一種高靈敏智能調控溼度的材料的製備方法與流程
2023-06-15 12:45:11 4
本發明涉及溼度調控材料領域，尤其是一種高靈敏智能調控溼度的材料的製備方法。
背景技術：
由於全球氣候變暖以及地處內陸和緯度的原因，內蒙古自治區的中西部地區氣候越來越乾燥，沙漠分布面積佔全國沙漠總面積的37.8％左右，趨於擴張化發展。而乾燥的氣候不僅能夠引起人類身體機能的多處不適，如口乾舌燥、呼吸系統免疫力下降、流鼻血、眼發澀等等；而且還會對當地乃至周邊城市的生態環境造成嚴重的影響。因此，研究開發一種有效的調控空氣溼度的新方法和新材料具有越來越重要的意義。
關於調溼材料，國內外學者已開展了多層面的研究。目前，已經有大量關於溼度調節材料的科研成果，但是大多數研究主要以材料的吸溼性為主要功能，缺少對水分釋放的有效方法，而且對於利用外界刺激來控制吸-放溼性能的智能材料的開發還鮮見報導。除此以外，大多數製備吸溼材料的方法和技術都存在步驟繁多、製備技術複雜、不利於實現大面積製備等不足之處從而難以滿足實際應用。
技術實現要素：
為了克服現有技術中的缺陷，提供一種高靈敏智能調控溼度的材料的製備方法。
本發明通過下述方案實現：
一種高靈敏智能調控溼度的材料的製備方法，包括以下步驟：
第一步，合成羥乙基吲哚；
第二步，氮羥乙基螺吡喃的合成；
第三步，丙烯醯化螺吡喃單體的合成；
第四步，螺吡喃基共聚物的合成；
第五步，靜電紡絲製備材料。
所述第一步包括以下步驟，將2,3,3-三甲基吲哚和2-溴乙醇按照摩爾質量比1：1的比例加入到反應溶劑中進行反應，回流12個小時，反應結束後，將溶劑蒸掉，得到的固體產物用無水乙醚洗滌多次，最終得到白色固體即羥乙基吲哚。
在第一步中，所述反應溶劑為乙腈，所述蒸發是採用旋轉蒸發儀將溶劑蒸發。
所述第二步包括以下步驟，將第一步合成的羥乙基吲哚與5-硝基水楊醛和催化劑哌啶以摩爾質量比1：1：1的比例在乙醇中回流反應3小時；
反應結束後，冷卻至室溫，抽濾，所得濾餅用甲醇抽洗，所得固體乾燥後即得到氮羥乙基螺吡喃。
所述第三步包括以下步驟，將第二步合成的氮羥乙基螺吡喃、丙烯醯氯和三乙胺以摩爾質量比1：1：1的比例以四氫呋喃為反應溶劑，在0℃反應12小時；
反應結束後，向反應產物中加入去離子水並用乙酸乙酯萃取產品，最後將所得的萃取產品進行柱層析提純。
所述柱層析提純是採用乙酸乙酯：石油醚的摩爾質量比為1：4的混合物作為展開劑。
所述第四步包括以下步驟，將第三步合成的丙烯醯化螺吡喃單體和甲基丙烯酸甲酯、偶氮二異丁腈以摩爾質量比1：9：0.5的比例加入到乾燥的n，n-二甲基甲醯胺中，在60℃下反應24小時；
反應結束後，冷卻至室溫，並將所得混合物投入到乙醇溶液中並抽濾，重複抽濾三次，所得的固體乾燥即為螺吡喃基共聚物。
所述第五步包括以下步驟，將第四步合成的螺吡喃基共聚物溶於n，n-二甲基甲醯胺溶劑中，攪拌12小時使聚合物溶液粘度均勻，隨後分別將溶液進行靜電紡絲，所得的膜材料即為智能調溼材料。
所述螺吡喃基共聚物在溶液中的質量百分比為25-45％。
所述靜電紡絲的紡絲距離為15cm，電壓為15kv。
本發明的有益效果為：
本發明一種高靈敏智能調控溼度的材料的製備方法所製備的智能調節溼度材料能夠在紫外光下或者黑暗條件下自動儲存空氣中的水分，然後在可見光下或者白天的時候再自動將水分釋放到空氣之中，並且靈敏度很高，從而達到智能調節溼度的作用。
附圖說明
圖1為本發明螺吡喃基共聚物的反應路線圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明優選的實施例進一步說明：
一種高靈敏智能調控溼度的材料的製備方法，包括以下步驟：
第一步，合成羥乙基吲哚；
如圖1中(1)所示，所述第一步包括以下步驟，將2,3,3-三甲基吲哚和2-溴乙醇按照摩爾質量比1：1的比例加入到反應溶劑中進行反應，回流12個小時，反應結束後，將溶劑蒸掉，得到的固體產物用無水乙醚洗滌多次，最終得到白色固體即羥乙基吲哚。
在第一步中，所述反應溶劑為乙腈，所述蒸發是採用旋轉蒸發儀將溶劑蒸發。
如圖1中(2)所示，第二步，氮羥乙基螺吡喃的合成；所述第二步包括以下步驟，將第一步合成的羥乙基吲哚與5-硝基水楊醛和催化劑哌啶以摩爾質量比1：1：1的比例在乙醇中回流反應3小時；
反應結束後，冷卻至室溫，抽濾，所得濾餅用甲醇抽洗，所得固體乾燥後即得到氮羥乙基螺吡喃。
如圖1中(3)所示，第三步，丙烯醯化螺吡喃單體的合成；所述第三步包括以下步驟，將第二步合成的氮羥乙基螺吡喃、丙烯醯氯和三乙胺以摩爾質量比1：1：1的比例以四氫呋喃為反應溶劑，在0℃反應12小時；
