碳量子点在制备防晒的纺织材料中的应用
阅读说明：本技术 碳量子点在制备防晒的纺织材料中的应用 (Application of carbon quantum dots in preparation of sun-proof textile material ) 是由 胡广齐 姜红 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供碳量子点在制备防晒的纺织材料中的应用：纺织材料包括柔性基材和以柔性基材作为载体的碳量子点；碳量子点的合成方法如下：向十八烯中加入碳源和钝化剂,采用溶剂热法,使反应物在260～330℃的温度下反应2～7h,反应过程中提供N2作为保护气氛,反应生成碳量子点；碳源包括被至少一个氨基所取代的硅烷、柠檬酸中的至少一种,钝化剂包括十二胺、十六胺、十八胺中的至少一种。按照上述方法制备的碳量子点为油溶性碳量子点,其与纺织材料具有较高的相容性,并能够吸收广谱的紫外线。将上述碳量子点作为紫外线吸收剂掺入纺织材料中,能够对纺织材料起到有效的紫外线防护效果,显著减少了纺织材料出现由紫外线辐射导致的脆化、破裂等情况。(The invention provides an application of carbon quantum dots in preparing a sun-proof textile material, which comprises the following steps: the textile material comprises a flexible substrate and carbon quantum dots taking the flexible substrate as a carrier; the synthesis method of the carbon quantum dots comprises the following steps: adding a carbon source and a passivating agent into octadecene, reacting reactants for 2-7 hours at the temperature of 260-330 ℃ by adopting a solvothermal method, and providing N2 as a protective atmosphere in the reaction process to react to generate carbon quantum dots; the carbon source comprises at least one of silane and citric acid substituted by at least one amino group, and the passivating agent comprises at least one of dodecylamine, hexadecylamine and octadecylamine. The carbon quantum dots prepared by the method are oil-soluble carbon quantum dots which have high compatibility with textile materials and can absorb broad-spectrum ultraviolet rays. The carbon quantum dots are doped into the textile material as the ultraviolet absorbent, so that the effective ultraviolet protection effect can be achieved on the textile material, and the situations of embrittlement, cracking and the like caused by ultraviolet radiation of the textile material are obviously reduced.)
技术领域
本发明属于功能材料领域，具体地，涉及碳量子点在制备防晒的纺织材料中的应用。
背景技术
纺织材料，主要是指聚酯类高分子材料，经过聚合的高分子材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰胺(PA)等。基于纺织材料具有优异的热稳定性和可塑性，应用纺织材料作为原料的纺织产品已经被广泛地推出市场。然而，在纺织材料中，含有大量的C-C，C-N，C-H等化学键，在太阳光下长时间照射，由于紫外线(UV)具有较高的能量，会导致此类化学键断裂，以致纺织产品出现脆化、破裂等现象。在全球范围内，因UV辐射破坏对纺织材料行业所造成的损失每年高达几十亿美元。
为了降低太阳辐射对纺织材料所带来的损耗，常用的措施是在纺织材料中添加UV吸收剂。现在普遍使用的商用UV吸收剂主要分为有机类UV吸收剂和无机类UV吸收剂。其中，有机类UV吸收剂，普遍存在短效性以及毒性的缺陷；至于无机类UV吸收剂，尽管可以长时间屏蔽UV辐射，但是UV吸收的效率和波长范围有限，防护能力较弱，且无机类UV吸收剂与膜基材的相容性较差，掺杂有无机类UV吸收剂的纺织产品的透明性一般较低。
太阳辐射包括约5％的波长范围为200nm-400nm的UV辐射，其可分为三个区域：320～400nm(UV-A)、290～320nm(UV-B)和200～290nm(UV-C)。大多数UVC被臭氧层吸收而不会到达地球，但UVA和UVB都可以穿过大气层。综上所述，制备一种能够长效吸收广谱UV(包括UVA和UVB)的紫外线吸收剂对纺织材料行业具有不可忽视的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供碳量子点在制备防晒的纺织材料中的一种应用，以有效降低太阳UV辐射对纺织材料所带来的损耗。
