Fast responsive photochromic materials through nanoemulsion entrapment

Abstract

En aquesta tesis doctoral, s’ha desenvolupat un material fotocròmic òpticament transparent amb resposta cinètica ràpida i similar a la dissolució líquida, i hi ha descrita la metodologia per produir aquest material. Aquesta tecnologia es basa en la tècnica de l’atrapament de nanoemulsions (NEE), en la qual primer es forma una nanoemulsió i s’estabilitza amb un polímer en dissolució, i després s’elimina el dissolvent de la fase contínua, per generar una pel·lícula polimèrica que conté les gotetes d’emulsió atrapades en ella. Tenir els colorants fotocròmics dissolts en la fase líquida dispersa de les gotes, garanteix un impediment estèric mínim per a la isomerització i per tant la cinètica fotocròmica més ràpida del colorant utilitzat (és a dir, un comportament similar al líquid), mentre que la pel·lícula polimèrica contínua proporciona una plataforma sòlida, que és el més convenient per a la majoria d’aplicacions. A més, les pel·lícules NEE són transparents visualment (> 90 %T), ja que les gotetes disperses es redueixen a la mida nanoescala (<100 nm), ja sigui mitjançant una irradiació ultrasònica o una homogeneïtzació a alta pressió, minimitzant la dispersió de la llum. Al llarg d’aquesta tesi, s’ha demostrat que les propietats de les pel·lícules NEE es poden ajustar fàcilment per complir els requisits clau de les diferents aplicacions. Simplement canviant els colorants fotocròmics és possible controlar els colors fotoinduïts, la velocitat de coloració / decoloració i la intensitat del color de l’estat activat. Les velocitats de coloració i decoloració es poden ajustar finament substituint l’oli hidrofòbic de les gotetes. La modificació de la matriu polimèrica va permetre suportar la humitat i l’exposició a temperatures més elevades. La producció de pel·lícules NEE es va ampliar fins als 200 g. Es van produir alguns prototips funcionals per a aplicacions industrials potencials, com ara ulleres, finestres intel·ligents, parabrises i viseres de casc, presentats al final d’aquesta tesi.

En esta tesis doctoral, se ha desarrollado un material fotocrómico ópticamente transparente con respuesta cinética rápida y similar a la disolución líquida, y hay descrita la metodología para producir este material. Esta tecnología se basa en la técnica del atrapamiento de nanoemulsiones (NEE), en la que primero se forma una nanoemulsión y se estabiliza con un polímero en disolución, y después se elimina el disolvente de la fase continua, para generar una película polimérica que contiene las gotitas de la emulsión atrapadas en ella. Tener los colorantes fotocrómicos disueltos en la fase líquida dispersa de las gotas, garantiza un impedimento estérico mínimo para la isomerización y por tanto la cinética fotocrómico más rápida del colorante utilizado (es decir, un comportamiento similar a la disolución líquida), mientras que la película polimérica continua proporciona una plataforma sólida, que es lo más conveniente para la mayoría de aplicaciones. Además, las películas NEE son transparentes visualmente (> 90% T), ya que las gotitas dispersas se reducen al tamaño de la nanoescala (<100 nm), ya sea mediante una irradiación ultrasónica o una homogeneización a alta presión, minimizando la dispersión de la luz. A lo largo de esta tesis, se ha demostrado que las propiedades de las películas NEE se pueden ajustar fácilmente para cumplir los requisitos clave de las diferentes aplicaciones. Simplemente cambiando los colorantes fotocrómicos es posible controlar los colores fotoinducidos, la velocidad de coloración / decoloración y la intensidad del color del estado activado. Las velocidades de coloración y decoloración se pueden ajustar finamente sustituyendo el aceite hidrofóbico de las gotitas. La modificación de la matriz polimérica permitió soportar la humedad y la exposición a temperaturas más elevadas. La producción de películas NEE se amplió hasta los 200 g. Se produjeron algunos prototipos funcionales para aplicaciones industriales potenciales, tales como gafas, ventanas inteligentes, parabrisas y viseras de casco, presentados al final de esta tesis.

Along this thesis, an optically transparent photochromic material with fast and liquid-like kinetic response has been developed, and the methodology to produce said material is described herein. This technology is based on the nanoemulsion entrapment (NEE) technique, in which an nanoemulsion is first formed and stabilized by a film-forming polymer, and then the solvent of the continuous phase is removed, to generate a film containing the emulsion droplets entrapped in it. Having the photochromic dyes dissolved in the dispersed liquid phase of the droplets ensures minimal steric hindrance for the dye to isomerize and therefore the fastest photochromic kinetics for the dye used (i.e. liquid-like behavior), while the continuous polymeric film provides a solid platform, which is the most convenient for the majority of applications. Moreover, the NEE films are visually transparent (> 90 %T), since the dispersed droplets are reduced to the nanoscale size (< 100 nm), by either ultrasonic irradiation or high-pressure homogenization, minimizing light scattering. It has been demonstrated that the properties of the NEE films are easily tunable to match the key requirements of different applications. By simply changing the photochromic dyes it is possible to control the photoinduced colors, the coloration/discoloration rates and the color intensity of the activated state. The coloration and discoloration rates can be finely tuned by substituting the hydrophobic oil of the droplets. The modification of the polymeric matrix allowed to withstand moisture and higher temperatures exposure. The production of NEE films was scaled up to the 200 g. Some working prototypes for potential industrial applications were produced such as eyewear, smart windows, car windshields and helmet visors, and are presented at the end of this thesis.