.00 mL水混合溶液,緩緩分層,保留底層,干燥得到淡黃色樹脂2.042 g,以BPA計(jì)得率75 %。
結(jié)晶紫內(nèi)酯(CVL)、2,6-單取代雙酚A間苯二甲醛樹脂(BPA-IPD)、二元醇(十六醇+十八醇)與NiBR等,按質(zhì)量比0.007 5∶0.011∶0.38(0.23∶0.15)∶0.45(g)為典型配方。在50 mL燒杯中依次加入上述質(zhì)量配比的物料后,無水乙醇、丙酮、98號(hào)汽油按5.00、5.00、10.00 mL加入,于燒杯口覆蓋、固定聚乙烯薄膜,防水和減慢汽油揮發(fā),在50~60 ℃攪拌分散并溶解成為混合溶液。流延于清潔的載玻片表面,80 ℃下干燥并成膜。
GPC分析:以GPC測(cè)試BPA-IPD的相對(duì)分子質(zhì)量和分布,分別以四氫呋喃(THF)和聚苯乙烯(PS)作溶劑和內(nèi)標(biāo)物;以1H-NMR、13C-NMR測(cè)試樹脂結(jié)構(gòu),DMSO-d6作溶劑;以FTIR的Platinum-ATR模塊于室溫直接測(cè)樣;
TG分析:用TG研究熱穩(wěn)定性,30~750 ℃,N2氛圍,升溫速率為10.00 ℃/min;
DSC分析:用DSC研究吸放熱效應(yīng)和循環(huán)穩(wěn)定性,分別為0~550 ℃和0~60 ℃,N2氛圍,控溫速率為10.00 ℃/min,DSC循環(huán)曲線測(cè)試前升溫至60 ℃后降至0 ℃ 1次及升降溫8次以消除熱歷史及應(yīng)力史;
復(fù)合膜的變色性質(zhì)測(cè)試:采用SP,基于Berns的CIELAB系統(tǒng)測(cè)試膜的明度差(ΔL)和色度差(Δa、Δb)等坐標(biāo),計(jì)算總色差[22]:
置復(fù)合膜片于電加熱攪拌臺(tái)(HS),升溫至80 ℃,采用HS預(yù)設(shè)及冰水聯(lián)合控溫,觀察熱敏變色過程不同階段及8次重復(fù)變色后的實(shí)物照片;在常溫環(huán)境中,將80 ℃、附有膜的載玻片掛在剛從冷藏冰箱中取出的生物冰袋表面,觀察并計(jì)算變色時(shí)間和速度。對(duì)DSC曲線采取積分方法得相變限、熔融焓(ΔHm)與結(jié)晶焓(ΔHc)。根據(jù)所測(cè)樣品失色極限所對(duì)應(yīng)光譜反射率R的相對(duì)差異,式(2)所示為Kubelka-Munk定律[22],計(jì)算吸收/散射系數(shù)比:
將直徑約300 μm的膜顆粒夾在兩偏光片內(nèi),置于偏光顯微鏡(PLM)的測(cè)試孔處,加熱高溫冷、熱臺(tái)至60 ℃,平衡1~5 min,觀察膜微結(jié)構(gòu)在降溫中的相變變化。
樹脂的Mˉn和重均相對(duì)分子質(zhì)量(Mˉw)分別為1.150×103、1.155×103g/mol,PDI為1.004,IPD活性接近但略高于TPD[20-21]。與PS相比,樹脂與THF的互溶性更好,在色譜淋洗中更容易脫附,引起示值偏大。n=2時(shí),BPA-IPD的摩爾質(zhì)量為1 087.254 g/mol,最接近Mˉn下限,判斷交替共聚的兩種單體分子均為3[圖1(a)和(e)],這是1個(gè)BPA-IPD分子連接有11個(gè)醇(酚)OH導(dǎo)致的。
圖1 樹脂的1H-NMR和13C-NMR譜圖Fig.1 1H-NMR and 13C-NMR the spectra of resin
圖1(a)~(d)是樹脂的氫序和1H-NMR譜圖。10.38與10.31處較弱的1H、2H峰可能是少量低熔點(diǎn)、弱π-π堆積作用的IPD端基中CHO氧化為COOH及其異構(gòu)象化所致,初步判斷端醛基有所氧化,醛、酚兩種單體的當(dāng)量比略有降低,BPA-IPD的低Mˉn可能由于端醛基的低活性及轉(zhuǎn)化為COOH,因而部分失去聚合活性所致。10.13處3H、4H合并單峰說明端CHO的H只有一種構(gòu)象。8H比5H的化學(xué)位移數(shù)增加,H—O結(jié)合更牢固,H+活性相應(yīng)降低。從峰面積積分看,6H、11H、13H與17H為1.00∶1.40∶1.42∶3.60,符合1個(gè)樹脂分子中的原子數(shù)目5、7、7和18;IPD端基的12H、14H、15H與IPD非端基的7H、9H、10H為0.16∶0.32,IPD端基、非端基各為1、2個(gè)[23],但端醛基未脫去。8.43、8.43、8.44峰略不對(duì)稱,為8H與11H、13H遠(yuǎn)程偶合而得,證實(shí)雙酚A的2,6位為單取代,否則8H的化學(xué)位移數(shù)進(jìn)一步增加,H+活性繼續(xù)降低,在更高場(chǎng)出現(xiàn)2,6-雙取代附近酚OH的H單峰。
