馮麗萍，馬世蘋，余佳潔，范恒維

(西北工業(yè)大學材料學院動力與能源學院航天學院，陜西 西安 710129)

0 引言

紫外線的危害、光污染等被人熟知，玻璃幕墻的運用更是加劇了光污染，因此遮光產品備受歡迎[1]。然而目前市面上已經存在的遮光產品均存在一定程度的缺陷：傳統(tǒng)窗簾材料浪費、壽命短、安裝繁雜；玻璃幕墻反射膜造成光污染、治標不治本；變色玻璃成本高、安裝繁雜、防紫外線效果不好，市場正期待著擁有創(chuàng)新理念的新型防紫外線遮光產品。筆者開發(fā)的基于旋涂法制備的智能光致變色膜正是這樣一種產品。

1 變色膜原理及制備

1.1 工作原理

在太陽光或者其他含有紫外線的光線照射條件下，變色膜使用的材料WO3和TiO2能產生光生電子-空穴對，價帶上會產生空穴，電子則會躍遷到導帶，ZnO作為催化劑，可以生成更多光生電子-空穴對?？昭軌蚍纸釽O3- TiO2復合結構上吸附的水分子，將其分解為H+和O2-，H+通過擴散或者庫侖力的作用進入WO3內部，WO3與H+及光生電子一起反應生成藍色的鎢青銅，WO3-TiO2由無色變?yōu)樗{色，經過上述過程，紫外線被部分吸收[2]。另外長鏈大分子PEG-400的存在可以提升復合溶膠的附著性能，從而達到緊緊吸附水分的目的，從而可以提高變色速率和變色品質，使復合薄膜可見光區(qū)域的吸收光譜也發(fā)生變化。在膜的性能方面，通過大量實驗證明，在WO3、TiO2、ZnO三者比例為16：2：1，且加入適量PEG-400時，其變色性能、吸光性能為最優(yōu)。

以旋涂法將制備好的混合溶膠旋涂在PVC膜上，在制備過程中，通過加入適量的PVA提高膜與復合溶膠的黏度，待其旋涂均勻后，在一定溫度下對薄膜進行干燥處理，得到非晶態(tài)的薄膜。

在太陽光或其他含有紫外線的光線下，當W6+被還原為W5+之后，由WO3-TiO2-ZnO組成的無色復合溶膠顏色發(fā)生改變，最終顯示為藍色[3]。 因此降低膜的透光率，從而可以通過感應外界光強度的變化來降低自身的透光性，以達到降低太陽光或其他含有紫外線的光線透過率的目的，當太陽光或其他含有紫外線的光線照射強度減弱時，筆者研發(fā)的復合變色膜將會由藍色慢慢變?yōu)闊o色，從而使自身的透光率逐漸升高。

1.2 變色膜制備方法

本變色膜制備整體流程(見圖1)分為3部分，充分利用其材料復合、旋涂制膜的創(chuàng)新優(yōu)勢，發(fā)揮復合光致變色膜使用簡單、壽命較長、效果穩(wěn)定的特點，其中所述復合溶液的制備包含3種基本材料的制備。

圖1 變色膜制備整體流程

1.2.1 WO3溶膠的制備

1)稱取3.3 g鎢酸鈉于20 ml的超純水中，在攪拌的同時向溶液中滴加鹽酸，使溶液的pH=4。

2)稱取1.8 g草酸溶于20 ml超純水中，攪拌10 min。

3)將2種溶液混合，攪拌10 min，然后在空氣中陳化24 h。

1.2.2 TiO2溶膠的制備

1)稱量7.12 g鈦酸丁酯溶于在25 ml的無水乙醇中，攪拌30 min。

2)量取1 ml超純水和2 ml乙酸，將兩者混合，攪拌10 min。

3)將2種溶液混合，攪拌30 min，在空氣中陳化24 h。

1.2.3 ZnO溶膠的制備

1)稱取2.75 g的二水合乙酸鋅溶解在25 ml無水乙醇中，形成懸濁液。

2)向懸濁液中滴加1.5 ml二乙醇胺，溶液變透明，60℃下恒溫攪拌30 min。

3)陳化24 h，形成清澈透明的ZnO溶膠。

在50 ml的WO3溶膠中添加0.5 g的PEG-400，然后取50 ml的WO3與PEG-400混合溶膠與TiO2溶膠、ZnO溶膠按照不同的比例進行混合，然后在25℃的條件下用超聲波振動儀振動10 min，從而得到不同組分配比且各組分分布效果好的復合溶膠。

本WO3- TiO2- ZnO復合薄膜以PVC膜為襯底采用旋涂法制備，由于PVC膜的表面可能會存在一定的灰塵顆粒等污染物，這將會造成所制備的復合薄膜的均勻性較差，除此之外，薄膜與襯底間的粘附力將會變小，薄膜內部將會產生各種缺陷，所以在制取復合薄膜前應該對基底進行必要的清洗。

使用清洗干凈后的PVC膜作為基底，將勻膠機轉速調整為500 r/min。先在基底上滴加PVA提高黏度，再滴加適量不同配比混合溶液制備得到復合膜。

1.3 變色膜制備結果及測試

對制備好的復合膜使用紫外分光光度計進行分析測試，得到不同組分的復合溶膠在紫外線照射10 min后的吸收光譜(見圖2)。根據吸收光譜可知，WO3：TiO2：ZnO=16:2:1為最佳配比。在復合溶液中添加PEG-400可以使得變色膜的變色性能改變，當添加0.5 g PEG-400的時候，所制備的變色膜具有最出色的變色性能，此時的變色膜在20 W的紫外燈的照射下，8 min后變?yōu)樗{色，即在紫外線的照射下，該變色膜擁有快速的變色反應速率。使用掃描電子顯微鏡得到其在2.5 μm、600 nm的表面形貌微觀圖片，其表面較為光滑，可判斷旋涂均勻，效果較好。

圖2 不同組分的復合溶膠在紫外線照射10 min后的吸收光譜

圖3 添加PEG-400的復合溶膠制備的變色膜在20 W紫外燈照射后的吸收光譜

將在紫外線下照射20 min后已變色的復合變色膜放在避光的條件下一定的時間，得到其褪色過程的吸收光譜(見圖4)。由圖4可知，放置2 h后，吸收峰由850 nm移向880 nm。將變色膜放在無光環(huán)境10 h后，有機無機復合膜由藍色變?yōu)闊o色。該變色膜再次被照射后，又從無色變?yōu)樗{色，這表示該樣品具有比較好的的光致變色可逆性。

圖4 添加PEG-400的復合溶膠制備的變色膜放在避光處不同時刻的吸收光譜

2 結語

筆者所制備的智能光致變色膜原理簡單，制備成本較低，對現有的玻璃無需更換，只需要將此變色膜像手機貼膜一樣張貼在所需場所的玻璃制品上就可以滿足人們的需求，能夠吸收較強紫外線，并能反復使用，對解決當前較強紫外線對人體不適的問題有一定作用。