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关键词： 降解塑料   成型加工   实验室能力   环境安全性   创新团队   人体健康   共性技术   规模化应用  

摘要： "环境友好高分子材料创新团队",是以塑料可持续、绿色发展为主要研究方向,主要研究塑料对人体卫生、健康、安全及环境的可能存在安全性的问题,研究塑料低碳绿色成型加工共性技术,解决有关人体健康、环境安全性质量控制所需的检测共性技术问题,建立标准及其关键评价技术。团队完善了我国降解塑料标准体系,实验室能力获得中美德多国机构授权,是塑料产业绿色发展、降解塑料规模化应用主要驱动者之一。

关键词： 柠檬酸   聚马来酸   天然染料指甲醌   棉织物   交联染色   纺织染整  

摘要： 为了提高天然染料对棉纤维的染色固色性能,以聚马来酸(PMA)和柠檬酸(CA)为交联剂应用于天然染料指甲醌对棉织物的交联染色。采用FTIR、XRD和SEM分析了染色前后棉织物的表面形态及结构,探讨了酯交联对棉织物性能的影响以及多元羧酸复配交联染色机理。结果表明,染色前后棉织物表面差别不大,各纤维间不粘连;直接染色后的棉纤维表面变化不明显,仅有少量染料附着,而交联染色后的棉纤维表面负载较多的染料导致其粗糙度增加,酯化反应主要发生在纤维的无定形区。与直接染色棉织物相比,交联染色棉织物的染色深度(K/S)和上染率分别提高了88%和165%;染品的绿光、黄光增加,颜色饱和度提高;摩擦色牢度提高了1~2级;耐洗色牢度提高了1~2级;交联染色后棉织物的折皱回复角(WRA)提高了约60%,紫外线防护系数(UPF)达到了50+,具有优异的抗紫外性能。

关键词： 降解塑料   成型加工   实验室能力   环境安全性   创新团队   人体健康   共性技术   规模化应用  

摘要： “环境友好高分子材料创新团队”,是以塑料可持续、绿色发展为主要研究方向,主要研究塑料对人体卫生、健康、安全及环境的可能存在安全性的问题,研究塑料低碳绿色成型加工共性技术,解决有关人体健康、环境安全性质量控制所需的检测共性技术问题,建立标准及其关键评价技术。团队完善了我国降解塑料标准体系,实验室能力获得中美德多国机构授权,是塑料产业绿色发展、降解塑料规模化应用主要驱动者之一。

关键词： 阳离子染料   表面活性剂   匀染性   移染性   超仿棉  

摘要： 探讨不同结构的表面活性剂,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、苄基三乙基氯化铵(TEBAC)、DP-9993、扩散剂MF、平平加O等,对SD型阳离子艳红SD-5GN滤饼上染超仿棉的影响;探讨不同的复配比例对染料上染过程和移染性的影响。结果表明,当TEBAC、MF、平平加O以2∶0.5∶0.2比例复配用于超仿棉阳离子染料染色时,可显著提高染色均匀性。

关键词： 分散染料   分子结构   涤氨织物   π-π作用能  

摘要： 讨论了分散染料分子结构对涤氨织物上染性能的影响。结果表明:与普通偶氮、蒽醌和羧酸酯结构分散染料相比,噻吩、吡啶酮、苯并二呋喃酮和苯并噻吩酮结构具有较高的始染温度和较低的移染度。将分子平面性好的杂环结构引入染料中,能大大提高染料与染料间π-π堆积作用能。pH值对噻吩、吡啶酮、苯并二呋喃酮和羧酸酯结构分散染料影响较大。苯并二呋喃酮和苯并噻吩酮结构分散染料对氨纶纤维的上染量低,羧酸酯和吡啶酮结构分散染料染色后进行碱性清洗能明显降低染料在氨纶纤维上的得色。