圖1(e)~(g)是樹脂的碳序和13C-NMR譜圖。193.9、192.4的1、2C峰可能為IPD端醛基C的裂分引起。未見COOH的3、4C峰,綜合其信號(hào)弱及其單峰特性,仍有待確認(rèn)圖1(b)部分端醛基失活的判斷。16C丟失信號(hào),其附近缺H,—CH3通過單鍵的旋轉(zhuǎn)也造成16C和17H難以穩(wěn)定地弛豫[20-21],過高的縱向弛豫時(shí)間T1太高造成基態(tài)的16C原子數(shù)太少。155.4~155.2峰不對(duì)稱,是5C與5H、8H、11H及13H耦合、重疊所致[23]。也證實(shí)雙酚A的2,6位為單取代,否則化學(xué)位移數(shù)進(jìn)一步增加,在更高場(chǎng)也出現(xiàn)2,6-雙取代鄰位5C單峰。
圖2、表1分別是BPA-IPD的FTIR譜圖及紅外性質(zhì)與結(jié)構(gòu)關(guān)系。757、647 cm-1出現(xiàn)BPA單元的1,2,4-取代吸收,723 cm-1出現(xiàn)BPA端基的1,4-取代吸收,而1,2,3,5-(即BPA的2,6-雙)取代吸收在該域附近應(yīng)為單峰。與757 cm-1比,647 cm-1峰變寬、增強(qiáng),符合BPA的2,6-單取代特征。825、679、551 cm-1出現(xiàn)IPD單元(及端基)的1,3-取代吸收,可能端醛基的C=O誘導(dǎo)了其附近有一定初始振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能量的C—H彎曲倍頻與其伸縮之間發(fā)生Fermi共振,能量從伸縮能級(jí)傳遞至彎曲倍頻能級(jí),不穩(wěn)定的C—H彎曲倍頻經(jīng)輻射躍遷、弛豫等返回基態(tài),增加了基態(tài)的C—H數(shù)量,故吸收紅外光波后,發(fā)展為C—H彎曲基頻的強(qiáng)峰(825、551 cm-1),并使551 cm-1的吸收明顯不對(duì)稱裂分為3。1 731 cm-1肩峰證實(shí)IPD端羧基的部分存在。
表1 樹脂的紅外性質(zhì)與結(jié)構(gòu)關(guān)系Tab.1 Relationship of BPA-IPD’s infrared properties and structures
圖2 樹脂的FTIR曲線Fig.2 FTIR curves of the resin
在圖3(a)樹脂的TG-DTG曲線中,失重峰有3個(gè),分別為:111 ℃左右,與11個(gè)醇(酚)OH結(jié)合的水開始脫附;到328 ℃,C—C斷裂已導(dǎo)致79 %的損失;在328~408 ℃,酚羥基團(tuán)的C—O斷裂及氧化脫水造成8 %的損失[23,24]。在圖3(b)復(fù)合NiBR膜的TG-DTG曲線中,失重峰也有3個(gè),分別為:在132~375 ℃,高沸程汽油餾分引起68 %的損失[25];在375~449 ℃,二元醇在沸點(diǎn)附近揮發(fā)導(dǎo)致5 %的損失;在463~534 ℃,損失的26 %可能由于膜中含量較高的二元醇所生成更為熱穩(wěn)定的縮醚和NiBR分子的裂解引起[26]。兩者在復(fù)合膜的低高溫段共結(jié)晶相相變區(qū)域12~37 ℃、36~46 ℃[圖4(b)]均穩(wěn)定。
圖3 樹脂和復(fù)合NiBR膜的TG和DTG曲線Fig.3 TG and DTG curves of the resin and composite film
圖4 樹脂和復(fù)合NiBR膜的DSC曲線Fig.4 DSC curves of the resin and composite film
