水溶液中染料聚醚衍生物聚集行为的MesoDyn模拟

表面活性剂泊洛沙姆188临界胶束浓度的模拟计算世界科学技术一中医药现代化★专题讨论摘要:建立了一种介观模拟计算表面活性剂临界胶柬浓度(cMc)的方法.以非离子表面活性剂泊洛沙姆l88为研究对象,计算了其在298K下的临界胶束浓度(cMC),分析了泊洛沙姆l88在水中相行为和有序参数的变化,为表面活性剂增溶作用的研究提供了基础.关键词:介观动力学临界胶束浓度泊洛沙姆l88(r新药研发过程中由于许多新活性成分的溶解度很小,影响其生物利用度和成药性,药剂工业在新药开发中为此付出了约40%的工作量…;尤其在中药药剂研究中,由于中药成分复杂多样,提高难溶性成分的溶解度是中药亟待解决的问题之一.常用增溶方法包括调节pH值,采用复溶剂,加入助溶剂,胶束增溶,包合以及乳化或微乳化等,其中利用表面活性剂进行增溶是一种重要的方法.表面活性剂的增溶机理与其在水中形成的胶束有关.当表面活性剂在其稀溶液中达到临界胶束浓度(CMc)时,被增溶物质进入疏水性的胶束内核而使其溶解度增大.因此,临界胶束浓度(CMc)是考察表面活性剂增溶作用的重要参数.实验测定cMc的方法主要有核磁共振法,紫外分光光度法,光散射法,蒸气压法,溶解度法,比色法(染料吸附法),电导法,表面张力法等『2_.介观模拟方法是近年来应用较广泛的一种计算机模拟技术,已在共聚物相分离,收稿日期:2008—06—14修回日期:2OH08一O8一【)4油一水表面活性剂体系,洗涤作用中的临界过程,逆变胶束,乳胶种子形成,高分子混和增溶剂等方面应用f3l.本文以非离子表面活性剂泊洛沙姆l88为载体,介绍了采用介观动力学(MesoDyn)模拟来计算cMc的方法,讨论了泊洛沙姆l88在水中形成胶束的相分离过程.一,材料和方法1.材料研究平台:AccelrVs公司的Materiajsstudio4.1研究平台研究对象:泊洛沙姆188(E00嚣E0),结构式为HO(C:H40)7q(CH60)28(C:H0)H,总分子量约为900O【4..2.壅主要采用介观模拟中的介观动力学模拟(Meso—Dyn).为了表征体系的化学性质,在进行模拟计算时,需确定两个重要参数:各重复单元的Gaussian链以及不同组分问的相互作用能.★国有中医药管理局中医药行业科研专项(2007O8【】(】6):符合中药特点的增溶性药用辅料的筛选与评价,负责人:杨明;北京市重点实验室(JD10HD26O538),负责人:乔延江;中药抗病毒有效物质基础研究(编号:xK10O270569),负责人:乔延江.★★联系人:乔延江,本刊编委,教授,博士生导师,主要研究方向:中药信息工程,中药新药研发,Email:**************.[D以dScence∽dcnofo.r帅.厂砌nse9dcner肌derd0]262008第十卷第五期★V o1.10No.5对于前者,模拟中用"弹簧和珠子"(sngandbead)来表示Gaussian链,弹簧模拟珠子之间的伸缩行为,代表了相同片段之间的连接,其链长由最初的全原子结构决定;每个珠子表示一个统计单元,代表多个真实单体的组合.在Gaussian链中,所有的珠子具有相同的体积,原始体系的粗粒化程度影响着链的拓扑结构.因此,Gaussian链的选择是介观动力学模拟中一个非常重要的方面.泊洛沙姆真实分子链长和Gaussian链之间遵循如下的换算关系f51:量:4.3.戈这里x和Y分别代表嵌段共聚物中E0和P0链段的单体数,x和Y分别表示Gaussian链中珠子A和B的数目(A和B分别表示E0和PO嵌段).对于后者,即体系中珠子间的相互作用参数可采用原子模拟方法,经验值,以及实验数据如蒸气压数据同等得出.最简单的方法是基于正规溶液理论(regularsolutiontheoIIy),且FloIy—Huggins数x与组分的溶解度参数6有关系.溶剂和聚合物之间的Fl0ry—Huggins参数计算如下:(一).+(2)V一是参比体积(如单体的体积),熵对混合能xs的贡献可以忽略不计,因为与别的项相比,它的值非常的小I9I,故可以忽略不计.溶解度参数8与体系中每种组分的内聚能密度E/V有关,其定义如下:6=E/(3)因此计算8之前首先要计算内聚能.可采用MaterialsStu(1io中的Amorph0usCell模块对系统进行动力学模拟得到内聚能值(E),也可直接采用B1ends计算得到F1ory—Huggins参数.二,实验结果与讨论1.模拟参数的计算结果高斯链的拓扑结构由公式(1)计算,不同组分之间的相互作用参数采用Bjends模块计算,结果见表I 和表2(A表示EO珠子,B代表P0珠子,w代表水珠子).其它模拟参数选择如下:模拟格子选择32nm×32nm×32nm的模拟格子,珠子之间的键为d=1.2nm, 扩散系数为l0cm.体系的噪音系数n=75.019,模拟步幅△下=50ns,模拟温度T=298K,总的模拟时间为1ms(共计200o0steps).2.模拟相图的变化及分析本研究分别选取泊洛沙姆l88相对含量分别为1%,1.5%,1.6%,1.7%,2%,3%,5%,8%和24%(与之对应,水的相对含量分别为99%,98.5%,98.4%,98.3%,98%,97%,95%,92%和76%)进行模拟实验,得到不同模拟时间下以PP0嵌段表示的聚集结构变化相图.结果表明,相对含量低于1.6%泊洛沙姆188 无法在水中形成胶束,而相对含量高于1.7%时能形成球形胶束.如图所示,图1a为相对含量1.6%下泊洛沙姆188的最终相图,可看出此浓度下体系尚处于均相阶段,尚未开始形成胶束;图1b为相对含量1.7%下的最终相图,可以清楚的看出此浓度下泊洛沙姆l88已经开始形成球形胶;图lc和图ld分别是表1泊洛沙姆188的拓扑结构表2体系中不同组分之间相互作用参数的计算(a)1.6%◆◇譬27[0rzdScece(mdr,cnoZ0{g),朋oder】0￡on'z'6cd0nCnese胁dcne(znd(e"0Adc0] 一%～◇一,世界科学技术一中医药现代化★专题讨论相对含量为2%和3%下的最终相图,表明形成的胶束逐渐趋于稳定.经研究,初步确定泊洛沙姆188的临界胶束浓度范围为1.6%～1.7%.3.有序参数的变化及分析有序参数(orderparameters)是指体系中某一组分偏离同种介质的平均偏差,主要反映体系相分离的过程和效果l1(】],是体系相分离和各组分相容程度的综合体现.不同珠子有序参数之间的分离表明两种分子问相互作用的开始,在本研究体系中即意味着水和泊洛沙姆188之间相互作用的开始.以有序参数为指标可判断表面活性剂是否形成了胶束.以相对含量1.6%和1.7%时有序参数随模拟时间的变化图为例来说明.图2是相对含量1.6%时泊洛沙姆l88在水中有序参数随模拟时问的变化图,可以看出在整个20000steps过程中,有序参数几乎没有变化,即没有形成胶束;而图3是1.7%泊洛沙姆在水中有序参数随模拟时间的变化图,可以看出在0～2【)00steps之间时有序参数急剧增加,说明此时开始形成胶束.