关键词： 活性染料   聚苯乙烯   胶体微球   结构色   蚕丝织物  

摘要： 为提高纺织品结构生色光子晶体的色彩饱和度,通过静电吸附将黑色活性染料引入带正电聚苯乙烯(PSt)胶体微球表面,制备了一种外表面吸附染料型PSt结构基元(活性染料/PSt微球),采用数码喷印方式在桑蚕丝织物上构建结构生色光子晶体。研究了染料在PSt胶体微球表面的吸附条件和吸附模型,对活性染料/PSt微球的结构形貌及所得光子晶体的排列和结构生色效果进行表征。结果表明:PSt微球表面染料的吸附量随时间、温度和染料用量的增大而增大;该吸附模型符合Langmuir型;活性染料/PSt微球具有典型的核壳结构,微球粒径较吸附前略有增大;白色蚕丝织物表面所构建的活性染料/PSt光子晶体生色结构,微球排列规整有序,呈现鲜艳明亮的结构色。

关键词： 聚醚砜   磺化聚砜   磺化聚醚砜   疏松纳滤膜   染料分离  

摘要： 含盐染料废水的有效分离一直是工业废水处理领域亟需解决的难题,制备高性能的疏松纳滤膜是解决这一问题的有效途径。本文以聚醚砜（PES）、磺化聚醚砜（SPES）(磺化度DS=10、25和35%)和磺化聚砜（SPSf）(磺化度DS=25%)为原料进行共混,采用非溶剂致相分离法（NIPS）制备PES/SPES/SPSf共混疏松纳滤（LNF）膜,从尺寸效应和空间位阻-荷电排斥协同效应探究其对染料/无机盐选择分离机理和性能。以PES、SPES和SPSf为原料,N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）为溶剂,己二酸（AA）为致孔剂配制铸膜液（固含量31 wt%）,水为凝固浴,采用NIPS法制备了PES/SPSf/SPES共混LNF膜。重点探究SPES添加量（0-20 wt.%）对膜结构和性能的影响。结果表明,PES/SPSf/SPES共混体系为完全相容体系,所制备共混膜断面结构由致密皮层和海绵体支撑层构成。由于聚合物体系与AA之间的氢键作用,AA加入导致铸膜液粘度增加,相转化速度变慢,所制备膜呈现海绵体结构的同时致密皮层变厚。当SPES添加量为10 wt.%时,所制备LNF膜（M10）切割分子量为5900 Da,膜孔径为1.38 nm,纯水通量为120.9 L m-2 h-1;膜表面显负电,Zeta电位为-40.1 m V（p H=7）。膜对刚果红（CR）和Na2SO4的截留率分别>99%和<25%,经牛血清蛋白（BSA）和刚果红（CR）溶液污染,通量恢复率为91.1%和90.2%,表现出良好的染料和盐选择分离性能以及抗污染性能。以PEG为中性模型分子,甲基红、甲基橙、酸性蓝25等9种染料为荷电模型分子,探索模型分子的尺寸和电荷特性与膜分离性能相互作用规律,并发展了尺寸效应和协同效应贡献度量化方法。结果表明,染料分子量和Stokes半径与膜截留率呈现指数关系（R2=0.99）,符合Exp Assoc函数分布规律。当染料模型分子分子量<800 Da时,膜的空间位阻-荷电排斥协同效应起主导作用;同时随着染料分子量从269.3 Da增加到696.7 Da,膜截留率迅速从64.7%提升97.9%。当模型分子分子量>800 Da时,尺寸效应贡献率>50%,染料截留率接近100%。此外,探究LNF膜对分散红74、分散兰79、活性蓝4、活性红11以及实际染料废水的分离情况。结果表明,对于单一染料体系,LNF膜对上述染料截留率均>99%。对于染料/盐混合体系,膜对分散染料截留率>99%,活性染料截留率为66.4%-70.1%。采用高级氧化法-疏松纳滤膜（AOPs-LNF）工艺处理实际染料废水,悬浮物浓度（SS）及色度去除率为100%,化学需氧量（COD）去除率为95.4%,达到了国家污水一级排放标准。