反應結束後，向反應產物中加入去離子水並用乙酸乙酯萃取產品，最後將所得的萃取產品進行柱層析提純。
所述柱層析提純是採用乙酸乙酯：石油醚的摩爾質量比為1：4的混合物作為展開劑。
如圖1中(3)所示，第四步，螺吡喃基共聚物的合成；所述第四步包括以下步驟，將第三步合成的丙烯醯化螺吡喃單體和甲基丙烯酸甲酯、偶氮二異丁腈以摩爾質量比1：9：0.5的比例加入到乾燥的n，n-二甲基甲醯胺中，在60℃下反應24小時；
反應結束後，冷卻至室溫，並將所得混合物投入到乙醇溶液中並抽濾，重複抽濾三次，所得的固體乾燥即為螺吡喃基共聚物。
第五步，靜電紡絲製備材料。
所述第五步包括以下步驟，將第四步合成的螺吡喃基共聚物溶於n，n-二甲基甲醯胺溶劑中，攪拌12小時使聚合物溶液粘度均勻，隨後分別將溶液進行靜電紡絲，所得的膜材料即為智能調溼材料。所述螺吡喃基共聚物在溶液中的質量百分比為25-45％。所述靜電紡絲的紡絲距離為15cm，電壓為15kv。
本發明採用靜電紡絲技術實現材料基底的製備，電紡絲技術簡單、易操作、成本低，而且適用於大面積材料生產，已成為一種有效的製備表面粗糙度和形貌可控材料的方法。而且電紡絲法能夠輕易地製備出多孔滲水的纖維膜，提供了充足的儲水空間，為有效地調節溼度提供基礎條件。而溼度的智能調節主要是利用螺吡喃有機分子來實現的。螺吡喃類化合物是一類備受關注的光敏有機化合物，也最具代表性。螺吡喃類化合物在不同波長光激發下發生c-o鍵斷裂並導致開環-閉環的結構變化，當連有螺吡喃類化合物(sp)的表面材料受到紫外光照射時，分子中螺環上的c-o鍵斷裂，變為極性分子，生成開環的部花青化合物(mc)，該部花青化合物能與二價金屬離子、h+、胺基酸和dna結合導致吸收光譜的移動進而實現相應的顏色變化；而當可見光照射後c-o鍵重新連接，變回非極性態的閉環分子並恢復原來的顏色。該類光敏有機化合物具有靈敏度較高、對紫外光敏感和電子轉移速度快等特點。由於螺吡喃分子在紫外-可見光照射下能發生極性和非極性之間的可逆轉變，進而發生潤溼性的變化，所以該類光敏有機分子能夠實現對溼度的智能調控。
下面用四個具體的實施例對本發明的效果進行進一步的說明。
(1)將螺吡喃基共聚物以質量比分別為35％的比例溶於n，n-二甲基甲醯胺溶劑中，攪拌12小時使聚合物溶液粘度均勻。隨後分別將這些溶液進行靜電紡絲，紡絲距離為15cm，電壓為15kv。
所得到的膜材料為淡紅色，通過掃描電鏡放大發現材料由直徑約為2μm的纖維組成，紫外燈照射15分鐘，其表面接觸角降低了8°，溼度降低6％。再用可見光對其照射15分鐘，接觸角和溼度均恢復到原來的數值，重複5次均得到同樣的結果。所測試的膜面積與模擬空間體積比為1.6m2/m3。
(2)將螺吡喃基共聚物以質量比分別為30％的比例溶於n，n-二甲基甲醯胺溶劑中，攪拌12小時使聚合物溶液粘度均勻。隨後分別將這些溶液進行靜電紡絲，紡絲距離為15cm，電壓為15kv。
所得到的膜材料為淡紅色，通過掃描電鏡放大發現材料由直徑約為1.7μm纖維組成，紫外燈照射15分鐘，其表面接觸角降低了14°，溼度降低10％。再用可見光對其照射15分鐘，接觸角和溼度均恢復到原來的數值，重複5次均得到同樣的結果。所測試的膜面積與模擬空間體積比為1.6m2/m3。
(3)將螺吡喃基共聚物以質量比分別為25％的比例溶於n，n-二甲基甲醯胺溶劑中，攪拌12小時使聚合物溶液粘度均勻。隨後分別將這些溶液進行靜電紡絲，紡絲距離為15cm，電壓為15kv。
所得到的膜材料為淡紅色，通過掃描電鏡放大發現材料由直徑為500nm的纖維和2.5-5.0μm的微球組成，紫外燈照射15分鐘，其表面接觸角降低了23°，溼度降低15％。再用可見光對其照射15分鐘，接觸角和溼度均恢復到原來的數值，重複5次均得到同樣的結果。所測試的膜面積與模擬空間體積比為1.6m2/m3。
綜上所述，本發明的一種高靈敏智能調控溼度的材料的製備方法所製備的智能調節溼度材料能夠在紫外光下或者黑暗條件下自動儲存空氣中的水分，然後在可見光下或者白天的時候再自動將水分釋放到空氣之中，並且靈敏度很高，從而達到智能調節溼度的作用。
儘管已經對本發明的技術方案做了較為詳細的闡述和列舉，應當理解，對於本領域技術人員來說，對上述實施例做出修改或者採用等同的替代方案，這對本領域的技術人員而言是顯而易見，在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬於本發明要求保護的範圍。