樹脂在升溫過程中有3處吸熱[圖4(a)],在77~163 ℃,11個(gè)醇(酚)OH于分子間解離,引起1個(gè)熔融吸熱峰,熔融焓約70.1 J/g,CHO的氧化產(chǎn)物COOH也加劇樹脂分子內(nèi)聚傾向,造成熔融峰略移至高溫方向,這是由于BPA端基上2個(gè)呈“V”字芳香環(huán)的剛性,故8H、5H晶相聯(lián)動(dòng)[23,27],與醇(酚)OH結(jié)合的水于158 ℃左右脫附吸熱(2峰,熔融焓約為3.68 J/g),隨后,C—C鍵逐步斷裂和解體[24],熔融焓約為219 J/g。復(fù)合膜在升溫中有5處熱效應(yīng)[圖4(b)],膜中樹脂含量少,并作為顯色劑,與隱色劑、混合醇形成共結(jié)晶相,于低溫段出現(xiàn)新熔融吸熱峰(1峰,熔融焓約為9.50 J/g),在Ni-BR的黏流轉(zhuǎn)變區(qū)出現(xiàn)2峰[28],熔融焓約為51.3 J/g,第3個(gè)區(qū)域吸放熱不顯著,與汽油的易揮發(fā)特性一致[25],C—O斷鍵失去O易于被順丁鍵還原并放熱引起峰4,NiBR斷裂成小分子揮發(fā)引起峰5[26]。
從表2可以看出,適宜的樹脂促進(jìn)生成共結(jié)晶相,表現(xiàn)為ΔE/t先增后減,結(jié)晶限、ΔHm和ΔHc遞減[圖5(a)],這說明高、低溫段共結(jié)晶相均有較低的結(jié)晶限、潛熱,由于連接有11個(gè)醇(酚)OH的樹脂與NiBR極性差異顯著的原因,膜制備中OH表面的水分子容易脫離基相聚集破壞膜質(zhì)地,IPD端CHO氧化產(chǎn)物COOH也與BPA-IPD的酚OH競(jìng)爭和CVL締合,在樹脂含量較低、較高時(shí)對(duì)ΔE和ΔE/t影響顯著;混合醇的熔點(diǎn)、潛熱均較高且差異明顯,可調(diào)節(jié)體系共熔點(diǎn)及一定環(huán)境下的變色速度[29]:ΔE/t遞減,結(jié)晶限的高溫段先增后減,結(jié)晶限的低溫段先減后增,ΔHm和ΔHc遞增[圖5(b)],過量、親水的混合醇和基體容易相分離;本體系中,十八醇的熔點(diǎn)、潛熱均高于十六醇,故ΔE/t、ΔHm和ΔHc的高溫段先減后增,ΔHm和ΔHc的低溫段中部先增后減,結(jié)晶限的低溫段中部和高溫段遞增[圖5(c)],這是低溫段的共結(jié)晶相更親于親水的十六醇,因而共熔點(diǎn)較低[30],十八醇與高溫段共結(jié)晶相的互容性也更好;NiBR屬于1,4-高順式常溫高彈性分子,熔限略高于低溫段共結(jié)晶相,是容納變色體系的優(yōu)良載體[31]:ΔE/t、結(jié)晶限的低溫段遞減,結(jié)晶限的高溫段、ΔHm和ΔHc先增后減[圖5(d)],NiBR的微小孔穴是低溫段共結(jié)晶相的生成適宜區(qū)域,但橡膠又屬于非極性分子,難溶于普通溶劑進(jìn)行制膜,膜的導(dǎo)熱、散熱也有難度[32]。
表2 復(fù)合膜的熱敏變色性質(zhì)Tab.2 Thermochromic properties of the composite films
圖5工藝條件對(duì)復(fù)合膜的值的影響Fig.5 Effectof process conditions on composite films’ values
圖6進(jìn)行膜的12次熱冷循環(huán),DSC曲線的1~8次發(fā)生漂移,第9次開始重合,BPA-IPD樹脂分子中含有9個(gè)芳香環(huán),剛性強(qiáng),結(jié)構(gòu)應(yīng)力需經(jīng)過較長的熱歷史才能得到完全釋放,相變限、潛熱趨于穩(wěn)定,意味著變色點(diǎn)和ΔE保持一致[27]。此外,低高溫段共結(jié)晶相的相變峰重疊度較高,低熔點(diǎn)、弱π-π作用的IPD提升了BPA-IPD分子的柔性,有利于低溫段共結(jié)晶相的緊密堆積,部分生成的IPD端COOH也提升低溫段共結(jié)晶相的結(jié)晶限、熔限并逼近NiBR基體的相變限,反映變色體系與基相的互容性更好,變色速度也更快。
圖6 膜相變的DSC循環(huán)曲線Fig.6 DSC cycle curves of phase transition of the composite film