根据胶束形成过程可将有序参数随时问的变化分为三个阶段(图3):阶段I,有序参数变化很小(0～60Osteps),表明模拟之初体系处于均相状态,泊洛沙姆188在水中的聚集尚未开始;阶段II,有序参数急剧增加(600～2400steps),此阶段耗时较短,约为0.09ms,表明此时泊洛沙姆l88开始在水中形成聚集体,初始的球形胶束开始形成,且聚集体形成的速度非常快;阶段III,有序参数逐渐达到平衡,体系在修复先前阶段形成的粗糙胶束,此阶段最为耗时(2400～200O0steDs).通过有序参数的分析,可看出模拟之初体系为均相,随着模拟时间的增加,逐渐发生相分离,开始形成球形胶束,最后达到相平衡,共经历了均相,胶束形成,平衡j个阶段.4.临界胶束浓度的计算本文通过模拟计算,确定泊洛沙姆l88cMc的范围在相对含量为1.6%～1.7%之间,即1.74×10～1.85×0己00040O060008O00lOO00120O014O0Ol6O00l8OO020000 Times}ep(steps)Le孽end——一BeadE0一一Beadp0一BeadW图21.6%泊洛沙姆在水中有序参数随模拟时间的变化0Z000400060O0800OlO000l2O00l40OOl60001800O2OO00Timeslep(steps)Legend——B皂adE0一Beadp0—8eadW图31.7%泊洛沙姆在水中有序参数随模拟时间的变化[0rfd5cMe帆dc0logy.如mo凡D厂no凡nesedcne帆de0dcn]J28 2008第十卷第五期★V o1.10No.510mol?.与文献lll1中实验测定所得cMc值1.25×1Omol?L相比,可看出模拟计算结果与实验结果虽存在差异,但可为实验测定提供有效指导,为实验工作者确定表面活性剂的cMc节省大量时间和经费.三,结论临界胶束浓度(cMc)是考察表面活性剂增溶作用的重要参数.本文使用介观动力学方法建立了非离子表面活性剂泊洛沙姆188临界胶束浓度的模拟计算方法,为实验研究表面活性剂的增溶提供了参考,并探讨了泊洛沙姆188在水中聚集行为的变化,为实验观察提供了介观层次上的信息.本研究结果为二元组分乃至多元组分之间相互作用的研究以及药物制剂中增溶剂的选择提供了一定的指导.中药成分复杂,许多活性成分由于难于溶解,生物利用度差,制约了其在临床的应用.因此提高中药活性成分的溶解性,对于中药新药的开发具有重要意义.采用模拟计算的研究方法,可对给药系统中药物,辅料之间的相互作用进行研究,揭示实验研究无法阐明的内在过程,对于给药系统的开发及载体材料的选取具有指导意义,为中药新型给药系统的开发奠定了一定的基础.参考文献任鲁华,李强,吕育齐.增加难溶性药物溶解度方法新进展.黑龙江医药,20O7,20f1):25～27.2陈振江.8种cMc测定方法的比较.中国中药杂志,l995,20(9):546～547.3李有勇,郭森立,王凯旋,徐筱杰.介观层次上的计算机模拟和应用.化学进展,20H00,12(4):36l～375.4王猛,张钧寿,周建平.注射用辅料泊洛沙姆l88.药学与临床研究, 2007,15(1):10～13.5B.A.C.vanVlimmeren,N.M.Mau—ts,A.V.Z代ljndovsky,G.J.A. Sevink,J.G.E.M.Fraae.M.Simulati0n0f3DMeosaclestmctureF0rmati0ninConcentratedAque0usS0lution0ftheTirblc—okPo1ymersuf_actants(Ethylene0xi'lr113(Pr0pylene0xide)30(EthyleneOxide)13and(Pmpylene0xide)19(EIhyleneOxi—de)33(Pr0pylene0xide)19.Ap—pljcafi0nofDyna瑚jcMean—Fje1dDensityFunctjona1rheory.Macm—m0lecules.1999,32:646～656.6Lam.Y.M..Goldbeck—Wood.C.Mes0sca1esimulati0n0fblock copolymersinaque0ussoluti0n:pammete—irasti0n,micellegmwthki—neticsandtheeflfect0ftemperature-dIIdc0ncentrationm0rphology. Polymer,20H03,44:3593～3665.7zhang,M.,Choi,P.,sundararaj,U.Moleculard—ynamicsandthermal analysisstudy0fan0ma1ousthermod—ynamicsbehavior0fpoly(ether imide)(p0lycarb0nateblend—s.P0lymer,2003,44:1979一l986.8Honeycutt,J.D.Agenefalsimu1ationmethodf0rc0一mputingconf0rmatio—nalpr0penies0fsingl.p0lymerchain—s.C0mput.Theor.Polym.Sci,1998,8:l～8.9Wes0ctt,J.T.,Qi,Y.,Subramanian,L,Capehart,T.w.Mes0scalesimulat—i【lIl0fm0rpholog)rhydratedpe棚uor0sunicacidmembmnes.J.Chem.Phvs,20H06,124,1347O2.10李一鸣.多糖高分子与表面活性剂之间的相互作用.山东大学博士论文,2oo7:41.1lStaceyA.Maskarinec,JnrgenHannig,RaphaelC.Lee,KaY eeC.Lee.Djf℃cfObser旧￡ion0fPoloxamer1887Inseionin￡oLipjdMonolayers.BiophysJ.2O02,82(3):1453～l459.SimulatedCalculati0nOftheCriticalMicellC0ncentrati0n0fP0l0xamer188Js(mrc叩dc己engDD69JS,M帆,￡¨,Q∞y咖eeCe把rQ厂删一rmonEr曰eQ厂CedcDD』Anewmethodwasestab"shedinthispapert0caIculatethecriticalmiceIIc0ncentrati0n(CM C)0fsuIctants.P0loxamerl88waschosenastheresearchobject.CMCwascalculated,andthenanalyzedf0rp hasebehavi0rsand0r—derparameters.Thenewmethodcreatesagmundfl0rstudyjngthes01ubilizationofsuIfactan ts.Keyw0rds:Mes0Dyn,criticalmiceUc0ncentratn(CMC),P0loxamerl88(责任编辑:王踽,责任译审:邹春申)J29[.d&eedc矗nofogy0如mo凡0厂onedcne觎d肘er0dcn]。

