基于天然色素的高色差甲醛变色水凝胶的制作方法

1.本发明属于日用化学品领域,具体涉及一种基于天然色素的高色差甲醛变色水凝胶。


背景技术：

2.甲醛是无色、具有强烈刺激性气味的室内环境的主要污染气体之一，它可破坏生物细胞蛋白质的原生质毒物，对人体有潜在的致癌危害。目前，通过仪器测定甲醛的方法有气相色谱法、质谱法，但该仪器非常昂贵，不适合居家使用；也有采用气体采样管富集气样，再通过化学试剂进行显色反应，以分光光度仪来进行测定[分析实验室，2015，34(4)：447]，有时需要用到强酸、强碱甚至强氧化剂[光谱实验室，2010，27(3)：881]，很不便于现场及家庭操作。
[0003]
水凝胶(hydrogel)是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，是胶体粒子或聚合物大分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了分散介质。由于存在立体网络结构，水凝胶可以溶胀和保有大量的水，水的吸收量与交联度密切相关，交联度越高，吸水量越低，溶解性活性组分可以在水凝胶中扩散或渗透，因此，可利用该特性来检测甲醛浓度。
[0004]
cn104877184b公开了一种用于检测环境中甲醛的超分子水凝胶，其原理为客体分子tyloxapol具有荧光效应，在水凝胶体系中的tyloxapol被主体分子环糊精包裹后因π-π作用而荧光被淬灭；接触到甲醛分子后，甲醛进入环糊精空腔取代了tyloxapol，tyloxapol被释放后荧光效应得以恢复，从而达到检测甲醛的效果。该方法需要借助荧光光谱仪、且原料获取不易，难以达到价廉便捷的应用目的。
[0005]
cn111701439a公开了一种具有视觉感观的除甲醛变色凝胶，其特征是以碱性醇胺类化合物与甲醛反应后，凝胶体系ph值变化而使酸碱指示剂发生变色，从而达到除醛变色的目的。该体系之于甲醛的变色是间接的，需要近乎当量级的甲醛与醇胺反应才能产生明显的ph值变化进而使指示剂明显变色，而此设计对实际室内空气内ppm浓度级的甲醛检测则无多大用处。
[0006]
因此，上述现有技术至少存在如下技术问题：用于甲醛检测的凝胶，其变色额外需要仪器才能识别，指示灵敏度差、价格昂贵。