关键词： 分散染料   结构与性能   硅基无水染色体系   染色热力学与动力学   DFT计算  

摘要： 涤纶织物具有弹性好、服用性能高等优点,受到消费者的广泛青睐。而目前涤纶传统水浴染色方法存在高耗水、高污染、高排放的问题,已经成为制约纺织行业可持续发展的重要难题。当前,研究最广泛的超临界二氧化碳染色技术可以实现涤纶无水染色,但是染色需要在超高压下完成,操作安全性极差,设备投资极其昂贵,严重阻碍了该技术的产业化推广和应用。硅基介质(十甲基环五硅氧烷)是一种环境友好型的、以硅氧(Si-O)键为主链的有机硅化合物,前期研究已经证明分散染料在该介质中可以在不使用分散剂、省去还原清洗等步骤的同时对涤纶纤维进行染色,获得较好的染色效果,实现了涤纶纤维的无水染色,极具产业化潜力。但是,在研究的过程中发现分散染料可以部分溶解在硅基介质中,溶解度的大小又会直接影响分散染料对涤纶纤维的上染率,而目前对于取代基团对分散染料在硅基介质中染色性能的影响还未有系统的研究。本课题从分子构效关系出发,分组对比重氮组分和偶合组分上取代基团对分散染料在硅基介质中溶解度以及上染率的影响,研究分散染料在硅基无水染色体系中的染色热力学与动力学,并结合量子化学计算进一步揭示取代基团与分散染料上染率的关系,旨在为筛选或设计合适的无水染色体系专用染料提供理论依据。研究的主要内容如下:(1)分组对比重氮组分及偶合组分上取代基团对染料分子在硅基介质中溶解热力学的影响。结果表明,随着染料分子重氮组分上取代基从氯→氢→氰基的改变,染料分子的溶解度大小为:含氯基的分散红50>含氢基的分散橙25>含氰基的分散红73。随着染料分子偶合组分上N-氰乙基数目的增加,染料分子的溶解度大小为:含2个N-氰乙基的分散橙44<含1个N-氰乙基的分散红50。通过溶解热力学性能研究发现,偶合组分相同时,重氮组分上取代基从氢→氯→氰基的改变,染料分子吉布斯自由能依次增大。重氮组分相同时,偶合组分上含有2个N-氰乙基的分散橙44的吉布斯自由能较大。(2)研究了取代基团对分散染料上染率的影响,并对比分析了溶解度与上染率的关系。重氮组分相同时,偶合组分上含有2个N-氰乙基的分散橙44上染率达到了90%,含有1个N-氰乙基的分散红50上染率降低至55%;偶合组分相同时,重氮组分上取代基从氢→氯→氰基的改变,上染率逐渐增大。研究还发现溶解度较低的染料上染率较高,达到80%以上。溶解度较高的分散橙25(0.65g/L)和分散红50(1.36g/L)上染率较低,均降低至50%左右。虽然染料分子的溶解度持续增加,但分散橙25和分散红50的上染率差异较小,这表明溶解度不是影响上染率的唯一因素。此外通过单因素实验,发现在硅基无水染色体系中,四只分散染料(分散橙44、分散红50、分散红73、分散橙25)在染色温度140℃,保温时间60min,染料浓度为0.5%时便可获得良好的颜色深度,且取代基团对四只染料的色牢度及匀染性影响较小。(3)探究了染料分子结构与染色热力学和动力学的关系。测定了热力学参数,如标准亲和力,焓变和熵变,通过动力学计算扩散系数和扩散活化能并进行比较。热力学研究表明,四只染料的吸附模型均符合能斯特型。随着染料分子重氮组分上取代基从氢→氯→氰基的改变,染料分子对涤纶纤维的亲和力依次增加。重氮组分相同时,随着偶合组分上N-氰乙基数目的增加,含有2个N-氰乙基的染料分散橙44对涤纶纤维的亲和力增加;动力学研究表明,随着染料分子重氮组分上取代基从氢→氯→氰基的改变,染料分子在涤纶纤维上的平衡吸附量和扩散活化能依次增加,半染时间降低。随着偶合组分上N-氰乙基数目的增加,含有2个N-氰乙基的染料分散橙44在涤纶纤维上的平衡吸附量和扩散活化能增加,半染时间减少。(4)为了进一步揭示染料分子化学结构与染色性能的关系,采用Gaussian16软件在B3LYP基组下对四只分散染料分子进行了优化计算,研究了染料与染料、染料与涤纶纤维分子间的相互作用。结果表明:四只染料的分子极性与其在硅基介质中的溶解度大小成反比;随着染料分子重氮组分上取代基从氢→氯→氰基的改变,染料与染料之间的相互作用力逐渐减小,偶合组分上含有2个N-氰乙基的染料分子间的相互作用力较小,染料与涤纶之间的相互作用力逐渐增大,因此其在涤纶织物上的上染率也较高。这些结果为提高硅基无水染色系统中分散染料的上染率提供了潜在的理论指导。