基于绿色化学的烯烃Meerwein水合反应创新综合实验设计目录一、内容描述 (2)二、实验设计基础 (3)三、实验设计目标 (4)3.1 掌握Meerwein水合反应的基本原理和操作步骤 (5)3.2 探索绿色化学在Meerwein水合反应中的应用 (7)3.3 提高实验操作的环保性和安全性 (8)四、实验材料与方法 (9)4.1 实验材料 (10)4.2 实验设备 (10)4.3 实验方法 (12)4.4 实验步骤及操作注意事项 (13)五、实验内容与创新点 (14)5.1 传统Meerwein水合反应的流程与问题 (16)5.2 创新实验内容 (17)5.3 创新点分析与应用前景展望 (18)六、实验过程与实施计划 (20)6.1 实验准备阶段 (21)6.2 实验操作阶段 (22)6.3 数据记录与分析阶段 (23)6.4 实验总结与报告撰写阶段 (24)七、实验结果与数据分析 (25)7.1 实验结果记录与图表展示 (26)7.2 数据分析与讨论 (28)八、实验安全与环保措施 (29)一、内容描述本综合实验设计旨在探索基于绿色化学理念的烯烃Meerwein水合反应。

通过这一实验，学生将深入了解绿色化学的重要性，掌握烯烃水合反应的基本原理和操作技能，并培养创新思维和实践能力。

实验过程中，我们将采用无毒无害的试剂和溶剂，减少对环境的污染，同时提高实验的安全性。

通过本实验的学习，学生将能够更好地理解绿色化学在有机合成中的应用，为未来的科研工作和职业生涯奠定坚实的基础。

理论教学：首先通过课堂讲解和PPT展示，向学生介绍烯烃Meerwein水合反应的基本原理、反应机理和实验方法。

介绍绿色化学的概念、原则和实践应用，引导学生树立绿色化学的理念。

实验准备：学生在教师指导下，按照实验要求准备实验器材、试剂和溶剂等。

对试剂进行纯化处理，确保其纯度和使用安全。

实验操作：学生按照实验步骤进行操作，包括烯烃的活化、水合反应、产物分离和纯化等。

聚合反应及大单体凝胶化的动态蒙特卡罗模拟的开题报告1.研究背景与意义当下，聚合反应在化学、材料科学、生物学等领域均有广泛应用。

聚合反应中的大分子如其聚合物材料、生物大分子、聚合物涂料等广泛应用于各个领域。

而大分子的行为与性质对其应用带来重要影响，因此对聚合反应中大分子的动态行为进行研究能够更好地优化其应用性能。

大分子的动态行为受其分子量、构象、流动性以及环境因素影响，其在聚合反应中的行为还受到单体浓度、温度、反应速率等因素影响。

动态蒙特卡罗（DMC）模拟技术能够模拟大分子的动态行为，而其对于聚合反应体系的模拟具有较高的精度和灵活性，因此在聚合反应大分子动态模拟研究中具有重要意义。

本次研究将基于DMC模拟技术，以聚合反应及大单体凝胶化为研究对象，探究其动态行为以及演化规律，进而为聚合反应体系的优化提供指导。

2.研究内容和计划2.1 研究内容（1）构建聚合反应及大单体凝胶化的动态蒙特卡罗模型。

（2）通过DMC模拟技术，研究聚合反应及大单体凝胶化中大分子的动态行为，探究其演化规律。

（3）通过对模拟结果的分析，挖掘聚合反应体系的优化策略。

2.2 研究计划（1）文献查阅与理论研究（两周）对聚合反应及大单体凝胶化的相关文献进行查阅与整理，学习动态蒙特卡罗模拟技术并进行相关理论研究。

（2）模型构建与程序设计（两周）基于DMC模拟技术，构建聚合反应及大单体凝胶化的动态蒙特卡罗模型，并进行相关程序设计。

（3）模拟计算与数据分析（四周）利用DMC模拟技术，对聚合反应及大单体凝胶化体系进行数值模拟，并对结果进行深入的数据分析。

（4）总结撰写（两周）对研究结果进行总结与归纳，撰写开题报告和论文。

3.研究难点和挑战（1）聚合反应及大单体凝胶化过程的模型构建及模拟。

（2）复杂体系模拟计算的时间与计算资源成本。

（3）数据处理及分析的精度与深度。

4.研究成果预期（1）成功建立聚合反应及大单体凝胶化的动态蒙特卡罗模型。

（2）探究聚合反应体系中大分子的动态行为以及演化规律。

清华大学博士论文编辑排版建议采用的字体、字号与正文段落字号相适应，用Word 2000 编辑数学公式时建议采取如下尺寸定义清华大学博士论文格式样例：芳杂环高分子的高温水解特性与量子化学研究(申请清华大学理学博士学位论文)培养单位：清华大学化学系Array专业：物理化学研究生：易某某指导教师：某甲甲教授某乙乙教授副指导教师：芳杂环高分子的高温水解特性与量子化学研究易某某三号仿宋或华文仿宋请将中文封面左边Experimental and Theoretical Investigations of HydrolyticStability of Aromatic Heterocyclic Polymers in High TemperatureDissertation Submitted toTsinghua Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofDoctor of Natural SciencebyDong-ming YI( Physical Chemistry )Dissertation Supervisor : Professor Yong-chang TANG Associate Supervisor : Professor Da-long WUApril, 2001中文摘要摘要论文采用共振多光子电离和Ion-dip两种检测手段对碱土金属单卤化物的里德堡态进行了实验研究。

主要成果是：⑴首次观测到中等有效主量子数的CaCl 预解离里德堡态：在n*=5-7区域内，有5个文献未报导过的2∑+实贯穿里德堡态，填补了CaCl分子此一区域里德堡态研究的空白，对CaCl里德堡态结构的完整分析和其电子态完整的图像的建立具有重要意义；⑵通过理论分析，论证了这些态是因为和一个2∑+连续态的相互作用而导致强烈的预解离。

由实验测定的预解离线宽拟合出45000-47500cm-1范围内的2∑+连续态势能曲线，它能很好地解释这些里德堡态的预解离行为；⑶还观测到若干转动常数值反常小的里德堡态，它们可能是实非贯穿里德堡态的片段。

高校化学工程学报２０１０年６月文所用到的珠子之间的Ｆｌｏｒｙ－Ｈｕｇｇｉｎｓ参数。

坐标系的选取：ｘ轴为流速方向，ｙ轴为速度梯度方向，ｚ轴为中性轴。

程序实现的是稳恒剪切（Ｕｎｉｆｏｒｍｓｔｅａｄｙｓｈｅａｒ），即速度梯度是均匀的：ｄｕ／ｄｒｙ＝０Ｙ为定值。

模拟盒子大小为３２ｎｍｘ３２姗ｘ３２ｎｍ，珠子之间的键长为ｄ＝ａｈ－１＝１．１５４３（口是指Ｇａｕｓｓｉａｎ键长，ｈ是网格大小），扩散系数１０－７ｃｍ２·ｓ－１。

体系的噪音系数Ｑ三Ｖ－１ｈ３＝７５．０１９（Ｖ为珠子的体积），模拟步长加＝５０ｌｌＳ。

总的模拟时间为１．０ｍｓ（共计２００００步）。

模拟任务由分子模拟软件ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕｄｉｏ。

中的ＭｅｓｏＤｙｎ模块完成。

３实验部分３．１试剂与仪器三嵌段共聚物Ｐ１２３（ＰＥ０２０ＰＰ０７０ＰＥ０２０，平均分子量为５８００，Ａｌｄｒｉｃｈ），正硅酸乙酯（分析纯，ＡｌｆａＡｅｓａｒ），盐酸（分析纯，广州市东红化工有限公司），ＮａＣＩ（分析纯，天津市百世化工有限公司），乙醇（分析纯，天津市富宇精细化工有限公司），去离子水（实验室自制）。

