Page 200 - 《精细化工》2021年第8期

·1694· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷

陷态结构，光子经过缺陷的多重散射后，经干涉作 机来自北京普析通用仪器有限责任公司），实验室自
用形成了各向同性的光子带隙，因而产生低角度依 制；盒装墨水（质量浓度 190 g/L，炭黑为主要成分），
赖性的结构色 [6-7] 。由于独特的生色机理，光子晶体 上海晨光文具股份有限公司。所有试剂均直接使用，
[8]
具有不褪色、颜色鲜艳等特点 。 未经过任何提纯。
大自然中的天然蛋白石具有绚丽多彩的颜色， Zetasizer Nano 系列动态光散射（DLS）纳米激
这种颜色来源于其内部纳米 SiO 2 粒子有序排列而 光粒度仪，英国马尔文仪器有限公司；Sigma 300
成的三维光子晶体结构，因此，获得均匀且粒径可 型扫描电子显微镜（SEM），德国卡尔蔡司公司；
控的 SiO 2 纳米粒子是制备光子晶体材料的先决条 SONY A7 Ⅲ型索尼相机，日本索尼公司；
件 [9-10] 。1968 年，STÖBER 等 [11] 研究出一种溶胶- FLMS15930 微型光纤光谱仪，海洋光学亚洲公司；
凝胶法，即 Stöber 法来合成均匀球形 SiO 2 纳米粒子； X-rite Ci60 型便携式分光光度计，爱色丽（上海）
ZHOU 等 [12] 利用 Stöber 法制备粒径在 180~380 nm 色彩科技有限公司。
的 SiO 2 微球，研究了不同组装条件对光子晶体的影 1.2 SiO 2 纳米粒子的合成
响，并且对涤纶织物染色，在织物表面形成光子晶 采用溶剂调控法合成粒径分别为 A 和 B 的两种
体的结构色；GAO 等 [13-16] 和彭晶晶等 [17] 改进了 SiO 2 纳米粒子，记为 S A 和 S B 。溶剂调控法是指固
Stöber 法，在此基础上提出溶剂调控法，通过改变 定其他反应条件（反应温度、转速、NH 3 •H 2 O 用量、
化学反应体系中乙醇的体积获得粒径可控且均匀的 H 2 O 用量以及 TEOS 用量），仅改变 EtOH 用量来调
SiO 2 粒子；陈佳颖等 [18] 在上述基础上制备出多种粒 节 SiO 2 纳米粒子的粒径大小。在本实验中，将 EtOH、
径的 SiO 2 ，通过重力沉降法在针织物表面构建不同 NH 3 •H 2 O 和 H 2O 依次加入到 250 mL 圆底烧瓶中，
结构色，并且研究了粒径、自组装温度和织物组织 水浴温度设置为 30 ℃，搅拌速度为 600 r/min。待
对纬平针、罗纹针织物表面结构生色效果的影响。 温度稳定后，迅速加入 TEOS，反应 2 h 后，即可获
为了增加光子晶体结构色的饱和度，研究人员又加 得乳白色均匀的 SiO 2 纳米粒子悬浮液。S A 和 S B 的
入炭黑、多巴胺、墨鱼汁、石墨烯、聚吡咯等深色 合成参数如表 1 所示。
物质以削弱非相干光散射的影响 [19-22] ，目前，利用
商业墨水提高饱和度的研究较少。利用这些传统方 表 1 SiO 2 的合成参数
Table 1 Synthesis parameters of SiO 2
法构建结构色时，不同的结构色需要合成不同粒径
样品 EtOH/mL NH 3•H 2O/mL H 2O/mL TEOS/mL
的 SiO 2 纳米粒子，工艺繁琐，不利于大批量生产。
S A 53 8 3 6
本文利用溶剂调控法，以氨水（NH 3 •H 2 O）为
S B 62 8 3 6
催化剂，正硅酸乙酯（TEOS）为前驱体，乙醇（EtOH）

和超纯水（H 2 O）为溶剂，TEOS 经水解、聚合形成
1.3 S A /S B 以及 S A /S B /墨水光子晶体薄膜的制备
SiO 2 纳米粒子 [23-24] ，得到能够形成黄、绿两种结构
将上述 S A 与 S B 分别以质量比为 10∶0、7∶3、
色薄膜的 247 和 285 nm SiO 2 纳米粒子。然后将上述
5∶5、3∶7、0∶10 的 5 种比例超声混合 2 h，然后
两种粒子进行混合，通过改变混合比例，在玻璃培
置于培养皿中，放入 40 ℃的烘箱中干燥，最终粒
养皿中制备出不同的结构色。在 SiO 2 粒子悬浮液中
子通过重力沉降自组装形成光子晶体结构色薄膜
加入一定量的墨水来提高结构色的饱和度。并考察
S A /S B 。为提高薄膜的饱和度，在 5 种 S A 与 S B 的 SiO 2
SiO 2 粒子粒径、混合比例以及墨水质量分数对结构
悬浮液中分别添加质量分数（0、0.03%、0.06%、
色的影响，旨在制备的结构色能够作为颜料和涂料
0.09%）墨水，得到的混合悬浮液在 40 ℃下干燥后，
对纺织品、纸张、玻璃、塑料、木材等多种材料进
重复上述自组装步骤，制备出色彩鲜艳的结构色薄
行着色。
膜，记为 S A /S B /墨水。
1 实验部分 1.4 测试与表征
采用 DLS 测定 SiO 2 纳米粒子的平均粒径及其
1.1 材料与仪器 分散系数（PDI）；通过 SEM 观察粒子及光子晶体薄
TEOS（质量分数>99%），上海麦克林生化科技 膜的形貌特征；利用索尼相机拍摄结构色薄膜的光
有限公司；NH 3 •H 2 O（质量分数为 25%），德国默克 学照片；用光纤光谱仪测量结构色薄膜的反射率曲
公司；EtOH（质量分数≥99.9%），永华化学科技（江 线；用分光光度计测量薄膜的色度坐标值及色空间
苏）有限公司；H 2 O（电阻率为 18.2 MΩ·cm，纯水 参数。