单分散TiO2纳米粒子的制备及结构色薄膜的静电自组装构建

作     者：庄广清 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邵建中

授予年度：2016年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：结构色 静电自组装 TiO2纳米粒子 TiO2/PEI薄膜 SiO2/TiO2复合薄膜 

摘      要：目前纺织品产生颜色的主要途径是通过在织物上施加有色物质(染料或颜料)来产生。而在自然界中,许多生物体则是通过其微结构对光发生干涉、散射、色散和衍射等作用来产生颜色,称之为结构生色。结构色的产生无须任何化学着色剂的存在,并具有高亮度、高饱和度和虹彩效应等优点。与常规的纺织品染色技术相比较,结构生色是一种节能减排的生态仿生着色技术,且能赋予纺织品灵动多变、栩栩如生的着色效果。本课题采用自制的表面带负电荷的无机纳米粒子和带相反电荷的聚电解质,应用静电自组装技术在不同基材上构建单层或多层结构色薄膜,分析探讨结构色的影响因素及结构生色机理,为开发纺织品的仿生结构“着色技术进行有益的探索和实践。本论文主要开展了以下四方面的研究工作:1.采用改进的溶胶-凝胶法,通过控制反应时间、反应温度、钛酸异丙酯和水的摩尔比等因素制备粒径可控的单分散TiO纳米粒子;2.根据组装基材的表面性质优化薄膜的制备条件(如水洗次数、TiO及PEI的浓度等),通过评价不同组装条件下基材上纳米粒子的分布情况,确定适宜基材的组装条件;***/PEI结构色薄膜的构建:探讨纳米粒子的粒径、组装周期数、观察角度等因素对TiO/PEI结构色薄膜光学特性的影响,阐明由静电自组装技术构建的薄膜微观结构的特性,分析生色机理,建立自组装过程模型;***/TiO复合结构色薄膜的构建:以SiO/PEI层作为低折射率层,TiO/PEI层作为高折射率层,构建高/低折射率配对(H/L)的多层薄膜,研究高折射率层和低折射率层的叠放次序、厚度和配对数对构建结构色薄膜光学特性的影响,分析多层薄膜的生色机理。研究结果表明:1.通过改变钛酸异丙酯和水的摩尔比可实现对TiO粒径的有效调控,当反应12 h,反应温度为20℃时,制备的TiO纳米溶胶液的稳定性和单分散性较好;2.基材的表面平整性、亲水性和带电性等与薄膜构建的效果密切相关,适宜玻璃基板的组装条件为:PEI溶液浓度为0.5 wt.%、TiO溶胶液浓度为10 wt.%、水洗次数为3次;相比玻璃基板,涤纶织物需增加水洗次数到4次,PEI溶液浓度为1.0 wt.%;***/PEI薄膜结构色随组装周期数、纳米粒子粒径和观察角度的变化而变化,薄膜的光学特性和微观形态共同验证了TiO/PEI薄膜为有机/无机复合的均一多孔薄膜,其结构生色机理符合单层薄膜干涉理论。TiO与PEI之间的静电引力驱动薄膜的自发纵向错层增长,多种作用力共存的体系驱使薄膜形成多孔膜结构,并以此建立了自组装过程模型;***/TiO双层薄膜结构色随外层薄膜组装周期数的增加,中心波长有红移趋势;SiO/TiO多层薄膜随着配对数的增加,其结构色变化不明显,鲜艳度有一定下降。该现象与典型的1/4波长多层薄膜的结构生色现象存在差异,其主要原因可能是两种高低折射率的纳米粒子通过静电自组装所构建的多层薄膜难以形成清晰分界面而致。