Ｄ８Ａｄｖａｎｃｅ（Ｂｒｕｋｅｒ）Ｘ射线衍射仪（ＣｕＫｃｔｒａｄｉａｔｉｏｎ，４０ｋＶ，４０ｍＡ）：Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ公司ＡＳＡＰ２０１０Ｍ氮气吸．脱附测定仪（７７Ｋ条件下Ｎ２吸．脱附）；ＪＥＭ－２０１０ＨＲ透射电子显微镜（－ｒ作电压２００ｋＶ）。

３．２合成步骤本文以三嵌段共聚物Ｐ１２３（ＰＥ０２０ＰＰ０７０ＰＥ０２０）为模板剂，正硅酸乙酯（ＴＥＯＳ）为硅源试剂，采用水热合成的方法制备得到高质量的硅基有序介孔分子筛ＳＢＡ．１５。

合成步骤如下：精确称取１．０ｇＰ１２３于锥形瓶中，加入２５ｍＬ去离子水，在３０３Ｋ条件下剧烈搅拌，依次缓慢加入２５ｍＬ４ｔ００１．Ｌ－１盐酸、０．８４３ｇＮａＣＩ，体系充分搅拌混合４ｈ后逐滴加入２．１４ｍＬ硅酸物种，在３０３Ｋ条件下持续搅拌老化２４ｈ。

不同浓度表面活性剂聚集形态的分子动力学模拟丁伟;史鹏;于涛;刘宏彬;曲广淼;栾和鑫【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)001【摘要】用分子动力学的方法,模拟了十三烷基甲苯磺酸钠在不同浓度下油水体系的胶团形状,发现在临界胶团浓度以上,随浓度的增加,依次自发形成从球状胶团、棒状胶团、层状胶团到反胶束结构的各种聚集体.并用扩散系数数值与直观模拟结果相对应,发现扩散系数能很好地表征表面活性剂溶液的自组装情况.%The micelle shapes of thirteen alkyl toluene sulfonate sodium in different densityoil/water system were simulated by molecular dynamics. The results are found that above the critical micelle concentration, with the concentration increasing, various aggregation were formed spontaneity in turn, these aggregation were sphericity micelle, claviform micelle, samdwich micelle and reversed micelle structure. Through corresponding the diffused coefficient numerical value and the intuitived simulated results, that is found the self-assembled situation surfactant solution was indicated by diffused coefficient.【总页数】3页(P120-122)【作者】丁伟;史鹏;于涛;刘宏彬;曲广淼;栾和鑫【作者单位】东北石油大学化学化工学院,石油与天然气化工省重点实验室,大庆,163318;东北石油大学化学化工学院,石油与天然气化工省重点实验室,大庆,163318;东北石油大学化学化工学院,石油与天然气化工省重点实验室,大庆,163318;东北石油大学化学化工学院,石油与天然气化工省重点实验室,大庆,163318;东北石油大学化学化工学院,石油与天然气化工省重点实验室,大庆,163318;东北石油大学化学化工学院,石油与天然气化工省重点实验室,大庆,163318【正文语种】中文【中图分类】O641【相关文献】1.CMC型高分子表面活性剂在稀溶液中分子聚集形态 [J], 曹亚;李惠林2.可用于乳化炸药的Gemini表面活性剂水溶液聚集形态模拟研究 [J], 杜栓丽;王晶禹;何爽;朱佳平;任君;胡志勇;曹端林3.双链阴离子表面活性剂1-烷基-癸基磺酸钠在气/液界面聚集行为:分子动力学模拟研究 [J], 陈贻建;周洪涛;葛际江;徐桂英4.阴离子表面活性剂在油水界面聚集的分子动力学模拟 [J], 李振泉;郭新利;王红艳;李青华;苑世领;徐桂英;刘成卜5.表面活性剂在溶液中聚集形态的动力学模拟 [J], 苑世领;蔡政亭;徐桂英因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

