甲壳素纳米纤维减反射涂层的电场辅助构筑

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减反射涂层是常用的降低光学损失的手段,它可以增加光学系统的光通量和灵敏度、提高发光器件的性能和效率等。将天然高分子材料用作减反射涂层的原料对于拓展天然高分子材料的应用领域,制备绿色环保的减反射涂层具有重要意义。甲壳素纳米纤维(Ch NFs)广泛存在于虾蟹壳中,具有良好的成膜性,且作为自然界中唯一带正电荷的天然高分子,在制备涂层过程中易于通过电场进行组装排列。本文以甲壳素为原料,通过部分脱乙酰化改性预处理结合超声波机械处理制备甲壳素纳米纤维,利用纳米粒径电位分析仪研究了预处理过程中Na OH溶液浓度、反应时间及后续超声破碎条件对纳米纤维尺寸和电位值的影响。随后将所得的甲壳素纳米纤维作为原料,通过外加直流电场辅助的方式构筑涂层,研究了纳米纤维尺寸、施加电场时间和电场强度对涂层透光率和几何参数的影响。针对部分脱乙酰化甲壳素纳米纤维存在的问题,选择酯化预处理与部分脱乙酰化预处理相结合制备甲壳素纳米纤维涂液,经直流电场辅助构筑涂层。用原子力显微镜、透射光谱仪、椭偏仪、扫描电镜等仪器对所得涂层的透光率和几何参数进行分析,通过矢量法估算涂层的反射率并进行验证。具体研究内容与结果如下:(1)通过改变Na OH溶液的浓度与反应时间改变甲壳素的脱乙酰化程度,得到不同尺寸的甲壳素纳米纤维。当反应时间为4 h时,浓度为35%和38%的Na OH溶液处理后超声破碎不能使甲壳素纳米纤维充分剥离;浓度为45%以上的Na OH溶液会使甲壳素完全溶解。浓度为35%的Na OH溶液与甲壳素反应5 h后经过超声处理后得到的甲壳素纳米纤维宽度约为15 nm,长度在100 nm—200 nm之间;Zeta电位值均在35 m V以上,能够在水中长时间稳定分散。(2)以部分脱乙酰化甲壳素纳米纤维为原料,通过外加直流电场辅助构涂层。甲壳素纳米纤维的尺寸对涂层透光率影响最大。载玻片基底在550 nm波长处的透光率为89%。涂有PD-35-4-Ch NFs(平均粒径:392 nm)涂层的基底在550nm波长处的透光率均在85%以下;涂有PD-38-4-Ch NFs(平均粒径:328 nm)涂层的基底在550 nm波长处的透光率在85%—89%之间,略低于载玻片基底;而涂有PD-35-5-Ch NFs(平均粒径:286 nm)涂层的基底的透光率约为89%。电场的调节作用受到涂液粘度的限制,粘度过高会抑制纳米纤维在电场下的可动性。(3)针对部分脱乙酰化甲壳素纳米纤维涂液存在粘度过高的问题,选择酯化改性与酯化-部分脱乙酰化双改性甲壳素纳米纤维做涂液构筑涂层。酯化改性后甲壳素纳米纤维的Zeta电位为-38 m V,电场的调节作用较弱。而酯化-部分脱乙酰化双改性后甲壳素纳米纤维的Zeta电位达到48 m V,浓度为0.5 wt%的涂液施加55 V电压5 min得到厚度为400 nm的涂层在550 nm波长处的透光率从89%提高至91%,孔隙率达到28.55%。浓度为0.05 wt%的涂液施加55 V电压5 min得到厚度为132 nm的涂层在550 nm波长处的最高透光率达到94%,较载玻片基底提高5%。
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