根据本发明的一个方面，提供碳量子点在制备防晒的纺织材料中的应用：纺织材料包括柔性基材和以柔性基材作为载体的碳量子点；碳量子点的合成方法如下：向十八烯中加入碳源和钝化剂，采用溶剂热法，使反应物在260～330℃的温度下反应2～7h，反应过程中提供N2作为保护气氛，反应生成碳量子点；碳源包括被至少一个氨基所取代的硅烷、柠檬酸中的至少一种，钝化剂包括十二胺、十六胺、十八胺中的至少一种。
可选地，以柠檬酸作为碳源，以十八胺作为钝化剂。
优选地，在碳量子点的合成方法中：按照投料质量比计算，柠檬酸:十八胺＝4:3；反应温度为280℃。
可选地，被至少一个氨基所取代的硅烷为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
优选地，以γ-氨丙基三乙氧基硅烷作为碳源，以十八胺作为钝化剂。
优选地，在碳量子点的合成方法中：按照投料质量比计算，γ-氨丙基三乙氧基硅烷:十八胺＝5:4；反应温度为300℃。
优选地，碳源由柠檬酸和γ-氨丙基三乙氧基硅烷组成，钝化剂由十二胺和十六胺复配而成。
优选地，在碳量子点的合成方法中：按照投料质量比计算，柠檬酸:γ-氨丙基三乙氧基硅烷:十二胺:十六胺＝5:4:3:5
优选地，在纺织材料中，碳量子点均布于柔性基材内。
优选地，柔性基材包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺中的至少一种。基于碳量子点能够高效、持久地吸收紫外线，将碳量子点作为紫外线吸收剂掺入纺织材料中，能够对纺织材料起到有效的紫外线防护效果，显著减少了纺织材料出现由紫外线辐射导致的脆化、破裂等情况。同时含有紫外线吸收剂的纺织材料具有优良的防晒效果，可以将其应用于太阳伞、防晒衣等防晒用品，拓宽了纺织材料的应用范围。特别地，按照上述方法制备的碳量子点为油溶性碳量子点，其与纺织材料具有较高的相容性，由此制得的纺织材料具有柔软、平整的特点，具有较好的亲肤感。此外，上述碳量子点能够吸收广谱的紫外线，使应用其的防晒产品能够为使用者提供全方位的防晒效果。具体而言：本发明通过采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷作为碳源，由此使得制备得到的碳量子点能够对短波紫外线有较强的吸收；利用十八烯提供溶剂热法的反应环境、在反应过程中提供N2保护，也能够起到拓宽紫外线吸收范围以及提高紫外线吸收强度的效果。
附图说明
图1为实施例1的处理1A组、处理1B组和对照处理组制得的碳量子点的透射光谱对照图；
图2为实施例1的处理2A组、处理2B组和对照处理组制得的碳量子点的透射光谱对照图；
图3为实施例1的处理3A组、处理3B组和对照处理组制得的碳量子点的透射光谱对照图；
图4为对比例1的对比处理A组和实施例1的处理2A制得的碳量子点的透射光谱对照图；
图5为对比例1的对比处理B组和实施例1的处理2A制得的碳量子点的透射光谱对照图；
图6为对比例1的对比处理C组和实施例1的处理2A制得的碳量子点的透射光谱对照图；
图7为对比例1的对比处理D组和实施例1的处理2A制得的碳量子点的透射光谱对照图；
图8为对比例1的对比处理E组和实施例1的处理2A制得的碳量子点的透射光谱对照图；
图9为对比例1的对比处理F组和实施例1的处理2A制得的碳量子点的透射光谱对照图；
图10为对比例1的对比处理G组和实施例1的处理2A制得的碳量子点的透射光谱对照图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
本实施例设7组处理组，分别标记为处理1A组、处理1B组、处理2A组、处理2B组、处理3A组、处理3B组和对照处理组，上述各处理组分别采用不同的原料以及反应参数制备碳量子点。
1.处理1A组
将2g无水柠檬酸和1.5g十二胺投入25mL十八烯中，混合均匀后加入反应釜中，提供N2作为保护气氛，升温至300℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
2.处理1B组
将2g无水柠檬酸和1.5g十二胺投入25mL十八烯中，混合均匀后加入反应釜中，升温至300℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
3.处理2A组
将1.5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1.2g十八胺投入25mL十八烯中，混合均匀后加入反应釜中，提供N2作为保护气氛，升温至280℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
4.处理2B组
将1.5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1.2g十八胺投入25mL十八烯中，混合均匀后加入反应釜中，升温至280℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
5.处理3A组
将1g无水柠檬酸、0.8gγ-氨丙基三乙氧基硅烷、0.6g十二胺和1.0g十六胺投入25mL十八烯中，混合均匀后加入反应釜中，提供N2作为保护气氛，升温至300℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
6.处理3B组
将1g无水柠檬酸、0.8gγ-氨丙基三乙氧基硅烷、0.6g十二胺和1.0g十六胺投入25mL十八烯中，混合均匀后加入反应釜中，升温至300℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
7.对照处理组
将1.5g无水柠檬酸溶解于35mL蒸馏水，加入0.8mL乙二胺，混合均匀后加入到反应釜中，升温至210℃并保温6h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
本实施例的处理1A组、处理1B组、处理2A组、处理2B组、处理3A组、处理3B组和对照处理组所制得的流动体的碳量子点经冷冻干燥后皆可得到固体成品碳量子点。
