聚苯乙烯三維光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜的研究.pdf

1、目前，具有特殊有序結(jié)構(gòu)的納米材料，在光信息處理和存儲(chǔ)、先進(jìn)涂層、光催化和其他新興納米技術(shù)等方面都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。光子晶體就是其中一種納米材料，它是由折射率（或介電常數(shù)）不同的物質(zhì)在空間進(jìn)行周期性排列從而形成的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。這種長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)具有很多特性，比如光子局域、光子禁帶。因此與傳統(tǒng)薄膜和塊體材料相比，光子晶體在顯示器、光電設(shè)備、傳感設(shè)備等方面具有潛在應(yīng)用。在眾多應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)色因其能量守恒的特性，引起了相當(dāng)大的關(guān)注。
　　本文

2、通過(guò)制備聚苯乙烯(PS)微球、PS@TiO2核殼微球、TiO2空心半球以及TiO2/C復(fù)合微球，用膠體自組裝法在玻璃片表面鍍膜，形成顏色絢麗的結(jié)構(gòu)色薄膜。通過(guò)XRD、SEM、TEM、FT-IR、Ramanspectra、TG等測(cè)試方法對(duì)樣品進(jìn)行表征，探究形成各種微球的影響因素以及形成結(jié)構(gòu)色薄膜的影響因素，從而更好的制備色彩飽和度高、亮度高的結(jié)構(gòu)色薄膜。
　　(1)采用無(wú)皂乳液聚合法制備單分散性聚苯乙烯納米微球，進(jìn)一步通過(guò)垂直沉降法

3、使得微球在玻璃片表面自組裝，從而得到聚苯乙烯結(jié)構(gòu)色薄膜。實(shí)驗(yàn)中，探究了影響聚苯乙烯微球的粒徑大小的影響因素以及微球粒徑和后處理溫度對(duì)聚苯乙烯結(jié)構(gòu)色薄膜的影響。結(jié)果表明:采用無(wú)皂乳液聚合法可以得到單分散性較好且微球表面光滑潔凈的聚苯乙烯微球，微球粒徑可控制在150-400 nm之間;可以通過(guò)改變苯乙烯(st)、甲基丙烯酸(MAA)、過(guò)硫酸鉀(Kps)的用量來(lái)調(diào)節(jié)聚苯乙烯微球的粒徑。隨著苯乙烯用量的增加，微球粒徑隨之增大;當(dāng)甲基丙烯酸用量增

4、加時(shí)，聚苯乙烯微球的粒徑會(huì)減小;過(guò)硫酸鉀用量增加時(shí)，微球粒徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。薄膜分析表明:當(dāng)微球粒徑從177 nm增大到335 nm，反射光譜峰值向長(zhǎng)波段移動(dòng)，從389 nm增大到646 nm，結(jié)構(gòu)色出現(xiàn)紅移;隨著結(jié)構(gòu)色薄膜后處理溫度的升高，聚苯乙烯微球之間的空隙減小，薄膜顏色亮度逐漸降低，當(dāng)溫度達(dá)到110℃時(shí)，顏色消失。
　　(2)采用硅烷偶聯(lián)劑法制備PS@TiO2核殼微球，進(jìn)而通過(guò)垂直沉降法在玻璃片表面制備PS@TiO

5、2結(jié)構(gòu)色薄膜。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變反應(yīng)條件，改善微球表面特性，更有利于制備結(jié)構(gòu)色薄膜。結(jié)果表明:采用硅烷偶聯(lián)劑可以在聚苯乙烯微球表面形成TiO2殼層，并且通過(guò)改變PS/鈦酸丁酯(TBOT)的質(zhì)量比及反應(yīng)時(shí)間能夠調(diào)節(jié)殼層的厚度，但是所得到的核殼微球的粒徑可控性低，不均一，單個(gè)微球表面每處包覆TiO2的量不定且TiO2易團(tuán)聚。制備得到的PS@TiO2核殼結(jié)構(gòu)光子晶體薄膜顏色較未包覆前，發(fā)生紅移，結(jié)構(gòu)色由藍(lán)色變?yōu)榈t色。但其亮度及飽和度都較差，且

6、制備過(guò)程中微球容易沉降。
　　(3)混合溶劑法制備PS@TiO2核殼微球，再通過(guò)垂直沉降法使微球自組裝形成結(jié)構(gòu)色薄膜。實(shí)驗(yàn)中，探究了各反應(yīng)條件對(duì)微球粒徑及微球表面性質(zhì)的影響，探討了核殼結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)色薄膜的影響。結(jié)果表明:混合溶劑法可得到粒徑較為均一的PS@TiO2核殼微球，反應(yīng)時(shí)間對(duì)PS@TiO2核殼微球的影響不大;氨水含量的增加會(huì)導(dǎo)致微球表面顆粒增加，光滑度降低，氨水用量應(yīng)控制在0.25-0.5 mL之間;隨著乙腈含量增加，核殼微

7、球表面由粗糙變光滑再變粗糙，醇腈比為3∶1時(shí)，微球表面最光滑;當(dāng)鈦酸丁酯的用量增加時(shí)，微球粒徑有所增加，但鈦酸丁酯用量過(guò)多時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生的游離的二氧化鈦顆粒增加，因此鈦酸丁酯用量應(yīng)適量;與包覆前的聚苯乙烯結(jié)構(gòu)色相比，包覆后的PS@TiO2結(jié)構(gòu)色紅移。
　　(4)將上述制備的PS@TiO2核殼微球分別在500℃空氣爐和氣氛爐中煅燒3h，可得到TiO2空心半球以及TiO2/C復(fù)合空心微球。結(jié)果表明:TiO2空心半球破損嚴(yán)重，TiO2/C