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印刷与数字媒体技术研究 2024年第3期 310-318页

作者：黄新瑶王京泽王海松吕艳娜大连工业大学轻工与化学工程学院大连116034

纤维素纳米晶体(CNC)是纤维素的衍生物,具有纳米材料特性和手性光学特性。为了提高CNC薄膜的力学性能和湿度响应,本研究以多羟基结构的D-木糖和木糖醇为增塑剂和湿敏剂,与CNC悬浮液共混,通过蒸发诱导自组装,制备可湿度响应的强韧CNC复... 详细信息

纤维素纳米晶体(CNC)是纤维素的衍生物,具有纳米材料特性和手性光学特性。为了提高CNC薄膜的力学性能和湿度响应,本研究以多羟基结构的D-木糖和木糖醇为增塑剂和湿敏剂,与CNC悬浮液共混,通过蒸发诱导自组装,制备可湿度响应的强韧CNC复合膜。结果表明:D-木糖和木糖醇添加量为45%的复合膜,其断裂伸长率分别为12.6%和19.15%,是CNC膜的14.8倍和22.5倍;拉伸强度分别增大至86.58MPa和145.9MPa,是CNC膜的1.3倍和2.3倍;随着D-木糖和木糖醇含量的增加,复合膜的结构色逐渐红移,反射波长增大;添加木糖醇的CNC/X薄膜的湿度响应反射波长最大,响应灵敏性最佳。因此,CNC结构色薄膜在智能响应、传感检测等方面具有巨大的应用潜力。

关键词：纤维素纳米晶体胆甾相液晶湿度响应结构色薄膜

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全光谱SiO_(2)结构色薄膜的加色法制备及其光学性能

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纺织学报 2023年第2期44卷 168-175页

作者：李月佳高伟洪杨树林田田朱婕赵小燕张之悦上海工程技术大学纺织服装学院上海201620

为解决在制备不同粒径的小球来实现全光谱结构色过程中工作量大的问题,采用溶剂调控法合成粒径均匀的304、260、200 nm的SiO_(2)纳米颗粒,利用三原色加色法原理将3种不同粒径的纳米SiO_(2)悬浮液按照不同质量比两两混合,然后放在烘箱中... 详细信息

为解决在制备不同粒径的小球来实现全光谱结构色过程中工作量大的问题,采用溶剂调控法合成粒径均匀的304、260、200 nm的SiO_(2)纳米颗粒,利用三原色加色法原理将3种不同粒径的纳米SiO_(2)悬浮液按照不同质量比两两混合,然后放在烘箱中进行重力沉降自组装,制备出全光谱非晶光子晶体结构色薄膜,探究混合比例对SiO_(2)光子晶体结构色的影响。同时为提高结构色的饱和度,将墨水添加到不同混合比例的SiO_(2)悬浮液中,研究墨水质量分数对光子晶体结构色的影响。结果表明:随着小粒径SiO_(2)比例的增加,结构色会出现蓝移现象;墨水质量分数越高,结构色亮度越低,色度呈先增加后减小趋势,当墨水质量分数为0.4%时,结构色饱和度最好。

关键词：结构色薄膜加色法全光谱色光子晶体 SiO_(2)纳米颗粒

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基于介质层材料及尺度调控的干涉结构色薄膜研究

基于介质层材料及尺度调控的干涉结构色薄膜研究

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作者：李涛西安理工大学

学位级别：硕士

结构色薄膜化学性质稳定,且可以利用介质层材料组合及尺度调控而获得较本征色薄膜更为丰富的色谱体系,有望在消费电子产品等领域得到广泛应用。针对目前结构色薄膜存在的特征反射半高宽过大、色彩饱和度较低,以及薄膜整体厚度受限而影... 详细信息