浙江理工大学学报,第49卷,第4期,2023年7月J o u r n a l o f Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t yD O I :10.3969/j.i s s n .1673-3851(n ).2023.04.002收稿日期:2022-11-12 网络出版日期:2023-03-01基金项目:国家自然科学基金项目(52003242);国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项项目(2022Y F E 0125900);国家级大学生创新创业训练计划项目(202010338003)作者简介:冯 伟(1998- ),男,山西临汾人,硕士研究生,主要从事仿生材料设计与制备方面的研究㊂通信作者:周 岚,E -m a i l :l a n _z h o u 330@163.c o m负载色素型胶体微球的结构生色墨水的制备冯 伟1a ,鲁 鹏1a ,张星月1a ,李晓雯1a ,刘国金1a ,1b ,周 岚1a ,2(1.浙江理工大学,a .先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州310018;b .浙江省纤维材料和加工技术研究重点实验室,杭州310018;2.浙江省绿色清洁技术及洗涤用品重点实验室,浙江丽水323000) 摘 要:为了实现白色纺织基材的结构生色,在不对基材进行底色处理的前提下,利用数码喷印技术将含有色素的胶体微球墨水施加于基材上,经自组装构筑得到光子晶体结构色㊂采用三步法制备负载色素型胶体微球 分散染料/聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸)/聚(苯乙烯-N -羟甲基丙烯酰胺)(分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t -MM A )),以其为主要组分并复配添加剂配置成结构生色墨水,将结构生色墨水应用于白色纺织品数码喷墨印花㊂分析分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t -MM A )微球的性能,优化结构生色墨水体系,并将所配墨水在白色纺织品上进行数码喷印㊂结果表明:负载色素的胶体微球单分散性良好㊁粒径均一可控㊁球形度良好,具有良好的稳定性㊂当微球质量分数为1.5%㊁p H 值为7㊁表面张力调节剂烯丙醇体积分数为0~0.5%㊁黏度调节剂聚丙烯酰胺体积分数为0~10.0%时,可制得喷印效果优良的负载色素型结构生色墨水;利用该墨水通过数码喷印可在白色基底的纺织品上制得色彩鲜艳的光子晶体结构色图案㊂该研究为白色底色纺织基材结构生色光子晶体的构筑提供了理论依据㊂关键词:光子晶体;色素色;负载色素型胶体微球;数码喷印;微球墨水中图分类号:T S 195.644文献标志码:A文章编号:1673-3851(2023)07-0420-11引文格式:冯伟,鲁鹏,张星月,等.负载色素型胶体微球的结构生色墨水的制备[J ].浙江理工大学学报(自然科学),2023,49(4):420-430.R e f e r e n c e F o r m a t :F E N G W e i ,L U P e n g ,Z H A N G X i n g y u e ,e t a l .P r e p a r a t i o n o f s t r u c t u r a l c o l o r i n gi n k l o a d e d w i t h p i g m e n t c o l l o i d a l m i c r o s p h e r e s [J ].J o u r n a l o f Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t y,2023,49(4):420-430.P r e p a r a t i o n o f s t r u c t u r a l c o l o r i n g i n k l o a d e d w i t h p i g m e n t c o l l o i d a l m i c r o s ph e r e s F E N G W e i 1a ,L U P e n g 1a ,Z H A N G X i n g y u e 1a ,L I X i a o w e n 1a ,L I U G u o ji n 1a ,1b ,Z H O U L a n 1a ,2(1a .M O E K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d T e x t i l e M a t e r i a l a n d P r e p a r a t i o n T e c h n o l o g y;1b .Z h e j i a n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o f F i b e r M a t e r i a l s a n d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,Z h e j i a n g S c i -T e c h U n i v e r s i t y ,H a n g z h o u 310018,C h i n a ;2.Z h e j i a n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y of G r e e n C l e a n i ng T e ch n o l o g y a n d W a s hi n g Pr o d u c t s ,L i s h u i 323000,C h i n a ) A b s t r a c t :I n o r d e r t o r e a l i z e t h e c o l o r g e n e r a t i o n o f t h e w h i t e t e x t i l e s u b s t r a t e ,t h e c o l l o i d a l c r ys t a l i n k c o n t a i n i n g p i g m e n t w a s a p p l i e d t o t h e s u b s t r a t e b y d i g i t a l j e t p r i n t i n g t e c h n o l o g y w i t h o u t t h e b a c k gr o u n d t r e a t m e n t o f t h e s u b s t r a t e ,a n d t h e p h o t o n i c c r y s t a l s c h e m o c h r o m e w a s c o n s t r u c t e d b y s e l f -a s s e m b l y.T h e p i g m e n t -l o a d e d c o l l o i d a l m i c r o s p h e r e -d i s p e r s e d y e /p o l y (s t y r e n e -b u t y l a c r y l a t e -m e t h a c r y l i c a c i d )/p o l y(s t y r e n e -N -h y d r o x y m e t h y l a c r y l a m i d e )(d i s p e r s e d y e /P (S t -B A -M A A )/P (S t -MM A ))w a s p r e p a r e d b y at h r e e -s t e p m e t h o d .T h e s t r u c t u r a l c h r o m o g e n i c i n k w a s p r e p a r e d b y u s i n g i t a s t h e m a i n c o m po n e n t a n dc o m p o u nde d w i t h a d d i t i v e s.T h e s t r u c t u r a l c h r o m o g e n i c i n k w a s a p p l i e d t o d i g i t a l i n k-j e t p r i n t i n g of w h i t e t e x t i l e s.W e a n a l y z e d t h e p r o p e r t i e s o f d i s p e r s e d y e/P(S t-B A-M A A)/P(S t-MM A)m i c r o s p h e r e s, o p t i m i z e d t h e s t r u c t u r a l c h r o m og e n i c i n k s y s t e m,a n d d i g i t a l l y p r i n t e d th ei n k o n w h i t e t e x t i l e s.