Study on the kinetic behaviour of photochromic systems

Abstract

Photochromic colourants have found some applications, such as spectacle lenses, textile designs, and molecular switches. However, their somewhat high cost, lack of standardized laboratory procedures, and technological limitations are preventing them from entering the mainstream market and industry. To overcome this problem, a prototype (the Photochrom-2), consisting of a modified spectrophotometer, was developed at the Technical University of Liberec (TUL) to accurately perform dynamic measurements on photochromic and thermochromic materials. This device allows the user to control the sample’s temperature, the time of exposure to the exciting light source, and the time of decay. Using the Photochrom-2, textile samples screen-printed with the Matsui Photopia Purple (MPP) pigment were studied. The main goal was to analyse the kinetic behaviour of the compound over five consecutive cycles while varying the pigment concentration, the temperature, and the time of exposure to the exciting light source. Six distinct pigment concentrations, five temperatures, and two exposure times were tested. After defining the maximum absorption wavelength and the appropriate decay time, the five cycle assays began. By direct application of the Kubelka-Munk transform, graphics of 𝐾/𝑆 values as a function of time were obtained. From there, it was possible to evaluate the influence of concentration, temperature, and exposure time on the resulting colour strength. Then, the 𝐾/𝑆 values were run through the one-phase decay mathematical model with the aid of the GraphPad Prism software to evaluate how the photochromic response is lost throughout consecutive cycles of activation and decay. During the first stage of data analysis, it was concluded that higher concentrations and lower temperatures were able to produce greater colour strength. In the second stage, the kinetic behaviour of the pigment was analysed. It was concluded that the half-life strongly correlates to pigment concentration and temperature. During decay, the pigment increasingly acquired residual colour over consecutive cycles, regardless of the parameters. Overall, it was concluded that the pigment does withstand five consecutive cycles of exposure and decay without a significant loss of photochromic response. Moreover, the parameters selected were suitable for the proposed objective, and, thus, are a valuable contribution to research on photochromic colourants and can be used as a model for further research.

Os corantes fotocrómicos têm algumas aplicações, exemplos incluem lentes fotocrómicas, designs têxteis e interruptores moleculares. No entanto, o seu custo elevado, a falta de standards laboratoriais e certas limitações tecnológicas impedem-nos de entrar no mercado e na indústria mainstream. Para superar esse problema, um protótipo (o Photochrom-2) foi desenvolvido na Universidade Técnica de Liberec (TUL) para realizar medições dinâmicas com precisão em materiais fotocrómicos e termocrómicos. Este dispositivo permite que o usuário controle a temperatura da amostra, o tempo de exposição à fonte de luz excitante e o tempo de decaimento. O Photochrom-2 foi usado para estudar amostras têxteis estampadas com o pigmento Matsui Photopia Purple (MPP). O objetivo principal foi analisar o comportamento cinético do composto ao longo de cinco ciclos consecutivos enquanto se variava a concentração do pigmento, a temperatura e o tempo de exposição à fonte de luz excitante. Seis concentrações de pigmento distintas, cinco temperaturas e dois tempos de exposição foram testados. Depois de definir o comprimento de onda de absorção máximo e o tempo de decaimento apropriado, os ensaios de cinco ciclos começaram. Pela aplicação direta da transformada de Kubelka- Munk, gráficos dos valores 𝐾/𝑆 em função do tempo foram obtidos. A partir daí, foi possível avaliar a influência da concentração, temperatura e tempo de exposição na intensidade da cor resultante. Em seguida, os valores de 𝐾/𝑆 foram tratados com o modelo matemático de decaimento exponencial com o software GraphPad Prism para avaliar como a resposta fotocrómica é perdida ao longo de ciclos consecutivos de ativação e decaimento. Durante a primeira etapa de análise dos dados, concluiu-se que maiores concentrações e menores temperaturas produzem maior intensidade de cor. Na segunda etapa, foi analisado o comportamento cinético do pigmento. Conclui-se que o tempo de meia vida varia com a temperatura e concentração de pigmento. Durante o decaimento, as amostras adquiriram cada vez mais cor residual em ciclos consecutivos, independentemente dos parâmetros. Em geral, concluiuse que o pigmento resiste a cinco ciclos consecutivos de exposição e decaimento sem perda significativa da resposta fotocrómica. Para além disso, os parâmetros seleccionados foram adequados ao objetivo proposto; estes são uma valiosa contribuição para a investigação de corantes fotocrómicos e futuramente podem ser utilizados como modelo para outros trabalhos.