一种可逆的热致变色智能材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及一种变色智能材料，特别涉及一种可逆的热致变色智能材料及其制备方法和应用，属于变色智能材料技术领域。


背景技术：

2.智能颜料是具有智能特性的有色材料。智能特性，即感应外界刺激(如光、电、温度、应力等)，并做出相应响应的特性。热致变色是智能特性的一种，具有热致变色特性的材料在外界温度的刺激下会发生颜色变化。而随着温度的上升和下降对应的颜色可重复出现，则说明热致变色特性是可逆的。
3.热致变色材料的实际应用范围非常广泛，如用于指示物体温度的示温涂料、热致变色墨水、热致变色纺织物、家具、食品安全检测、智能控温、智能医疗温度传感、智能窗、热存储、温度传感器、变色婴儿勺子，变色奶瓶以及军事伪装等领域。目前，多功能热致变色器件的研究仍处于早期阶段。
4.无机化合物具有良好的物理化学稳定性，基于无机化合物的热致变色材料种类繁多，例如：钒氧化物类(二氧化钒、钒酸铋等)，碘化物类(碘化汞、碘化银等)，钙钛矿类(氧化镧锰、氧化钕镍等)，金属盐类(四水磷酸锌、焦磷酸锰铵等)，及其他少数的氧化物及硫化物。目前，虽已报导多种具有热致变色性能的无机材料，但大部分材料的热致变色温度较高(通常高于100℃)，这严重阻碍了材料在多功能智能窗、直接与皮肤接触的温度传感器等方面的应用。因此研究制备100℃以下具有热致变色效应的智能材料，可增加多功能智能窗、皮肤接触式温度传感器等领域的材料选择范围。
5.此外，随着电子元器件小型化、集成化、智能化、多功能化的发展，仅仅具有单一功能的热致变色材料难以满足器件的应用需求，发展多功能的热致变色材料已经成为各国学者竞相探索和研究的重要领域，将铁电性与热致变色材料结合，即在材料中同时实现铁电性和热致变色性能，则是其中一个极具吸引力的研究方向。但目前报导的同时具有铁电性和热致变色性能的材料寥寥可数。