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o l l o i d a l m i c r o s p h e r e s l o a d e d w i t h p i g m e n t h a v e g o o d m o n o d i s p e r s i t y,u n i f o r m a n dc o n t r o l l a b l e p a r t i c l e s i z e,a nd g o o d s p he r i c i t y a n d s t a b i l i t y.W h e n t h e m a s sf r a c t i o n o f t h e m i c r o s p h e r e i s1.5%,t h e p H v a l u e i s7,t h e v o l u m e f r a c t i o n o f t h e s u r f a c e t e n s i o n r e g u l a t o r a l l y l a l c o h o l i s0~0.5%,a n d t h e v o l u m e f r a c t i o n o f t h e v i s c o s i t y r e g u l a t o r p o l y a c r y l a m i d e i s0~10.0%,t h e p i g m e n t-l o a d e d s t r u c t u r e d c h r o m o g e n i c i n k w i t h e x c e l l e n t s p r a y p r i n t i n g e f f e c t c a n b e p r e p a r e d.T h e i n k c a n b e u s e d f o r d i g i t a l p r i n t i n g t o p r o d u c e c o l o r f u l p h o t o n i c c r y s t a l s t r u c t u r e c o l o r p a t t e r n s o n w h i t e t e x t i l e s.T h i s s t u d y p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f c o l o r-g e n e r a t i n g p h o t o n i c c r y s t a l s w i t h w h i t e t e x t i l e s u b s t r a t e s t r u c t u r e.K e y w o r d s:p h o t o n i c c r y s t a l;p i g m e n t c o l o r;p i g m e n t-l o a d e d c o l l o i d a l m i c r o s p h e r e s;d i g i t a l j e t p r i n t i n g;m i c r o s p h e r e p r i n t i n g i n k0引言光子晶体[1]具有光子禁带特性的人造 晶体 结构㊂由于光子禁带的存在,光子晶体具有禁止某波段电磁波进入晶体的特性[2]㊂当入射光的波段在可见光范围时,光子禁带会选择性反射其禁带效应位置的光,这部分光在晶体结构中形成衍射,从而产生结构色效果㊂光子晶体结构生色因其艳丽的结构色色彩受到了越来越多的关注[3]㊂以纳米微球为结构基元自组装而成的光子晶体在纺织品着色方面显示了巨大的应用潜力[4]㊂在图案化光子晶体的研究中,相较于重力沉降法㊁喷涂法等自组装法,数码喷印法具有操作简单㊁按需喷印㊁形状可控且无需模板等优点㊂采用数码喷印的方式构筑光子晶体可以显著提高结构生色材料的制备效率㊁可控性,是一种符合工业化应用的加工方式[5-6]㊂随着光子晶体结构色在纺织品领域的研究逐渐深入,研究者发现:光子晶体结构色中若无色素色存在,其结构色效果并不明显,且颜色泛白严重[7-9];将色素色与结构色相结合,有望得到类似蝴蝶翅膀的色彩缤纷的结构色[10-12]㊂常见的处理方式是预先用色素色对纺织基材进行着色,但这种方式存在效率低㊁耗时长和产生大量印染废水等缺点,不利于光子晶体结构色在纺织品上的应用[13]㊂为此,研究者通过将色素色与微球乳液掺杂,将色素色引入光子晶体结构色体系中㊂T a k e o k a等[14]通过向S i O2微球乳液中掺入少量炭黑(C B)来提高结构色的颜色饱和度,并详细研究了C B用量对于光子晶体结构色的影响㊂H u等[15]向S i O2乳液中掺杂C B和聚乙烯吡咯烷酮(P V P)制备出一种油墨,通过聚合物辅助胶体组装法(P A C A)获得色彩鲜艳的结构色图案㊂Z h o u等[16]㊁W a n g等[17]和陈洋[18]均通过在胶体微球乳液中掺入少量黑色素(C B㊁聚多巴胺㊁黑色有机染料等)来吸收散射光,增强色彩鲜艳度㊂上述研究实现了白色基材上的光子晶体结构生色,但掺杂的方式仍存在色素和胶体微球共混不匀㊁色素扰动胶体微球自组装等问题,因而需寻找新的色素与结构色结合的方式㊂本文将不同色系染料与光子晶体结构基元结合,制备单分散性良好㊁粒径均一可控㊁球形度好的负载色素型胶体微球 分散染料/聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸)/聚(苯乙烯-N-羟甲基丙烯酰胺)(分散染料/P(S t-B A-M A A)/P(S t-MM A)),并通过加入p H调节剂㊁黏度调节剂和表面张力调节剂配制出性能优良的结构生色墨水,测试墨水的稳定性,最后经数码喷印技术在纺织品上实现光子晶体的多色喷印㊂本文提出的方法可为白色底色纺织基材结构生色光子晶体的构筑提供理论依据㊂1实验部分1.1材料㊁试剂和仪器材料:白色涤纶织物(白色平纹㊁平方米质量135g/m2),当地面料市场购买㊂试剂:苯乙烯㊁α-甲基丙烯酸㊁丙烯酸丁酯(S t, M A A,B A,上海麦克林生化科技有限公司);分散染料(浙江吉华集团股份有限公司);去离子水(实验室自制)㊂仪器:纳米粒度及分子量分析仪(Z e t a s i z e r N a n o Z S,英国M a l v e r n公司);场发射扫描电子显微镜(F E S E M,U L T R A55,德国C a r l Z e i s s公司);标准光源箱(J u d g e-Ⅱ,美国X-R i t e公司);视频接触角张力仪124第4期冯伟等:负载色素型胶体微球的结构生色墨水的制备(E a s y D r o ,德国K R U S S 公司);三维视频显微镜(K H -7700,美国科视达(中国)有限公司);紫外-可见分光光度计(L a m b d a -35,英国铂金埃尔默公司)㊂1.2 实验方法1.2.1 负载色素型胶体微球的制备采用三步法制备负载色素型胶体微球㊂首先采用无皂乳液聚合法制备负电型聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸)(P (S t -B A -M A A ))微球,再将其作为载体通过溶胀吸附法制备有色微球(分散染料/P(S t -B A -M A A )),最后通过种子乳液聚合法制备分散染料/聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸)/聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯)(分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t -MM A ))微球,制得负载色素型胶体微球㊂负载色素型胶体微球制备制备流程如图1所示㊂图1 负载色素型胶体微球制备示意图P (S t -B A -M A A )微球的制备:向三口烧瓶中加入50.0g 苯乙烯(S t )㊁1.5g 丙烯酸正丁酯(B A )㊁4.5g 甲基丙烯酸(M A A )和500.0g 去离子水,将三口烧瓶放入恒温水浴锅中以300r /m i n 转速搅拌;升温,待温度升到85ħ时,加入0.25g 引发剂过硫酸钾(K P S ),在氮气保护下反应12h 后结束;待分散液冷却至室温,用孔径为350n m 的滤网过滤,即制得负电型P (S t -B A -M A A )微球乳液㊂分散染料/P (S t -B A -M A A )微球制备:将3.0m g 分散染料加入10.0g P (S t -B A -M A A )微球乳液中,超声分散30m i n;将乳液转移至染缸中放入红外试色机中;染色工艺为10ħ/m i n 升温至50ħ,保温15m i n ,继续升温至120ħ,恒温4h ,以15ħ/m i n 冷却至室温,即得到分散染料/P (S t -B A -M A A )微球乳液;取出乳液,通过离心清洗未被吸附的染料,即制得分散染料/P (S t -B A -M A A )微球㊂分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t -MM A )微球制备:将所制备的分散染料/P (S t -B