技术实现要素：

[0007]
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于天然色素的高色差甲醛变色水凝胶。
[0008]
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0009]
一种基于天然色素的高色差甲醛变色水凝胶，所述高色差甲醛变色水凝胶包括水溶线性聚合物、凝胶剂、碘单质、碘离子、天然色素和水。
[0010]
进一步，所述高色差甲醛变色水凝胶按以下方法制备得到：水溶线性聚合物和凝胶剂加热水溶解，再加入碘单质、碘离子和天然色素，使溶液中各组分的含量为：1～50g/l
的水溶线性聚合物、1～50g/l的凝胶剂、0.1～10g/l的碘单质、2～30g/l的碘离子和0.02～2g/l的天然色素，充分混匀溶解，冷却至室温，即制得所述高色差甲醛变色水凝胶。
[0011]
所述热水一般是50～100℃的热水。
[0012]
进一步的，所述水溶线性聚合物为聚乙烯醇、水溶性淀粉、聚乙烯吡咯烷酮、水溶性纤维素、聚乙二醇、聚丙烯酰胺中的一种或几种，优选聚乙烯醇、水溶性淀粉或聚乙烯吡咯烷酮。
[0013]
进一步的，所述凝胶剂为卡拉胶、结冷胶、琼脂、透明质酸、海藻酸钠、魔芋胶、明胶中的一种或几种，优选琼脂、透明质酸或海藻酸钠。
[0014]
进一步的，所述碘离子来自含i-的化合物，所述含i-的化合物中的阳离子为钾、钠、锂和铵中的一种或几种。优选碘离子来自碘化钠、碘化钾或碘化铵。
[0015]
在计算碘离子的用量时，以含i-的化合物中的i-的质量来计量。
[0016]
进一步的，所述天然色素为姜黄色素、辣椒红色素、β-胡萝卜素、玉米黄色素和番茄红素的一种或几种，优选姜黄色素、辣椒红色素或β-胡萝卜素。
[0017]
本发明还提供基于天然色素的高色差甲醛变色水凝胶的制备方法，所述方法为：水溶线性聚合物和凝胶剂加热水溶解，再加入碘单质、含i-的化合物和天然色素，使溶液中各组分的含量为：1～50g/l的水溶线性聚合物、1～50g/l的凝胶剂、0.1～10g/l的碘单质、2～30g/l的碘离子和0.02～2g/l的天然色素，充分混匀溶解，冷却至室温，即制得所述高色差甲醛变色水凝胶。
[0018]
本发明提供的高色差甲醛变色水凝胶可以与甲醛反应，同时产生目视可见的明显的颜色色差变化，由蓝色或棕紫色变为橙色或黄色，因此可以用于吸收、检测、且指示甲醛污染物。
[0019]
本发明的高色差甲醛变色水凝胶的变色原理在于：
[0020]
在水凝胶体系中，碘单质i2与i-共同形成聚碘离子(i
n-)，水溶线性聚合物溶于水后，借助于分子内氢键卷曲成螺旋状，此时聚碘离子可以进入螺旋中间管腔，在聚合物羟基(提供孤对电子)和碘(提供空轨道)的配位键作用下形成一维超分子组装体，而聚碘离子在该一维组装体内的电子离域作用得到增强，使得聚碘离子的吸收光谱红移而呈现蓝色或棕紫色。超分子组装体在水凝胶中颜色较深可掩盖水凝胶中天然色素底色。当该超分子组装体遇到空气污染物甲醛分子时，聚碘离子可以氧化甲醛，自身还原为碘离子，从而使得组装体崩解并褪色(如附图1所示)，水凝胶中天然色素的颜色则呈现出来。为取得较明显的甲醛反应前后的色觉对比效果，赋予水凝胶底色的天然色素的选择，则以超分子组装体颜色蓝色或棕紫色的补色(橙色或黄色)为主。可选的天然色素的分子结构，如附图2所示。
[0021]
在工业和商业中，目视测色时的光源、观察角度、观察者自身条件等多种因素都可能导致颜色评价产生差异，国际照明委员会(cie)推荐了基于lab颜色空间作为测量标准准确地评定产品色差。根据cie提供的如下标准色差公式，采用色差仪，通过比较样板和被检品之间的颜色差异，把每个颜色处理为三维空间中一个点(l*,a*,b*)，然后计算在它们之间的欧几里得空间距离，即得色差值(δe*)：
[0022][0023]
由于甲醛变色前后的颜色为相对补色关系(附图3)，因此本水凝胶可以获得较大
的色差值(δe*≥30)，得到较好的视觉灵敏度。
[0024]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：甲醛变色水凝胶选材主要基于天然物质，对家居环境友好安全、对甲醛变色明显、目视即可识别颜色色差变化，无需额外的识别设备，成本低廉、制备工艺简单温和，应用方便。
附图说明
[0025]
图1为高色差甲醛变色水凝胶的结构示意图及甲醛变色原理示意图。
[0026]
图2为天然色素的分子结构。
[0027]
图3为水凝胶在甲醛变色前后的颜色补色关系。
具体实施方式
[0028]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进,包括各实例间的任意组合。
[0029]
实施例1
[0030]
一种基于天然色素的高色差甲醛变色水凝胶，其包括聚乙烯醇、琼脂、碘单质、碘化钾和姜黄色素。
[0031]
制备步骤为：先将聚乙烯醇和琼脂以80℃的热水溶解，再向其中加入碘单质、碘化钾和姜黄色素，使溶液中各组分的含量为：10g/l的聚乙烯醇、10g/l的琼脂、1g/l的碘单质、10g/l的碘离子和0.2g/l的姜黄色素，充分混匀溶解，冷却至室温，即得高色差甲醛变色水凝胶。
[0032]
将水凝胶置于空气检测舱内，在甲醛浓度为2mg/l条件下，水凝胶颜色经24hr后，目视可见由深蓝色变为黄色，以色差仪测得变色前后的色差δe值为77.8，达到了明显的甲醛变色效果。
[0033]
将水凝胶置于空气检测舱内，在甲醛浓度为0.08mg/l条件下，水凝胶颜色经24hr后，目视可见由深蓝色变为浅黄色，以色差仪测得变色前后的色差δe*值为41.6，达到了明显的视觉变色效果。
[0034]
实施例2
[0035]
一种基于天然色素的高色差甲醛变色水凝胶，其包括水溶性淀粉、透明质酸、碘单质、碘化钠和辣椒红色素。
[0036]
制备步骤为：先将水溶性淀粉和透明质酸以50℃的热水溶解，再向其中加入碘单质、碘化钠和辣椒红色素，使溶液中各组分的含量为：1g/l的水溶淀粉、1g/l的透明质酸、0.1g/l的碘单质、2g/l的碘离子和0.02g/l的辣椒红色素，充分混匀溶解，冷却至室温，即得高色差甲醛变色水凝胶。
[0037]
将水凝胶置于空气检测舱内，在甲醛浓度为2mg/l条件下，水凝胶颜色经24hr后，目视可见由蓝色变为橙色，以色差仪测得变色前后的色差δe*值为63.4，达到了明显的甲醛变色效果。
[0038]
实施例3
[0039]
一种基于天然色素的高色差甲醛变色水凝胶，其包括聚乙烯吡咯烷酮、海藻酸钠、碘单质、碘化铵和β-胡萝卜素。
[0040]
制备步骤为：先将聚乙烯吡咯烷酮和海藻酸钠以100℃的热水溶解，再向其中加入碘单质、碘化铵和β-胡萝卜素，使溶液中各组分的含量为：50g/l的聚乙烯吡咯烷酮、50g/l的海藻酸钠、10g/l的碘单质、30g/l的碘离子和2g/l的β-胡萝卜素，充分混匀溶解，冷却至室温，即得高色差甲醛变色水凝胶。
[0041]
将水凝胶置于空气检测舱内，在甲醛浓度为2mg/l条件下，水凝胶颜色经24hr后，目视可见由棕紫色变为橙黄色，以色差仪测得变色前后的色差δe*值为45.9，达到了明显的甲醛变色效果。
[0042]
对比例1
[0043]
一种甲醛变色水凝胶，其包括聚乙烯醇、琼脂、碘单质和碘化钾。
[0044]
制备步骤为：先将聚乙烯醇和琼脂以80℃的热水溶解，再向其中加入碘单质和碘化钾，使溶液中各组分的含量为：10g/l的聚乙烯醇、10g/l的琼脂、1g/l的碘单质和10g/l的碘离子，充分混匀溶解，冷却至室温，即得甲醛变色水凝胶。
[0045]
将水凝胶置于空气检测舱内，在甲醛浓度为2mg/l条件下，水凝胶颜色经24hr后，目视其由深蓝色只略微褪色，以色差仪测得变色前后的色差δe*值仅为11.5，视觉变色效果不明显。
[0046]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。