结构色薄膜化学性质稳定,且可以利用介质层材料组合及尺度调控而获得较本征色薄膜更为丰富的色谱体系,有望在消费电子产品等领域得到广泛应用。针对目前结构色薄膜存在的特征反射半高宽过大、色彩饱和度较低,以及薄膜整体厚度受限而影响服役可靠性等问题,本文试图以干涉设计准则为切入点,对比研究λ/4和3λ/4两种设计准则对结构色薄膜介质层尺度及光谱反射特征的影响,评价不同设计准则及介质层材料、尺度对结构色薄膜服役可靠性的影响;在有效提高介质层及整体膜厚、降低膜厚波动相对其设计尺度变化率基础上,利用基片偏转形成渐变的介质层厚度梯度,进而获得光学性能及服役可靠性更为理想且具有可控渐变特征的结构色薄膜。研究结果显示:1、干涉级数（k）对H-L折射率组合多级干涉结构色薄膜的特征反射峰半高宽及介质层尺度参数影响显著,与λ/4设计准则相比,3λ/4设计准则下不仅介质层厚度提高3倍、薄膜整体厚度达到1.0 μm以上,而且不同中心波长下结构色薄膜的特征反射半高宽可降低67.46～69.20%,显示利用3λ/4准则设计制备结构色薄膜具备有效增厚及改善显色性的可行性。2、与λ/4准则相比,基于3λ/4准则制备的两种材料组合结构色薄膜在不同中心波长设计参数下,沉积态特征反射半高宽可降低58.33～72.17%,而反射率仅降低0.24～17.12%,表现出与模拟预期相符的更理想光学性能。在相同中心波长下,SiO2-TiO2薄膜相比Al2O3-TiO2薄膜,其特征反射半高宽基本一致但反射率及显色亮度略高,显示材料组合变化不影响薄膜单色性而是对其反射率有一定程度影响。3、基于3λ/4准则制备的结构色薄膜因介质层及整体厚度提高,其膜基结合强度相比λ/4准则可有效提高4～5个等级;同时设计准则对SiO2-TiO2和Al2O3-TiO2两种结构色薄膜的耐蚀性表现出相同的影响规律,3λ/4设计准则下薄膜的耐腐蚀性更优。不同设计准则、材料组合及介质层尺度参数对结构色薄膜的耐磨性影响不显著,均表现出符合电子产品行业标准YD/T 1539-2006的性能水平。4、3λ/4准则下,结合基片偏转可有效实现SiO2-TiO2结构色薄膜介质层厚度梯度渐变,进而在样品不同区域实现渐变特征色谱面分布,其机制在于偏转不同角度时,样品不同位置靶基距相应变化造成沉积厚度出现差异。利用简单的炉内垫片支承,即可实现基片偏转角（α）0°～20°范围变化,且α越大介质层厚度梯度越显著,相应地SiO2和TiO2介质层尺度变化范围可分别达到-5～+75 nm和-4～+48 nm;增大α和位置偏移量均主要造成不同位置薄膜特征反射峰中心波长“红移”,相对未偏转样品,偏转样品不同位置中心波长变化范围可达458（-10～+116）nm,并形成明显的表观色彩渐变效果。以上结果证实,射频-直流反应溅射结合3λ/4设计准则可制备出光学性能及服役可靠性均显著优于传统λ/4设计准则的结构色薄膜,并可利用简单工装调控实现介质层厚度梯度及沉积面色彩渐变。

关键词：结构色薄膜设计准则光学性能基片偏转渐变色

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SiO2基非晶光子晶体结构色材料的研究

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作者：崔云陕西科技大学

学位级别：硕士

近年来,非晶光子晶体材料引起了人们的广泛关注,不仅是因为其内部结构的特殊性,还因为非晶光子晶体材料的颜色特性。非晶光子晶体材料具有短程有序,长程无序的结构。当入射光角度改变时,非晶光子晶体内部的光子带隙不随之改变,导致不随... 详细信息

