N-杂环芳基水溶性碳点全光谱紫外吸收剂的合成与应用

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230148

摘要/Abstract

摘要：

通过水热法制备出以含N原子的芳香化合物、柠檬酸钠和乙二胺为原料的水溶性碳点紫外吸收剂，并对不同芳香族化合物制备的碳点进行老化试验，最终筛选出具有耐老化性能的碳点（A-CDs），其中，富含—COOH、—NH₂等官能团且具有紫外全吸收性能，并进一步通过优化反应条件提高了其吸收性能。将A-CDs与聚乙烯醇（PVA）复合，形成高性能的紫外屏蔽膜。当CDs的质量分数从0.02%增加至0.1%时，紫外透过率从8%降低至3%，说明碳点能在薄膜中稳定存在。同时，碳点的加入可以降低薄膜在紫外照射下的衰老速率，维持薄膜的力学性能。

关键词: 碳点, 紫外全吸收, 水溶性紫外吸收剂, 抗紫外老化, 稳定性, 芳香族化合物

Abstract:

Water-soluble carbon point ultraviolet absorbers using aromatic compounds containing N atoms， sodium citrate and ethylenediamine as raw materials were prepared by hydrothermal method. Aging tests were carried out on carbon points prepared by different aromatic compounds， and carbon points （A-CDs） with aging resistance were finally screened out. Among them， A-CDs was rich in functional groups such as —COOH and —NH₂ and had UV total absorption performance. The absorption performance was further improved by optimizing the reaction conditions. A-CDs was combined with polyvinyl alcohol （PVA） to form A high performance UV shielding film. When the mass fraction of CDs increases from 0.02% to 0.1%， the ultraviolet transmittance decreases from 8% to 3%， indicating that carbon points can exist stably in the film. At the same time， the addition of carbon points can reduce the aging rate of the film under ultraviolet irradiation and maintain the mechanical properties of the film.

Key words: Carbon dots, UV full absorption, Water-soluble UV absorbers, Anti-UV aging, Stability, Aromatic compounds

中图分类号:

O613.7

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图/表 12

图1 A-CDs的HTRTEM图（A）和A-CDs、CE-CDs的XRD谱图（B）

Fig.1 HRTEM image （A） and XRD patterns of A-CDs and CE-CDs （B）

图2 不同碳点的FT-IR谱图a.CE-CDs； b. A-CDs； c.APE-CDs； d.2-AE-CDs； e.ACL-CDs； f.OPE-CDs； g.3-AE-CDs； h.PCA-CDs

Fig.2 FT-IR spectra of different CDs

图3 碳点的UV-Vis 谱图

Fig.3 UV-Vis spectra of CDs

图4 A-CDs的C1s（A）、N1s（B）和O1s（C）XPS光谱

Fig.4 XPS spectra of C1s （A）， N1s （B） and O1s （C） of A-CDS

图5 不同合成温度（A）和pH值（B）条件下A-CDs的UV-Vis谱

Fig.5 UV-Vis spectra of A-CDs at different synthesis temperatures （A） and pH conditions （B）

图6 不同碳点的UV-Vis谱图

Fig.6 UV-Vis spectra of different CDs

图7 不同碳点紫外老化下的UV-Vis谱图A. 2-AE-CDs; B. A-CDs; C. 3-AE-CDs; D. APE-CDs; E. PCA-CDs; F. OPE-CDs; G. ACL-CDs

Fig.7 UV-Vis spectra of different CDs under UV aging

图8 A-CDs@PVA薄膜的UV辐射黄变（A）和色卡对比图（B）

Fig.8 Comparison of yellowing （A） and color chart （B） of A-CDs@PVA film under UV radiation

表1 A-CDs@PVA薄膜在UV辐射下黄变色差值

Table 1 A-CDs@PVA yellow color difference of film under UV radiation

Sample	Aging time/d
	Initial	3		5		7		9		11
	Initial	Parallel comparison	Contrast with blank	Parallel comparison	Contrast with blank	Parallel comparison	Contrast with blank	Parallel comparison	Contrast with blank	Parallel comparison	Contrast with blank
Blank	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0.02%	6.3	1.7	6.2	2.0	6.0	1.4	6.8	1.7	7.7	2.2	5.0
0.04%	11.6	2.4	12.8	2.4	12.2	3.7	13.5	3.2	12.2	2.4	11.3
0.06%	13.6	2.0	12.1	1.4	14.4	4.4	15.9	3.0	15.8	3.6	14.0
0.08%	13.1	2.4	14.3	4.6	15.8	5.9	17.2	6.8	18.1	6.2	18.8
0.1%	20.2	0	20.2	2.8	19.8	2.8	21.4	4.2	22.2	2.4	21.4

图9 不同质量分数下A-CDs@PVA 薄膜老化紫外峰值趋势图A.0.02%; B.0.04%; C.0.06%; D.0.08%; E.0.1%

Fig.9 UV peak aging trend of A-CDs@PVA films under different mass fractions

图10 A-CDs@PVA薄膜老化时间（A）和A-CDs的质量分数（B）与紫外透过率的关系

Fig.10 The relationship between A-CDs@PVA film aging time （A） and mass fraction （B） of A-CDs and UV transmittance

表2 A-CDs@PVA 薄膜的力学性能

Table 2 Mechanical properties of A-CDs@PVA films

Aging time/h	Tensile strength/MPa
Aging time/h	Blank	A-CDs@PVA film
0	4.0	3.9
100	3.5	3.5
200	2.7	3.1
300	2.0	2.5
450	1.1	1.9
600	0.5	1.2

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