聚苯乙烯三維光子晶體結構色薄膜的研究.pdf

1、目前，具有特殊有序結構的納米材料，在光信息處理和存儲、先進涂層、光催化和其他新興納米技術等方面都有潛在的應用價值。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)）不同的物質在空間進行周期性排列從而形成的長程有序結構。這種長程有序結構具有很多特性，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、光電設備、傳感設備等方面具有潛在應用。在眾多應用中，結構色因其能量守恒的特性，引起了相當大的關注。
　　本文

2、通過制備聚苯乙烯(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，形成顏色絢麗的結構色薄膜。通過XRD、SEM、TEM、FT-IR、Ramanspectra、TG等測試方法對樣品進行表征，探究形成各種微球的影響因素以及形成結構色薄膜的影響因素，從而更好的制備色彩飽和度高、亮度高的結構色薄膜。
　　(1)采用無皂乳液聚合法制備單分散性聚苯乙烯納米微球，進一步通過垂直沉降法

3、使得微球在玻璃片表面自組裝，從而得到聚苯乙烯結構色薄膜。實驗中，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聚苯乙烯結構色薄膜的影響。結果表明:采用無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;可以通過改變苯乙烯(st)、甲基丙烯酸(MAA)、過硫酸鉀(Kps)的用量來調節(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;當甲基丙烯酸用量增

4、加時，聚苯乙烯微球的粒徑會減小;過硫酸鉀用量增加時，微球粒徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。薄膜分析表明:當微球粒徑從177 nm增大到335 nm，反射光譜峰值向長波段移動，從389 nm增大到646 nm，結構色出現(xiàn)紅移;隨著結構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，當溫度達到110℃時，顏色消失。
　　(2)采用硅烷偶聯(lián)劑法制備PS@TiO2核殼微球，進而通過垂直沉降法在玻璃片表面制備PS@TiO

5、2結構色薄膜。實驗中，通過改變反應條件，改善微球表面特性，更有利于制備結構色薄膜。結果表明:采用硅烷偶聯(lián)劑可以在聚苯乙烯微球表面形成TiO2殼層，并且通過改變PS/鈦酸丁酯(TBOT)的質量比及反應時間能夠調節(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，單個微球表面每處包覆TiO2的量不定且TiO2易團聚。制備得到的PS@TiO2核殼結構光子晶體薄膜顏色較未包覆前，發(fā)生紅移，結構色由藍色變?yōu)榈t色。但其亮度及飽和度都較差，且

6、制備過程中微球容易沉降。
　　(3)混合溶劑法制備PS@TiO2核殼微球，再通過垂直沉降法使微球自組裝形成結構色薄膜。實驗中，探究了各反應條件對微球粒徑及微球表面性質的影響，探討了核殼結構對結構色薄膜的影響。結果表明:混合溶劑法可得到粒徑較為均一的PS@TiO2核殼微球，反應時間對PS@TiO2核殼微球的影響不大;氨水含量的增加會導致微球表面顆粒增加，光滑度降低，氨水用量應控制在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，微球表面最光滑;當鈦酸丁酯的用量增加時，微球粒徑有所增加，但鈦酸丁酯用量過多時，反應產(chǎn)生的游離的二氧化鈦顆粒增加，因此鈦酸丁酯用量應適量;與包覆前的聚苯乙烯結構色相比，包覆后的PS@TiO2結構色紅移。
　　(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復合空心微球。結果表明:TiO2空心半球破損嚴重，TiO2/C