溶胶凝胶法制备抗菌和减反增透双功能薄膜的研究

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光在不同介质的界面传播时会发生反射现象。光反射会给人类带来许多便利,但同时又会造成不必要的光学损失,对各类光学和光电仪器的性能产生诸多负面影响。例如,降低太阳能电池板光电转换效率,影响屏幕显示的清晰度、对比度等等。减反增透薄膜能够减少界面光反射,增加光透过,从而解决上述问题。因此,此类薄膜在太阳能电池、精密光学器件、平板显示器等光学领域有着广泛的应用。另外,其在节能方面也具有很大的贡献。  要满足实际应用,减反增透薄膜需达到更高的要求,如宽角度/宽光谱减反射、低成本、多功能、高机械强度和耐用性等。其中,减反增透薄膜的多功能化有利于适应复杂的应用环境,满足各种各样的生产生活需求,是备受青睐的研究方向。迄今为止,涉及的研究主要有将减反增透性能与热/电致变色性能、表面润湿性能、抗菌性能相结合等。值得注意的是,具备抗菌性能的减反增透薄膜有利于医学领域光学器件性能提高和抗菌防感染双重目标的实现。因此,其在触摸屏、医疗光学元件、医疗可视窗等方面具有良好的实际应用前景。但是,相关研究较少,通过简单的方法制备出优异抗菌性能的减反增透薄膜仍具有挑战性。  本论文基于以上思路,通过简单的溶胶凝胶法,设计并制备出性能优异的抗菌/减反增透多功能薄膜。具体研究内容和成果如下:  1.基于银纳米粒子抗菌的高强度减反增透双功能薄膜  本研究以含有银纳米粒子的酸催化二氧化硅溶胶液为前驱体,在普通玻璃基底上通过先浸涂后高温热处理的过程,制备了具有抗菌和减反增透双功能的薄膜。薄膜中均匀的介孔由P123的挥发诱导自组装过程形成,使其具有低折射率和良好的减反射性能。银纳米粒子的平均粒径约为2nm,在前驱体溶胶液中由还原剂P123原位还原AgNO3得到,最后均匀分散于二氧化硅介孔薄膜中,使薄膜具备良好的杀菌性能。调控原料比例得到综合性能最佳的薄膜,涂覆有该薄膜的玻璃在可见光范围内(400-800nm)的最高透光率可达98.8%,并且能够很好地抑制细菌在表面的增殖。同时,薄膜具有良好的机械性能,能够通过擦洗测试和5H铅笔硬度测试,与基底的粘附力达到5A级。  2.基于季铵盐接触型抗菌减反增透双功能薄膜  本研究选取最长烷基链为C18的季铵盐为抗菌剂,合成季铵盐改性的酸催化二氧化硅溶胶液(Q-ASNs),并与二氧化硅空心球溶胶液(HSNs)相混合,采用室温浸涂法制备出具备抗菌减反增透双功能的薄膜。同时,对于有不同HSNs和Q-ASNs比例制备的薄膜的光学性能以及抗菌性能进行了研究和讨论。其中,最优薄膜在可见光区域内(400-800nm)展现出优异的透光性能(Tmax=99.2%,Tave=98.6%),同时具有良好的抗菌性能。该薄膜制备方法简单,易于大面积涂覆,且无需经过高温热处理。
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