对本实施例各处理组制得的流动性碳量子点加水，稀释浓度至1μg/g进行透射光谱检测，各处理组的透射光谱图图如图1～3所示。对照处理组制得的碳量子点的对波长为250～380nm的紫外线有明显的吸收，其中对波长为345～380nm的紫外线的吸收效果尤为显著。相对于对照处理组制备的碳量子点而言，处理1A组、处理1B组、处理2A组、处理2B组、处理3A组和处理3B组制备的碳量子点具有更宽的紫外线吸收波谱范围。另一方面，分别对比处理1A组和处理1B组、对比处理2A组和处理2B组、对比处理3A组和处理3B组，可以发现，在采用溶剂热法制备碳量子点的过程中，提供N2作为保护气体能够使所制得的碳量子点具有更宽的紫外吸收范围以及更彻底的紫外吸收能力。其中，处理1A组制得的碳量子点对波长为320～410nm范围内的紫外线能够达到几乎彻底的吸收，处理2A组制得的碳量子点对波长为280～380nm的紫外线能够达到几乎彻底的吸收，处理3A组制得的碳量子点对波长为280～410nm的紫外线能够达到几乎彻底的吸收。
对比例1
本实施例以实施例1的处理2A组作为参照，设置7组对比处理组，分别标记为对比处理A组、对比处理B组、对比处理C组、对比处理D组、对比处理E组、对比处理F组、对比处理G组，以探究：采用的溶剂热法制备碳量子点，所选取的溶剂种类对合成的碳量子点的紫外光吸收性能的影响。
1.对比处理A组
将1.5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1.2g十八胺投入25mL水中，混合均匀后加入反应釜中，升温至280℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
2.对比处理B组
将1.5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1.2g十八胺投入25mL乙醇中，混合均匀后加入反应釜中，升温至280℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
3.对比处理C组
将1.5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1.2g十八胺投入25mL丙酮中，混合均匀后加入反应釜中，升温至280℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
4.对比处理D组
将1.5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1.2g十八胺投入25mL四氯化碳中，混合均匀后加入反应釜中，升温至280℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
5.对比处理E组
将11.5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1.2g十八胺投入25mL丙三醇中，混合均匀后加入反应釜中，升温至280℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
6.对比处理F组
将1.5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1.2g十八胺投入25mL N,N’-二甲基甲酰胺中，混合均匀后加入反应釜中，升温至280℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
7.对比处理G组
将1.5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷和1.2g十八胺投入25mL二甲基亚砜中，混合均匀后加入反应釜中，升温至280℃并保温5h；反应结束后，自然冷却至室温，然后取出反应液，利用分子量为1000的透析袋透析，对透析得到的液体进行减压蒸馏，所得残留物即为流动体的碳量子点。
对本实施例各处理组制得的流动性碳量子点加水，稀释浓度至1μg/g进行透射光谱检测，各处理组制备的碳量子点对照实施例1的处理2A组制备的碳量子点的透射光谱图如图4～10所示。本对比例各对比处理组所制得的量子点的紫外投射光谱图形状较为接近，对波长为350～410nm的紫外线吸收较为彻底。然而，以实施例1的处理2A组所制得的碳量子点的透射光谱图分别与本对比例各对比处理组制备的碳量子点的透射光谱图进行对比，可以发现，使反应原料在十八烯提供的反应环境中通过溶剂热法制得的碳量子点具有更宽的紫外线吸收范围，具体而言，其对短波紫外线的吸收程度明显更强。
实施例2
本实施例分别采用实施例1的处理1A组、处理2A组和处理3A组所制备的碳量子点制备防晒纺织材料。
1号防晒纺织材料的制备：
称取100g PA颗粒，按照5％的质量百分比称取实施例1的处理1A组制得的碳量子点，将两者充分混合；然后将原料混合物置于烘箱中，于110℃加热处理2h，自然冷却至室温，制得1号防晒纺织材料。
1号防晒纺织材料能够高效地吸收波长为320～410nm的紫外线。
2号防晒纺织材料的制备：
称取100g PA颗粒，按照5％的质量百分比称取实施例1的处理2A组制得的碳量子点，将两者充分混合；然后将原料混合物置于烘箱中，于120℃加热处理2h，自然冷却至室温，制得2号防晒纺织材料。
3号防晒纺织材料的制备：
称取100g PA颗粒，按照8％的质量百分比称取实施例1的处理3A组制得的碳量子点，将两者充分混合；然后将原料混合物置于烘箱中，于130℃加热处理3h，自然冷却至室温，制得3号防晒纺织材料。
本实施例所制得的3种防晒纺织材料均平整、均一，在防晒纺织材料上没有发现有碳量子点分布异常密集或稀疏的区域。其中：1号防晒纺织材料能够高效地吸收波长范围为320～410nm的紫外线；2号防晒纺织材料能够高效地吸收波长范围为280～380nm的紫外线，并且在400～780nm可见光范围内具有较高的透光率；3号防晒纺织材料能够高效地吸收波长为280～410nm的紫外线，具有高广谱性的防晒效果。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
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