1、新型材料 广东建材2007年第7期光致变色材料的发展现状及其在建筑上的应用前景蔡弘华罗仲宽 (深圳大学化学与化工学院)摘 要：随着人们生活水平的提高和环境意识的加强，建筑领域已成为各种节能环保的新型功能材料的重要应用发展方向之一。本文对光致变色材料的原理和研究现状进行了综述，并对未来光致变色材料在建材领域的应用作了前瞻性的探讨。关键词：光致变色；功能建筑材料；智能化镀膜玻璃1前言建筑材料是迄今产量最大、与人类日常生活和社会活动关系最为密切的一类材料。相对而言，传统建材尤其是结构材料成本低廉、技术含量不高，但随着人们生活水平的提高和环境意识的加强以及近年来建材行业的飞速发展，建筑领域已成为各种节
2、能环保、舒适美观的新型功能材料的重要应用发展方向之一。如目前纳米光催化自清洁玻璃、陶瓷的应用在国内外己获得一定程度的重视，而近年来光致变色材料(Photochromic Materials)的开发正成为一个新的研究热点1_2|，并以其独特的智能化隔热、防辐射、节能保温及装饰美化等功能，在未来建材市场显示出良好的应用前景。2光致变色材料的研究现状光致变色指的是某些化合物在定的波长和强度的光作用下分子结构会发生变化，从而导致其对光的吸收峰值即颜色的相应改变，且这种改变一般是可逆的。人类发现光致变色现象已有一百多年的历史3。第一个成功的商业应用始于20世纪60年代，美国的Corning工作室的两位材
3、料学家Amistead和StoOky首先发现了含卤化银(Agx)玻璃的可逆光致变色性能H，随后人们对其机理和应用作了大量研究并开发出变色眼镜。但由于其较高的成本及复杂的加工技术，不适于制作大面积光色玻璃，限制了其在建筑领域的商业应用。此后Agx光致变色的应用重心转向了价格便宜且质量较轻的聚合物基材料，而各种新型光致变色材料的性能及其应用也开始了系统研究。具有实际应用前景的光致变色材料最重要的特性是成色体必须有足够的热稳定性，还有一个就是光致变色化合物的耐疲劳性。目前已开发的光致变色材料大致可分为无机光致变色材料和有机光致变色材料两大类。一22一传统无机光致变色材料有金属卤化物、金属羰合物、金属
4、氧化物等，研究较为成熟，性能稳定，光色循环次数较高，但种类较少，颜色单调。有机光致变色材料，如螺环烃类、缩苯胺衍生物、染料类、邻一硝基苄基衍生物、杂环化合物等，种类繁多、价格便宜、对光敏感度高，因而不仅已在高科技领域如光电信息记录材料方面得到应用，在民用行业也崭露头角，国外如美、德、日、俄、欧等国家已有用于服装、塑料等的民用产品，而国内目前在这个领域还没有真正的生产厂家，一些研究机构如南开大学等已着手开发光致变色安全玻璃透明薄膜、光致变色纺织品、光致变色涂料等，并有部分产品通过了中试引。目前国内外还在积极探索和开发新的高性能有机光致变色体系。虽然有机光致变色材料的研究取得了较大的进展，但也有不
5、耐高温和容易疲劳的缺点，尤其是户外耐候性较差限制了其在建筑方面的应用，相反，无机光致变色材料却体现了很好的稳定性和耐疲劳性能。因此，近十年来，无机光致变色材料的研究重新引起了人们的重视，并开发了无机和有机复合光致变色材料及生物光致变色材料。3各种光致变色材料的变色机理不同类型的光致变色材料具有不同的变色机理，尤其是无机光致变色材料的变色机理与有机材料有明显的区别。典型无机体系的光致变色效应伴随着可逆的氧化一还原反应，如w0。为半导体材料，其变色机理可用1975年由Fau曲nan提出的双电荷注入抽出模型解释，即在紫外光照射下，价带中电子被激发到导带中，产生电子空穴对，随后光生电子被W(VI)捕获
6、，生成W(V)，同时光生空穴氧化薄膜内部或表面的还原物种，生成质万方数据广东建材2007年第7期 新型材料子H+，注入薄膜内部，与被还原的氧化物结合生成蓝色的钨青铜Hxw0。，该蓝色是由于W(V)价带中电子向w(VI)导带跃迁的结果。另一种变色机理是Schirmer等在1980年所提出的小极化子模型，他们认为，光谱吸收是由于不等价的2个钨原子之间的极化子跃迁所产生，即注入电子被局域在W(V)位置上，并对周围的晶格产生极化作用，形成小极化子。入射光子被这些极化子吸收，从一种状态变到另一种状态，可简略表示如下：WA(V)一0一WB(V工)WA(VI)一OWB(V)由于上述变化不会引起材料晶体结构的
