光功能纳米颗粒及其可见窗口材料的制备和性能研究
光学窗口薄膜材料可以选择性的阻隔和透过一定波段内的光线，实现对有害光波的有效过滤，在能源、建筑、交通、光学仪器等领域有广泛的应用前景。其中，一种完全屏蔽紫外线和红外线并且保证可见光利用率的光学材料，可以有效避免紫外线和红外线辐射带来的伤害和热量传递，对人体健康、商品安全和节能环保等方面具有积极的意义。光学窗口薄膜材料通常采用具有一定光功能的金属或金属氧化物材料制备而成，然而，单一光功能材料制备的窗口薄膜难以满足紫外线/红外线双隔绝的要求，且对于多功能复合材料制备的窗口薄膜在紫外线/红外光的完全屏蔽和可见光高透过率尚未实现有效的兼顾。 论文拟采用热注射法制备具有紫外线吸收作用的纳米ZnO，采用超重力技术，在旋转填料床（RPB）中制备具有减反射作用的空心二氧化硅纳米球（HSNs），并以ZnO、HSNs和氧化铟锡（ITO）纳米粒子为构筑单元，采用自组装方法制备具有典型窗口性质的紫外线和红外线双隔绝的透明窗口薄膜材料。主要研究内容和结果如下： 采用热注射法结合表面改性技术制备了纳米ZnO及其水相分散体。研究并确定了适宜的制备工艺条件：溶剂体系为甲醇，改性剂的添加量为50wt%。制备的纳米ZnO平均粒径约为6nm，粒径分布较窄，结晶度良好。纳米ZnO可以单分散于水中形成高透明的水相分散体，且具有强紫外线吸收能力。 以纳米ZnO为模板，采用反相微乳液法，在RPB中实现了小尺寸HSNs及其水相分散体的制备，研究并确定了适宜的制备工艺条件：NH3·H2O与ZnO的摩尔比为6.1、反应温度为20℃、RPB转速为1500rpm、反应时间为3h，乳化剂与水的质量比为7.5。研究发现，制备过程中先形成核壳结构的ZnO@SiO2，通过NH3·H2O对ZnO的缓慢腐蚀最终制备出HSNs纳米球，产品空心结构明显，平均粒径和空腔尺寸分别为19.8和8nm，折射率约为1.342，HSNs在水中呈单分散，且具有良好的分散稳定性。与传统釜式搅拌法相比，超重力法可以强化微观混合和传质，且可形成乳滴较小的透明微乳液，因此能明显的缩短反应时间、提高收率，制备的HSNs形貌更均一。 以ZnO、HSNs和ITO纳米粒子为构筑基元，采用旋涂自组装技术分别在基底两侧快速交替沉积制备了具有折射率梯度的窗口薄膜材料。结果表明光线通过不同折射率的介质时，介质之间按照折射率梯度顺序沉积排列可以有效减少入射光的反射，明显提高材料的可见光透过率。紫外-可见-近红外光光谱测试结果表明，ZnO和ITO纳米粒子用量较少时，薄膜材料对360nm以下和1200nm以上波段光线的屏蔽效率达到100%，可见光透过率达到92%；继续增加用量，薄膜材料的紫外-可见-近红外光透过率曲线呈现典型的窗口形状，可以完全屏蔽380nm以下的紫外光和900nm以上的红外光，380~800nm波段范围内透过率维持在75%~76%。
光功能纳米颗粒;可见窗口材料;核壳结构
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
曾晓飞
2022
中文
TB383
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）