如圖7所示,在60~46 ℃一直存在的部分乳白晶粒可能為IPD端COOH之間或與CVL締合成高熔點(diǎn)結(jié)晶相所致。在44 ℃附近,黑色視野中浮現(xiàn)許多不規(guī)整的4個(gè)淡黃色條串指向同一徑向中心的黑十字消光圖,呈輻射狀,直徑約30 μm,部分“亞結(jié)構(gòu)”條串尚未完全過渡生成完整、對(duì)稱的十字,證實(shí)為球晶,這是熔融的NiBR進(jìn)入黏流轉(zhuǎn)變區(qū)[28][圖8(c)],形成高溫段共結(jié)晶相。在37 ℃,球晶增多,灰黃色加深,NiBR完成了橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變[圖8(d)]。此后至24 ℃,球晶在低溫段被深藍(lán)包覆,這主要是隱顯色劑與二元醇開始生成共結(jié)晶體(圖9)[30]。根據(jù)多組分體系以及醇、酚和酸等共存原理,可能的機(jī)理:BPA-IPD的酚羥基(OH)通過釋放H+給予內(nèi)酯環(huán)及再得到H+,兩者分別在醌和開環(huán)酸之間異構(gòu)轉(zhuǎn)化[4,10],繼而開環(huán)酸的CO的O與二元醇OH的H,苯醌的醌基O和二元醇OH的H間的氫鍵締合、解離效應(yīng),以及開環(huán)酸的COO的C與二元醇OH的O的電締合、解離效應(yīng),實(shí)現(xiàn)低溫段共結(jié)晶相的“熔融-結(jié)晶”循環(huán),紫外-可見光帶的吸收/散射度得到調(diào)節(jié),產(chǎn)生迅速的溫度跟蹤和可逆變色響應(yīng)。低于24 ℃,深藍(lán)色繼續(xù)加深[圖8(f)]。低于12 ℃,視野內(nèi)的低溫段共結(jié)晶相開始向外、延伸生長,深藍(lán)色加深[圖8(g)]且逐漸不清晰。
圖7 在降溫中復(fù)合膜的形貌變化Fig.7 Composite film’s morphology changes during cooling
圖8 復(fù)合膜熱敏變色過程不同階段的實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 Different stages’ physical photos of composite film’s thermochromic process
圖9 CVL、BPA-IPD和二元醇的低溫段共結(jié)晶主要機(jī)理Fig.9 Co-crystallization’s main mechanisms of CVL,BPAIPD and mixed alcohols at low temperature region
由圖8可知,與第1次熱冷循環(huán)比,重復(fù)8次后,在46 ℃的膜表面斑點(diǎn)(塊)消失,外觀變均勻、光滑、透明,這是BPA-IPD芳香剛性分子鏈為主的結(jié)構(gòu)應(yīng)力持續(xù)不斷地釋放造成的[27]。
(1)2,6-單取代雙酚A間苯二甲醛(BPA-IPD)低聚物、二元醇、鎳系順丁橡膠均顯著影響流延薄膜的ΔE、ΔE/t、結(jié)晶限、ΔHm和ΔHc;
(2)IPD的低熔點(diǎn)、弱π-π堆積作用,BPA-IPD的柔性以及部分IPD端CHO失活生成的COOH,有利于生成結(jié)晶焓約14.5、39.8 J/g的低、高溫段共結(jié)晶相,提升低溫段共結(jié)晶相的結(jié)晶限、ΔE/t及與1,4-高順式Ni-BR的互容性、穩(wěn)定性;
(3)隱顯色劑、二元醇、基體影響12~37 ℃的低溫段共結(jié)晶體、36~46 ℃的高溫段球晶的生成,經(jīng)配方優(yōu)化的復(fù)合膜,在12~37 ℃的ΔE,在480~600 nm、600~660 nm可見光區(qū)的分別達(dá)85左右,20與45左右,ΔE/t達(dá)2.14 s-1;
(4)BPA-IPD與CVL分別在醌和開環(huán)酸之間異構(gòu)轉(zhuǎn)化,繼而開環(huán)酸的CO的O與二元醇OH的H,苯醌的醌基O和二元醇OH的H間的氫鍵締合、解離效應(yīng),以及開環(huán)酸的COO的C與二元醇OH的O的電締合、解離效應(yīng),實(shí)現(xiàn)共結(jié)晶相的“熔融-結(jié)晶”循環(huán)、紫外-可見光帶的吸收/散射度調(diào)節(jié)及溫度跟蹤和可逆變色響應(yīng)。