近年来,非晶光子晶体材料引起了人们的广泛关注,不仅是因为其内部结构的特殊性,还因为非晶光子晶体材料的颜色特性。非晶光子晶体材料具有短程有序,长程无序的结构。当入射光角度改变时,非晶光子晶体内部的光子带隙不随之改变,导致不随入射光角度改变的结构色,即所谓的非虹彩效应,给人更好的视觉感受,因此在功能性涂料和光电器件等众多的应用领域内具有广阔的发展前景。本文的主要内容包括:(1)从具有非晶光子晶体结构的生物体中获得灵感,使用乙炔黑粉体作为黑色添加剂,利用共混法将一定量的乙炔黑添加到SiO纳米微球中,在恒温干燥箱下干燥即可得到不同颜色的结构色颜料。通过调节SiO微球的直径,结构色颜料可呈现蓝色、绿色或紫红色。通过SEM图谱分析发现SiO微球在该薄膜中呈无序堆积状态,乙炔黑颗粒以团聚的形式存在于体系中。结构色颜料还可以通过离心自组装法或喷涂法制备成非晶光子晶体结构色块体或薄膜形状。通过光学照片分析可知,乙炔黑颗粒有助于提高色彩饱和度且对色调无影响,同时结构色颜色不随着观察角度的变化而变化。(2)纳米吡咯(Polypyrrole,PPy)颗粒也可以作为加强薄膜的结构色的可选物质,且结构色在陶瓷表面的应用极少涉及。因此,利用低温聚合法合成的PPy黑色粉体与SiO胶体小球共混可以形成乙醇混合溶液,进一步通过滴涂法即可在陶瓷基底表面制备出不同颜色的非晶光子晶体结构色薄膜。研究结果表明,在直射光条件下所制备出的结构色薄膜会呈现金属光泽。通过详细调控SiO胶体小球的尺寸以及SiO和PPy颗粒的成分比例,还得到了非晶光子晶体结构颜色的色板图。这为今后非晶结构颜色应用于涂料,食品色素添加剂以及色彩显示等方面提供了基础。(3)为了增加非晶材料中黑色添加剂的稳定性,实验中采用SiO表面负载黑色物质PPy的核壳结构制备了一种结构色颜料。通过在单分散SiO表面上原位聚合吡咯从而形成具有一层薄的黑色凹凸不平粒子的纳米颗粒。通过调节SiO球的直径,结构色颜料可显示绿色、红色或紫色。而Py单体的负载量会影响颗粒形貌,在后续的研究中,我们确定了SiO和吡咯单体的比值为0.25 g:15μL。核壳结构还可以通过简单可控的喷涂法在玻璃基板表面形成明亮且具有低角度依赖性的结构色薄膜。光学表征结果表明,制备出具有高颜色对比度的结构色可以归因于SiO表面上PPy颗粒对光的吸收。相比于原始SiO的自组装,SiO@PPy非晶光子晶体结构色薄膜的颜色有所改变,这可能是由于PPy的包覆使得粒子尺寸的增加同时赋予SiO@PPy微球较低的折射率。(4)在很多工业用途上都需要结构色材料具有高结合力和机械强度的特性,以提高外界刺激下结构色彩的稳定性。实验中,以不同颜色的SiO@PPy非晶光子晶体结构色薄膜作为模板,随后在该薄膜表面反复填充聚乙烯醇(PVA),几分钟后去除掉多余PVA溶液,经过恒温干燥即可得到具有高色彩稳定性且结构为各向同性的结构色薄膜。通过光学测试发现该薄膜能保持低角度依赖性并具有高结合力和机械强度,其在玻璃基底上结构色的反射峰会有轻微蓝移现象,但不影响颜色显示。这种现象对于结构色材料在实际生产生活中得到应用具有十分重要的意义。

关键词： SiO2基纳米微球非晶光子晶体结构色颜料结构色薄膜色彩稳定性

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低角度依赖结构生色微球及薄膜材料的制备及功能化研究

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作者：薛雨陕西科技大学

学位级别：硕士

人们眼里美丽斑斓的色彩,以呈色方式划分,可以分为两大类:化学着色和结构生色。通常使用化学着色剂的色彩饱和度很高,但与此同时造成一定程度的环境污染和资源破坏。因此,另一种物理着色方式备受人们关注:即结构生色。结构色具有色彩可... 详细信息