技术实现要素：

6.本发明的首要目的在于提供一种转变温度适中，同时具有铁电性和可逆热致变色的智能材料sn2p2s6。该智能材料无毒环保，对温度刺激具有高敏感度及高稳定性。
7.本发明的进一步目的是提供所述智能材料的制备方法。
8.本发明的另一个目的是提供所述智能材料的应用。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可逆的热致变色智能材料，所述智能材料由锡单质、磷单质和硫单质组成，所述智能材料的化学式为sn2p2s6。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述智能材料的颜色在室温下为土黄色，智能材料的颜色在67℃以上为橙红色。
11.作为本发明的一种优选技术方案，一种可逆的热致变色智能材料的制备方法，包
括以下步骤：
12.s1：将锡单质、磷单质和硫单质按化学计量比称重后装入石英管中，抽真空后封管；
13.s2：石英管封管后放入箱式炉中，进行煅烧，制备出尺寸为0.1-0.5mm的智能材料单晶样品。
14.作为本发明的另一种优选技术方案，一种可逆的热致变色智能材料的制备方法，包括以下步骤：
15.s11：将锡单质、磷单质和硫单质按装化学计量比称重后装入石英管中，同时称取适量碘一同装入石英管，抽真空后封管；
16.s12：石英管封管后放入管式炉中，反应后取出，在冷凝端获得尺寸为3-6mm的智能材料单晶样品。
17.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s2中，石英管封管后放入箱式炉中，在600℃-750℃的温度区间内煅烧10-15小时。
18.作为本发明的另一种优选技术方案，所述步骤s11中，称取碘的重量为10-100mg。
19.作为本发明的另一种优选技术方案，所述步骤s12中，控制石英管料端温度为650-750℃，冷凝端温度为600℃-700℃。
20.作为本发明的另一种优选技术方案，所述步骤s12中，石英管封管后放入管式炉反应3-5天后取出。
21.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s1和s12中，抽真空的动力元件为真空泵结构。
22.本发明所述智能材料转变温度适中，同时具有铁电性和可逆热致变色性能，对温度刺激具有高敏感度及高稳定性，可用在智能涂料、温度传感及多功能智能窗等领域。因此，所述智能材料在智能涂料、温度传感及多功能智能窗等领域中的应用也应该在本发明的保护范围内。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.本发明一种可逆的热致变色智能材料及其制备方法和应用，本发明制备的智能材料不含汞、砷、铅等有毒金属，也不含稀有金属(镧、钇)、贵金属(银)，属于硫化物材料，无毒环保，在室温至300℃的范围内，对温度刺激具有高敏感度，材料具有高稳定性，且材料制备方法简单环保，成本低，可实现大规模生产，本发明的可逆热致变色智能材料的热致变色温度为67℃，且材料同时具有铁电性和热致变色性能，非常适用于多功能智能窗、直接与皮肤接触物体的温度传感等领域。
附图说明
25.图1为发明实施例1制备的热致变色智能材料在1天和6个月后测试的xrd图谱。从图中可以看出，所制备的无机热致变色智能材料具有良好的稳定性。
26.图2为本发明实施例2制备的热致变色智能材料在不同温度下的xrd图谱。从图中可以看出，材料在升降温过程中，衍射峰先向高角度方向偏移后向低角度方向偏移，表明材料在升降温过程中经历了可逆的结构相变。
27.图3为本发明实施例1制备的热致变色智能材料在室温时的电滞回线，表明样品具
有铁电性。
28.图4为本发明实施例3制备的热致变色智能材料在不同温度下(室温、47℃、67℃、87℃、107℃、127℃)的吸收光谱，插图为样品在室温和127℃的颜色变化照片。随温度的上升智能材料的吸收光谱发生红移，使得智能材料在550nm左右(黄色区域)光的吸收增加，反射减少，从而使得颜色转变(土黄色
→
橙红色)发生；降温过程，智能材料的吸收光谱蓝移，表明材料可发生可逆颜色转变。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
31.实施例1：
32.本发明所述智能材料sn2p2s6的制备方法包括以下步骤：
33.将锡单质、磷单质和硫单质按化学计量比称重后研磨均匀装入石英管中，石英管抽真空后封管。将封管好的石英管放入箱式炉中，从室温以200℃/h的升温速率升温至600℃，煅烧10小时后，自然降温至室温，可制备获得尺寸为0.1-0.3mm的智能材料单晶样品。
34.实施例2
35.本实施例与实施例1不同之处在于煅烧时的温度为680℃，煅烧时间为15小时。
36.实施例3
37.第一步：将锡单质、磷单质和硫单质按化学计量比称重后装入石英管中，同时称取20mg碘一同装入石英管，抽真空后封管；
38.第二步：石英管封管后放入管式炉中，从室温以180℃/h的升温速率升温，控制石英管料端温度为680℃，冷凝端温度为650℃，反应3天后将石英管取出，在冷凝端获得尺寸3-4mm的智能材料单晶样品。
39.实施例4
40.第一步：将锡单质、磷单质和硫单质按化学计量比称重后装入石英管中，同时称取50mg碘一同装入石英管，抽真空后封管；
41.第二步：石英管封管后放入箱式炉中，从室温以200℃/h的升温速率升温，控制石英管料端温度为720℃，冷凝端温度为680℃，反应3天后取出，在冷凝端获得尺寸为4-5mm的智能材料单晶样品。
42.实施例5
43.第一步：将锡单质、磷单质和硫单质按化学计量比称重后装入石英管中，同时称取100mg碘一同装入石英管，抽真空后封管；
44.第二步：石英管封管后放入箱式炉中，从室温以200℃/h的升温速率升温，控制石英管料端温度为750℃，冷凝端温度为700℃，反应4天后取出，在冷凝端获得尺寸为5-6mm的智能材料单晶样品。