关键词： 亚波长光栅   导模共振   染料激光器   时域有限差分(FDTD)  

摘要： 染料激光器是以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为增益介质,采用脉冲或连续光源作为泵浦源的有机激光器。由于染料激光器具有高集成度、高输出功率以及宽调谐范围等特性,因此被广泛应用于农业检测、大气质量检测、医学美容和航空工业等领域。染料激光器多采用周期性的一维或二维衍射谐振腔,以达到出射波长的连续可调谐。基于导模共振效应的亚波长光栅是一种新型的衍射光学元件,具有在宽光谱范围内的高反射效率、高衍射效率以及共振波峰和半高宽可调谐等特性,广泛应用于彩色滤光片和光学传感器等一系列光学元件。当导模共振效应发生时,结构内部的特定区域会产生局域场增强现象,可影响光与物质之间的相互作用,比如上转化发光、量子点发光以及各类型激光器等。本文基于导模共振光栅结构构建了反射式和透射式染料激光器模型,利用共振激发时波导结构内部增强的局域电磁场能量,实现了激光出射增强,具体内容包括:第一,设计了基于双波导层导模共振染料激光器。在基底与光栅之间设计四层薄膜,其折射率由上至下为低-高-低-高,低折射率区域采用聚氨酯混合激光增益材料IR-140,高折射率区域采用五氧化二钽。在合理的结构参数下,可以实现双波长共振激发,将激光染料的吸收和发射波长分别与两个共振激发波长相匹配可实现激光的出射增强。这是因为导模共振效应产生时激光染料附近形成了较强的局域场,降低了光子的群速度,延长了光子与激光增益介质相互作用的时间,增加了激光的出射强度。第二,设计了带有多孔二氧化硅间隔层的导模共振光栅实现了染料激光器发射增强。在导模共振结构的光栅层和基底层之间,引入低折射率的多孔二氧化硅间隔层,显著增强了局域电场与增益介质的接触度。激光器由增益介质层、波导层、低折射率间隔层和基底层构成,其中增益介质选用IR-140染料并溶解于聚氨酯溶剂中,导模共振光栅层为二氧化钛,基底层为石英玻璃。讨论了结构参数对激光出射强度的影响,例如光栅周期和膜层厚度等,得到了激光器的最优结构参数。第三,基于导模共振光栅实现了透射式染料激光器。由具有相同结构参数的上下两层独立平行正对的导模共振光栅和有机染料构成,复合波导结构能实现透射式导模共振效应,获得透射式共振峰。将溶解于聚氨酯溶剂中的有机激光染料置于两个光栅结构中间。每一个导模共振光栅均是由表面光栅、薄膜波导层以及玻璃基底构成。当泵浦源满足阈值工作条件时,在沿着玻璃基板透射方向能实现激光的出射。