A -M A A )微球乳液作为种子乳液进行聚合包覆;取20.0g 微球乳液于三口烧瓶中,在330r /m i n 下搅拌,升温至85ħ后加入0.2g A P S ,将10.0g S t 和0.2gMM A 混合液加入恒压滴液漏斗中,以3m i n/滴的速率加入三口烧瓶中,恒温反应4h ;取出乳液,通过离心清洗未被吸附的染料,即制得分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t -MM A )微球㊂1.2.2 负载色素型胶体微球型结构生色墨水的配制以制备的分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t -M A A )微球为着色剂,分别添加质量分数0.02%的表面张力调节剂㊁体积分数0.02%的黏度调节剂㊁pH 值调节剂(1m o l /L H C L ㊁1m o l /L N a O H )和去离子水,超声分散30m i n,待均匀分散后,即制得负载色素型结构生色墨水㊂1.2.3 负载色素型胶体微球结构生色墨水的数码喷印自组装将配制的结构生色墨水装入数码喷印的储墨盒中,利用数码墨水喷印系统将墨水根据所需的路线沉积在基材上;数码喷印自组装示意图如图2所示㊂喷印时,纺织基材固定在平板上,喷嘴内径0.21m m ,喷印间隙5.00m m ㊂喷印完成后,将纺织基材转移至的75ħ烘箱中放置10m i n 后,即可在基材上制得图案化光子晶体㊂图2 数码喷印自组装示意图1.3 测试与表征1.3.1 微球粒径及其分布计算取不同粒径的微球乳液进行超声分散处理,将其稀释至透明状,放入比色皿中㊂利用马尔文激光粒度仪测试其水合粒径及单分散性;每组测3次,取平均值为微球粒径㊂微球的单分散指数(P o l ym e r d i s p e r s i t yi n d e x ,P D I )可根据式(1)计算:I P D =σ2Z 2D(1)其中:I P D 表示微球的单分散指数;Z D 为胶体微球水合粒径,σ为微球粒径的标准偏差㊂单分散性通常与P D I 数值成反比,当I P D ɤ0.08时,说明微球单224浙江理工大学学报(自然科学)2023年 第49卷分散性较好㊂1.3.2 胶体微球形貌观察将胶体微球乳液用去离子水稀释至半透明状,用10μL 移液枪滴定到基材上,放入60ħ干燥箱中去除水分,将基材贴于样品台,使用场发射扫描电镜对微球的微观形貌进行观察㊂测试条件:放大倍数20000倍,工作电压3.0k V ㊂1.3.3 纺织基材的表面形貌利用三维视频显微镜观察纺织基材的表面形貌,测试倍数为50~200倍㊂1.3.4 光子晶体的形貌利用场发射扫描电镜对纺织基材上构筑的光子晶体结构进行观察,测试电压为3.0k V ,倍数为20000倍㊂1.3.5 光子晶体结构色的效果利用三维视频显微镜观察在基材上构筑的光子晶体结构色的颜色,倍数为50~200倍,观察样品90ʎ方向的形貌㊂利用紫外-可见分光光度计测量在基材上构筑的光子晶体结构色的颜色,观察角度为垂直样品90ʎ方向㊂1.3.6 墨水性能的表征表面张力:取一定量结构生色墨水,利用视频接触角张力仪测试其表面张力㊂测试中液滴的体积约为3.0μL ,温度为25ħ㊂pH 值:取一定量配制好的结构生色墨水放置在样品瓶中,在室温条件下利用p H 计测试墨水的pH 值,每组测3次,取平均值㊂黏度测试:取一定量结构生色墨水,利用旋转流变仪测试其黏度,温度为25ħ,剪切速率为500s -1,每组测20个点,取平均值㊂稳定性测试:取等量不同粒径的两种结构基元微球乳液,利用Z e t a 电位分析仪测试其胶体稳定性,每组测3次,取其平均值;然后在室温环境下密封保存,分别观察不同时间后其体系的稳定性,并使用马尔文激光粒度仪对其粒径及单分散性变化进行测试㊂2 结果与讨论2.1 负载色素型胶体微球的性能分析分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t -MM A )微球的粒径分布和F E S E M 图像如图3所示㊂由图3(a)可见,微球的粒径分布相对集中,215㊁237㊁275n m和306n m 微球的分散性指数分别为0.02㊁0.04㊁0.06和0.05㊂由图3(b )可知,制备得到的微球球形度良好,为后续构筑规整的光子晶体提供了必要条件㊂图3 分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t -MM A )微球的粒径分布和F E S E M 图像2.2 结构生色墨水体系的构建2.2.1 胶体微球质量分数的优化在结构生色墨水中,微球作为墨水体系中着色剂,其质量分数将直接影响光子晶体生色结构,适宜的微球质量分数还能防止喷头堵塞㊁保护喷印设备㊂图4和图5分别为不同质量分数微球墨水喷印所构建光子晶体结构色的显微镜图像和F E S E M 图像㊂由图4(a )可见:当胶体微球质量分数为0.1%时,可以明显看到基材的底色(白色),这是由于微球质量分数较低,微球不能全部覆盖在基材表面,致使所构建的光子晶体结构色效果不佳;同时,胶体微球在织物上较为松散,沉积不均匀,并未组装形成长程有序的结构㊂由图4(b ) (d )可见:随着微球质量分数的逐渐升高,光子晶体结构色逐渐明显,微球对基材表面的覆盖程度也逐渐增大;同时,涤纶织物表面上的微球所组成的结构逐渐规整,但仍然存在空穴㊂当微球质量分数为1.5%时,由图4(d )和图5(d )可见,微球较完整地覆盖在基材表面,可以十分清晰地观察到基材的纹路,所构建光子晶体所呈现出的结构色颜色鲜艳㊂由图4(e )和图5(e )可见,当胶体微球的质量分数达到2.0%,微球数量过多使微球在基材上的覆盖不均,导致了光子晶体厚度不一㊂其结构色颜色效324第4期冯 伟等:负载色素型胶体微球的结构生色墨水的制备图4 不同微球质量分数下墨水喷印所构建光子晶体结构色的显微镜图像图5 不同微球质量分数下喷印所构建光子晶体结构色的F E S E M 图像果也随之变差㊂因此,本文负载色素色结构生色墨水中纳米微球质量分数宜控制在1.5%左右㊂2.2.2 p H 值调节剂体积分数的优化 数码喷印中墨水性能易受环境p H 值的影响,从而影响喷印效果㊂因此,调节墨水p H 值是配制负载色素型结构生色墨水十分重要的一步㊂图6和图7分别为不同p H 值负载色素型墨水在白色基材织物上通过喷印自组装所得样品的3D 显微镜照片和F E S E M 图㊂由图6(a )和图7(a )可见,当p H 值较低时,其光子晶体结构色颜色暗淡,微球的间隔较大㊁排列较分散,图案结构遭到一定程度的破坏;由图6(e )和图7(e )可见,当p H 值较高时,随着碱性的增强,微球之间的间距变大,光子晶体排列结构遭到破坏,结构色图案遭到破坏程度逐渐严重,结构色效果逐渐变差;由图6(b ) (d )和图7(b ) (d )可见,当p H=7时,光子晶体结构色颜色鲜艳,图案轮廓清晰,可以清楚地观察到基材的纹路㊂2.2.3 表面张力调节剂体积分数的优化表面张力作为墨水的重要指标,直接影响墨水在基材上的流动性能,从而影响墨水在基材上喷印自组装的效果㊂本文选择表面张力为24.5m N /m(25ħ)的烯丙醇作为墨水体系中的表面张力调节剂㊂图8为不同用量的烯丙醇对墨水的表面张力影响㊂从图8可看出,随着烯丙醇体积分数的增加,所配制墨水的表面张力逐渐减小㊂结合图9中对应结构色的效果可知,未添加烯丙醇时,墨水的表面张424浙江理工大学学报(自然科学)2023年 第49卷图6不同p H 值墨水喷印所构建的光子晶体结构色的显微镜图像图7不同p H值墨水喷印所构建的光子晶体结构色的F E S E M 图像图8不同烯丙醇体积分数下结构生色墨水的表面张力图524第4期冯伟等:负载色素型胶体微球的结构生色墨水的制备图9 不同烯丙醇用量墨水所构建的光子晶体结构色显微镜图像力为70.12m N /m ,结构色效果良好㊂随着烯丙醇体积分数增至0.5%,表面张力从70.12m N /m 减小至62.54m N /m ,结构色效果并未发生太大变化,颜色鲜艳明亮,此范围的表面张力对墨水构建光子晶体结构色几乎没有产生太大影响;当烯丙醇体积分数为1.0%时,表面张力减小至53.82m N /m ,此时,其结构色效果变差,结构色颜色暗淡,在基材上的图案出现缺陷和细小的裂纹等现象;当烯丙醇体积分数为1.5%和2.0%时,表面张力分别减小至37.80m N /m 和36.48m N /m ,在基材上的图案出现了分布不匀以及破损情况㊂图10为图9中光子晶体结构色的F E S E M 图像㊂当烯丙醇体积分数为0%~0.5%时,胶体微球排列规则有序;当烯丙醇体积分数超过0.5%,微球之间规则有序的排列逐渐变得杂乱,出现缝隙和空缺,这将影响光子晶体整体结构,导致部分区域的结构色效果变差,其原因是随着墨水中烯丙醇体积分数的增大,加快了墨滴在纺织基材上的渗透速率,在一定程度上影响了胶体微球在涤纶上的有序组装,排列疏松散乱,导致结构色颜色变差㊂综上,将负载色素型结构生色墨水的表面张力控制在62.54~70.12m N /m (烯丙醇体积分数0%~0.5%),有助于得到效果优良的结构色㊂图10 不同烯丙醇用量墨水所构建的光子晶体结构色的F E S E M 图像2.2.4 黏度调节剂体积分数的优化黏度是流体流动阻力的量度指标,也是墨水体系中重要参数㊂若墨水的黏度过高,会导致喷印设备喷头的堵塞㊂因此,需要对墨水的黏度进行调控㊂624浙江理工大学学报(自然科学)2023年 