7、破坏，因此典型无机材料的光致变色效应具有良好的可逆性和耐疲劳性能。有机体系的光致变色也往往伴随着许多与光化学反应有关的过程同时发生，从而导致分子结构的某种改变，其反应方式主要包括：价键异构、顺反异构、键断裂、聚合作用、氧化一还原、周环反应等。以偶氮化合物为例，其光致变色效应基于分子中偶氮基一N=N一的顺一反异构反应，通常偶氮化合物顺一反异构体有不同的吸收峰，虽两者一般差值不大，但摩尔消光系数往往相差很大，另外，偶氮化合物还有明显的光偏振效应，即光致变色效果与光的偏振态有关。生物光致变色材料如细菌视紫红质等的感光效应也属于这一类反应机制。由于无机半导体光致变色材料的光生电子空穴对有很强的氧化一还
8、原性能，因此可以通过与有机染料复合来增强其光致变色效应。当w0。与某种无色的还原态染料隐色体混合时，则在光照下染料隐色体的电子可被激发并向前者的导带中注入电子，该光致氧化一还原反应的发生可在形成蓝色钨青铜Hxw0。的同时，生成摩尔消光系数很高的有色染料。这种有机一无机复合光致变色器件不仅可以大大提高体系的光敏度，扩充光致变色材料的种类和颜色范围，而且有助于充分利用太阳光中极为丰富的可见光谱能量来激发光致变色效应。4光致变色材料在建筑上的应用前景展望陆续合成的各种新型光致变色材料，一经出现就在许多方面获得了广泛的应用，如：信息记录和存储材料；感光材料；光电转化器件；照射密度的调控与测量；计算机记
9、忆元件的制作；光致变色染料；农用地膜和变色太阳镜等。光致变色材料在建筑上的潜在应用包括墙体涂料及建筑物标示等，而最主要的应用当为镀膜玻璃或夹层玻璃。玻璃以其高可见光透过率、高硬度、耐磨等优异性能早已被广泛应用于建筑物门窗、天窗、幕墙等部位，成为建筑物不可缺少的主要材料，同时也是汽车、飞机和轮船等交通工具制造业及其它很多经济部门的重要原材料。在保持原有的优异性能的基础上，采用磁控溅射、真空蒸发、溶胶一凝胶或在线气相沉积镀膜等技术，对玻璃进行二次加工是改善其性能和提高产品附加值的有效手段。光致变色材料镀膜玻璃不仅能防紫外线，防眩光，用于车窗玻璃或建筑幕墙可保护视力，并具有智能化调节室内和汽车内温度
10、、节能环保及装饰美化等功能；某些复合光致变色材料如W0。一Ti0。涂层则不仅具有上述的一些优点，还具有自清洁的功能，并可有效降解各种大气有机污染物。目前由于经济成本和厂商对新材料的市场认知度问题，也由于该技术在现阶段本身还不够完善，光致变色材料在发达国家的民用建材领域的应用也仅仅处于起步阶段，但由于其在建筑行业的潜在市场特别巨大，光致变色功能建料的诱人前景正促使相关研究和产业化的加速发展。光致变色材料可调节人们的生活环境，带来丰富多彩的颜色变化和生活乐趣。各种光致变色功能建材的生产应用可以推动一批传统产品的更新换代，提升传统建材生产的技术水平和产品附加值，形成个新的产业群。我国钨矿资源的储量居
11、世界首位并具有绝对优势，据统计W0，约占世界总产量的8090，因而适应国情亟待发展wO。产品的出口深加工，可以预见未来w0。基无机及其复合光致变色镀膜玻璃在智能化建材方面具有更现实更广阔的应用前景。一23一士个拦TCne孔貅碟c星蛔啪|蓦新化“hH嘶讹蚪h化哪h托毛捣川捌删M_蚕眦毗龈喊竺渊羞愧新加呲戚m霎|一一一|墨一一一q一一一一一黼一胍一一一曲一一一一一一一一一一万方数据光致变色材料的发展现状及其在建筑上的应用前景作者： 蔡弘华， 罗仲宽作者单位： 深圳大学化学与化工学院刊名： 广东建材英文刊名： GUANGDONG BUILDING MATERIALS年，卷(期)： 2007(7)被引
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