人们眼里美丽斑斓的色彩,以呈色方式划分,可以分为两大类:化学着色和结构生色。通常使用化学着色剂的色彩饱和度很高,但与此同时造成一定程度的环境污染和资源破坏。因此,另一种物理着色方式备受人们关注:即结构生色。结构色具有色彩可调,微观结构不易破坏故永不褪色,环境友好等优点,受到科学界与工程界广泛的关注。但在实际应用中,自组装的结构色饱和度低,外加黑色素易团聚,易被水、油、固态污染物粘附。以上诸多问题限制了结构色在户外条件下的应用。基于此,本论文分别制备出高度单分散的PS@SiO2、PS@TiO2、Air@C@TiO2、CdS@SiO2微球,逐步从引入乙炔黑、炭黑的黑色素,到原位合成炭黑,再到无需添加黑色物质的方向发展,提高非晶光子晶体饱和度。本文的主要内容如下:（1）采用无皂液聚合法与溶胶凝胶法制备出PS@SiO2单分散微球,外加乙炔黑后喷涂后得到结构色薄膜。SEM、TEM测试表明:所制备的微球单分散性良好,粒径均一,厚度约为20 nm的二氧化硅外壳能够均匀包裹PS核。通过对薄膜表面氟化处理,得到PS@SiO2/HFTHTMS疏水输油薄膜。结果表明:喷涂得到的结构色薄膜具有“短程有序,长程无序”的微观结构;乙炔黑作为黑色物质吸收背散射光,有助于提高薄膜的色彩饱和度;非光滑的表面提供了一定的粗糙度,有利于疏水性的提升;薄膜的水接触角测试为169.5°,饱和酸、碱、盐溶液的接触角均＞150°,油的接触角＞90°,形成了超疏水、高疏油的双疏表面,因此有效抵抗液体、固体颗粒污染物的侵害;水与油的弹跳现象很好地补充说明了薄膜的双疏性能。（2）通过溶胶凝胶法与混合溶剂法制备出不同粒径的PS@TiO2纳米微球,掺C喷涂后得到低角度依赖的结构色薄膜。探究了不同TBOT含量对TiO2壳层厚度的影响。利用水性聚氨酯做表面改性处理,提升薄膜的机械强度,并保留水下疏油性能。SEM、AFM、TEM表明:PS@TiO2纳米微球大小均一;大量TiO2纳米颗粒充分包裹在PS表面,形成多级粗糙度;随着TBOT含量的增加,PS@TiO2纳米微球的厚度增大。薄膜分析表明:薄膜具有低角度依赖性;对正己烷等8种不同表面张力的油具有水下斥性,接触角＞150°;在强酸强碱环境下保持水下疏油特性;因WBPU增大PS@TiO2微球间的粘合力,有效承受水柱冲刷、刮擦测试,机械性能得到提高。（3）为避免外加黑色素造成颜色分布不均的问题,通过二次煅烧去除PS核结构原位合成炭黑,得到Air@C@TiO2空心球。探究了煅烧时间、煅烧温度对成壳完整性的影响,对比上一章分析了原位合成碳黑物质对Air@C@TiO2结构生色材料的作用,以及碳黑含量对色料饱和度的影响。SEM、TEM表明:在N2的保护下,经500℃煅烧2h后,再在120℃空气环境中煅烧7 min得到大面积,完整不破的Air@C@TiO2空心球,TiO2壳结构完整;粒径分布窄,满足低角度依赖非晶光子晶体呈色要求;晶格条纹显示TiO2为锐钛矿相。EDS表明:PS核结构原位合成了碳元素依附在TiO2壳的内壁,TiO2壳边界明显。材料分析表明:PS经还原气氛煅烧原位合成碳黑,此时结构色料过饱和,经过二次煅烧挥发,黑色素减少以达到合适的饱和度。（4）以硫脲为硫源,四水合硝酸镉为镉源,一缩二乙二醇作为温和的反应环境,通过两步种子溶液法和修饰Stober法的制备CdS@SiO2微球,组装得到无需引入黑色素的高折射率结构色料。探究了硫源与镉源含量、反应时间、温度等因素对微球生长的影响;在真空条干燥条件下,垂直沉积组装得到结构色薄膜;分析薄膜的形貌特征以及色彩饱和度,讨论了不同粒径自组装薄膜的反射峰理论值。XRD、SEM表明:CdS微球呈立方纤锌矿结构,因比重较大,自组装过程中呈现短程有序而长程无序,形成低角度依赖的缺陷态结构;计算所得反射峰理论值与实际值对比发现存在误差,这是薄膜的表面缺陷造成的。EDS、SEM、薄膜分析发现SiO2成功包覆在CdS微球的表面,反射峰值增大,饱和度提高。

关键词：非晶光子晶体自组装低角度依赖结构色薄膜

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