第49卷选取聚丙烯酰胺为墨水黏度调节剂㊂图11为不同聚丙烯酸酰胺体积分数墨水构建的光子晶体结构色显微镜图像,表1为不同聚丙烯酰胺用量对应的负载色素型微球墨水黏度㊂由图11和表1可见,当聚丙烯酰胺体积分数从0%增加到5.0%时,墨水黏度为4.32~11.48m P a ㊃s ,结构色颜色均鲜艳明亮,分布均匀,黏度的改变未对其结构色效果产生较大影响;而当聚丙烯酰胺体积分数为10.0%和20.0%时,墨水黏度大于12.03m P a ㊃s,所构建的光子晶体结构色颜色逐渐消失,光子晶体图案出现色调不一致现象㊂由图12可见:当聚丙烯酰胺体积分数为0%~5.0%时,胶体微球规则有序紧密排列;当聚丙烯酰胺体积分数超过5.0%时,微球排列逐渐变得无序散乱,微球间距差异较大,结构色颜色消失㊂因此,黏度过高会促使微球预组装,无法形成均匀堆积结构,呈无序散乱排列,结构色颜色变差㊂当负载色素型墨水黏度在4.32~11.48m P a ㊃s 时,所构建的光子晶体结构色效果最佳㊂图11 不同聚丙烯酸酰胺体积分数下墨水构建的光子晶体结构色显微镜图像表1 不同聚丙烯酰胺用量对应的负载色素型胶体微球墨水黏度聚丙烯酰胺体积分数/%转速/(r ㊃m i n -1)黏度/(m P a ㊃s )01004.3211007.71510011.48101004.031510017.242010020.692.3 负载色素型结构生色墨水稳定性分析表2为不同粒径负载色素型胶体微球结构生色墨水的Z e t a 电位值,图13为不同时间段负载色素型结构生色墨水的Z e t a 电位变化直方图㊂由表2和图13可见,随着放置时间的增加,其Z e t a 电位虽出现不同幅度的波动,但Z e t a 电位值均低于-30m V ,说明结构生色墨水均可以长期储存㊂图14为不同粒径的负载色素型微球墨水在不同时间段的粒径变化直方图㊂由图14可见,随放置时间的增加,墨水中微球粒径无明显变化㊂图15为不同粒径的负载色素型微球墨水在不同时间段的单分散指数变化直方图㊂由图15可见,墨水的单分散性也均小于0.08,未出现团聚,说明所配置的结构生色墨水具有良好的储存稳定性㊂2.4 负载色素型结构生色墨水在纺织基材上的应用图16为不同负载色素型结构生色墨水数码喷印所构建的光子晶体结构色的显微镜图像㊂由图16可以观察到,不同的结构生色墨水在白色涤纶上喷印所得图案颜色鲜艳明亮,通过改变染料色相和微球粒径,进而可产生不同的结构色效果㊂传统数码印花 C M Y K 模式 配色系统是由两种及以上墨水配色得到所需的颜色;为研究光子晶体在同一图案上的多色喷印,配置两种同一粒径不同颜色的结构生色墨水,通过调控墨水喷印比例对光子晶体数码喷印中的多色喷印进行分析㊂图17为两种分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t -MM A )307n m 微球墨水多色喷印所得光子晶体图案㊂由图17可见,不同比例的墨水所喷印出的光子晶体图724第4期冯 伟等:负载色素型胶体微球的结构生色墨水的制备图12 不同聚丙烯酸酰胺体积分数下墨水所构建的光子晶体结构色的F E S E M 图像表2 不同粒径内部包覆染料型微球墨水的Z e t a 电位值样品序号粒径/n m Z e t a 电位/m V1311.30-32.202285.11-33.153256.14-31.514234.41-32.415197.22-31.71图13 不同粒径的负载色素型微球墨水在不同时间段的Z e t a 电位值变化直方图案存在明显差异,光子晶体在同一图案呈现出两种及以上的颜色效果㊂当两种墨水未拼混时,喷印所得图案色彩鲜艳明亮,呈现绿色(图17(a))和黄色(图17(e ));当以3ʒ7混合后进行喷印时,两种墨水各自在喷印区域呈现自身所构建的光子晶体结构色颜色,而在其混合区域出现了不同比例的混合中间色;当比例为5ʒ5时,两种墨水的混合程度变大,所得图案的颜色呈现具有渐变效果㊂图18为两种分散染料/P (S t -B A -M A A )/P (S t-图14 不同粒径的负载色素型微球墨水在不同时间段的粒径变化直方图图15 不同粒径的负载色素型微球墨水在不同时间段的单分散指数变化直方图MM A )307n m 微球墨水多色喷印所得光子晶体图案,由图18可见,利用负载色素型结构生色墨水可以实现光子晶体在数码喷印上的多色喷印,光子晶体在同一图案上可实现多色化㊂824浙江理工大学学报(自然科学)2023年 第49卷图16不同负载色素型结构生色墨水数码喷印所得光子晶体图案图17两种分散染料/P(S t-B A-M A A)/P(S t-MM A)307n m 微球墨水多色喷印所得光子晶体图案图182种分散染料/P(S t-B A-M A A)/P(S t-MM A)307n m微球墨水多色喷印所得光子晶体图案924第4期冯伟等:负载色素型胶体微球的结构生色墨水的制备3结论本文以分散染料/P(S t-B A-M A A)/P(S t-MM A)微球为主体,配制负载色素型结构生色墨水,分析采用三步法制备的负载色素型胶体微球的性能,调控墨水的微球质量分数㊁p H值㊁墨水表面张力和黏度值,最后将所配制的负载色素型墨水进行数码喷印,对所得图案的结构色效果进行评价,主要结论如下:a)制备的负载色素型胶体微球 分散染料/ P(S t-B A-M A A)/P(S t-MM A)微球单分散性良好㊁粒径均一可控,球形度良好并具有良好的稳定性㊂b)当墨水中微球质量分数为1.5%㊁p H值为7㊁烯丙醇体积分数为0%~0.5%㊁聚丙烯酰胺体积分数为0%~10.0%时,配制所得墨水的喷印效果优良㊂该体系中,墨水表面张力为62.54~ 70.12m N/m,黏度为4.32~11.48m P a㊃s,可在白色纺织基材上构筑出色彩艳丽的光晶体结构色㊂c)将负载色素型结构生色墨水在白色纺织基材上数码喷印可制得光子晶体结构色图案,根据布拉格衍射方程,通过调控微球的粒径可产生绚丽多彩的结构色效果㊂将两种及以上结构生色墨水数码喷印在纺织基材上,可获得颜色鲜艳明亮㊁在同一图案中呈现具有多种不同颜色的结构色图案,实现光子晶体在纺织基材上的多色喷印㊂参考文献:[1]Y a b l o n o v i t c h E.I n h i b i t e d s p o n t a n e o u s e m i s s i o n i n s o l i d-s t a t e p h y s i c s a n d e l e c t r o n i c s[J].P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s,1987,58(20):2059-2062.[2]E r e n M,A k b u l u t G,S e n l e r S,e t a l.S y n t h e s i s o f c o r e-s h e l l-t y p e s t y r e n e a c r y l i c l a t e x e s w i t h l o w N M A c o n t e n t a n d t h e i r a p p l i 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水中化学羽流的建模和数值模拟分析孟祥尧;邱志明;张鹏;宋保维【摘要】A new discrete chemical plume model based on CFD is established. The model uses CFD to calculate the turbulent environment of chemical plumes, and the chemical substances contained in the plume are modeled as a discrete phase. The basic characteristics of chemical plumes are obtained through the simulation calculation with the model:(1)the transport shape of chemical plumes is meandering;(2)instantaneous concentration of plumes at one point changes with time and the variation amplitude is large and irregular;(3)in a period of time the average con-centration distribution of the cross section is Gaussian distribution. The results are consistent with the experimental results, verifying the rationality of the model, overcoming the shortcomings of the current models which are too sim-plified and poorly consistent with actual results, and providing the basis for the study of plume tracing.%建立了一种新的基于计算流体力学的离散化学羽流模型。