关键词： 随机激光   PDMS   平面波导   褶皱波导   液晶  

摘要： 随机激光的产生机理不同于传统激光器,其发光特性也存在明显差异。随机激光不需要谐振腔,由随机介质的多重散射提供光学反馈以及增益介质提供的光放大。多重散射可以使光子在增益介质中的光程增加,当增益超过损耗形成随机激光的出射。获得的反馈可以分为非相干反馈和相干反馈。非相干反馈获得的非相干随机激光表现为光谱窄化,强度增加,出现在无序度较低的散射介质中;相干反馈获得的相干随机激光出现在无序度较高的散射介质中,此时光子在经过多次散射之后会形成闭合回路,其光谱上会出现分立的随机尖峰。柔性衬底结构充分利用了聚合物质量轻、耐用性好、可弯曲以及制作简单等特点,有利于实现低阈值、稳定性好的随机激光。本文基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）波导结构,分别研究了PDMS平面波导结构中染料液晶基随机激光的出射特性,以及PDMS褶皱波导结构对染料液晶基随机激光出射特性的影响。首先实现了PDMS平面波导结构中的染料液晶基随机激光的出射。实验中所使用的取向材料为甲基红,偶氮染料甲基红在532nm的偏振光照射后会发生顺反异构,从而锚定表面的液晶分子并使液晶分子最后垂直于取向光束偏振方向排列。液晶分子取向后,由于不同厚度处的折射率差不同,增强了散射效率,由液晶分子的多重散射和波导的限制效应共同提供光学反馈,获得的随机激光的阈值为1.5m J/cm2。随机激光的出射与泵浦区域的大小有关,研究了随机激光的出射强度随泵浦条纹长度的关系,证明了泵浦条纹超过5cm,泵浦区域大于临界增益体积时才能形成随机激光的出射。最后研究了增益层厚度对随机激光阈值的影响,当样品厚度从50μm减小到25μm时,阈值从1.5m J/cm2升高至1.9m J/cm2,当样品厚度从50μm增加到250μm时,阈值逐渐从1.5m J/cm2升高至4.9m J/cm2。样品在50μm时存在最低阈值,由于泵浦效率和散射强度的存在,增益层厚度会对随机激光的阈值产生影响。相比于染料液晶基随机激光器中通常所使用的玻璃或者光纤波导,PDMS是一种可弯曲易加工的弹性材料,在使用PDMS作为柔性衬底的分层的三明治结构中,通过弯曲或者按压可以轻易的改变增益层的厚度,使得通过改变增益层厚度实现对染料液晶基随机激光特性的调控成为可能,因此扩展了染料液晶基随机激光器的应用范围,在生物传感、显示等领域具有潜在的应用。实现了PDMS褶皱波导结构中染料液晶基随机激光的出射,褶皱波导结构中随机激光的多重散射由液晶分子以及带有褶皱微结构的粗糙表面共同提供,最后光子被限制在褶皱波导结构中,产生随机激光出射。其次对比了PDMS褶皱结构与PDMS平面波导结构中随机激光的出射阈值,存在褶皱结构的阈值为0.9m J/cm2,而平面波导结构中的阈值为1.5m J/cm2,褶皱波导结构中阈值发生了较明显的降低。在增益介质存在的相同情况下,PDMS的粗糙表面可以通过多次散射将多更的光子限制在样品中,从而提高散射效率,使得样品的阈值降低。最后通过改变拉伸比与表面氧等离子体处理时间,产生不同的褶皱图案,研究了不同褶皱微结构中随机激光的出射阈值。表面粗糙度会影响散射效率,从而影响随机激光的阈值,随着褶皱表面的粗糙度减小,样品阈值从0.9m J/cm2升高至1.3m J/cm2,较大的粗糙表面支持更加有效的多重散射,导致较高的放大因子,因此更加有利于随机激光的出射,进一步降低染料液晶基随机激光的阈值。相比于复杂的表面微结构加工过程,表面氧等离子体处理简单方便并且产生的褶皱周期可控,有助于扩展染料液晶基随机激光研究范围,展现了其相比于软光刻技术以及对生物表面进行复刻的优越性。基于PDMS褶皱波导结构的染料液晶基随机激光器在照明、传感、集成光学等领域具有潜在的应用。