Tg控制的聚丙烯酸酯类光子晶体生色材料研究

论文摘要

光子晶体因具有独特的结构显色机理和光学特性,在传感响应、显色、包装等领域取得了广泛关注。然而,光子晶体生色材料依然存在着制备面积小,显色暗淡,结构稳定性差等问题,大大限制了其实际应用。本论文以聚丙烯酸酯类微球为核心,设计了多种合成路径,分别对制备面积、显色鲜艳度和结构稳定性做出了提升。具体工作如下。利用略亲水（CA 86°）、低Tg（27℃）的聚（甲基丙烯酸丁酯-co-甲基丙烯酸甲酯-co-丙烯酸丁酯-co-双丙酮丙烯酰胺）（PBMBD）微球易于在高于Tg下变形、融合的特性,设计了一种在水-气界面上“自组装-部分融合-转移”制备大面积自支撑光子晶体膜的方案。首先通过调节温度PBMBD微球在水-气界面上组装成大面积高质量的周期性有序结构。进而相邻微球发生部分融合,形成内部周期性得以保持的可转移自支撑膜。该材料的面积可达到30 cm×21cm甚至更高。在接触水之后,可呈现出亮丽且均匀的结构色。此外,将带有亲水性功能基团COOH的聚（甲基丙烯酸丁酯-co-甲基丙烯酸甲酯-co-丙烯酸丁酯-co-甲基丙烯酸）（PBMBM）微球替代PBMBD微球,使用上述合成路线制备出可对pH>7的水溶液响应变色的光子晶体材料,显示了这种合成机制灵活的适用范围。以聚(甲基丙烯酸丁酯-co-甲基丙烯酸甲酯-co-丙烯酸丁酯（PBMB）微球为核,在低于Tg下包覆SiO2形成PBMB@SiO2核壳结构微球。其作为光子晶体的构筑单元,通过自组装然后煅烧的方法,得到中空SiO2光子晶体。将煅烧温度控制在PBMB的临界分解温度,可使中空SiO2光子晶体结构中保留高达15.1%的炭黑成分,用来吸收背景光散射提高结构色鲜艳度。最终获得了鲜艳的孔雀绿（粒径为284 nm）和深紫色（粒径为242 nm）两种中空SiO2光子晶体结构生色材料。将Tg控制的热塑性聚（丙烯酸羟乙酯-co-甲基丙烯酸-co-聚乙二醇二丙烯酸酯）（PHMP）作为填充材料,与粒径为284 nm、242 nm、和205 nm的中空SiO2光子晶体复合,制备出高结构稳定性和可热塑立体形状的中空SiO2/PHMP的复合光子晶体膜。基于PHMP聚合物的高机械强度（拉伸强度36 MPa）和中空SiO2有序阵列的骨架支撑作用,这种复合结构的膜材料具有优异的结构稳定性。机械拉伸强度和压缩强度可分别达到51 MPa和99 MPa,在机械拉伸或压缩过程中（<30 MPa）结构色保持不变,且放置于自然光下半年结构色保持不变。基于PHMP的Tg（58℃）控制的热塑性能,复合光子晶体膜还可以进行灵活的热加工塑形,冷却后可保持立体形状,将会在包装或装饰中具有可观的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 光子晶体的介绍和分类
•     1.1.1 光子晶体的介绍
•     1.1.2 光子晶体的分类
•   1.2 光子晶体的组装单元
•     1.2.1 蛋白石光子晶体的组装单元
•     1.2.2 反蛋白石光子晶体的构筑材料
•   1.3 光子晶体的制备方法
•     1.3.1 毛细作用力下自组装蛋白石光子晶体
•     1.3.2 外力诱导自组装蛋白石光子晶体
•     1.3.3 两步法构筑反蛋白石光子晶体
•   1.4 光子晶体生色材料的构筑
•     1.4.1 结构色显示型光子晶体
•     1.4.2 环境刺激响应型光子晶体
•     1.4.3 防伪、包装型光子晶体
•   1.5 光子晶体生色材料尚需解决的重要问题
•     1.5.1 大面积制备问题
•     1.5.2 颜色鲜艳度问题
•     1.5.3 结构稳定性问题
•   1.6 本论文的设计思路
• 2 大面积水写显色的聚丙烯酸酯类光子晶体（PC）膜
•   2.1 引言
•   2.2 实验部分
•     2.2.1 主要仪器设备及试剂
•     2.2.2 PBMBD单分散纳米微球的合成
•     2.2.3 PBMBM单分散纳米微球的制备
•     2.2.4 PBMB单分散纳米微球的制备
•     2.2.5 PBMBD光子晶体薄膜的构筑
•     2.2.6 表征和测试方法
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 PBMBD单分散微球的表征
•     2.3.2 PBMBD光子晶体膜及其物理性能
•     2.3.3 PBMBD光子晶体膜的水写显色性能
•     2.3.4 PBMBD光子晶体膜水写显色的影响因素
•     2.3.5 PBMBD光子晶体膜水写显色的机理
•     2.3.6 热协助水-气界面自组装方法拓展
•   2.4 本章小结
• 2光子晶体结构生色材料'>3 亮度增强的中空SiO₂光子晶体结构生色材料
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 主要试剂及仪器设备
•     3.2.2 PBMB单分散纳米微球制备
• 2核壳微球合成'>    3.2.3 PBMB@SiO₂核壳微球合成
• 2光子晶体制备'>    3.2.4 PBMB@SiO₂光子晶体制备
• 2光子晶体构筑'>    3.2.5 亮度增强的中空SiO₂光子晶体构筑
•     3.2.6 表征和测试方法
•   3.3 结果与讨论
• 2微球制备及表征'>    3.3.1 PBMB@SiO₂微球制备及表征
• 2光子晶体构筑'>    3.3.2 PBMB@SiO₂光子晶体构筑
• 2光子晶体构筑及光学性能'>    3.3.3 中空SiO₂光子晶体构筑及光学性能
• 2结构生色材料'>    3.3.4 亮度增强的中空SiO₂结构生色材料
•   3.4 本章小结
• 2/PHMP复合光子晶体膜'>4 结构稳定的中空SiO₂/PHMP复合光子晶体膜
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•     4.2.1 主要试剂及仪器设备
• 2/PHMP复合光子晶体膜'>    4.2.2 中空SiO₂/PHMP复合光子晶体膜
•     4.2.3 表征和测试方法
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 PHMP纯聚合物表征
• 2/PHMP复合光子晶体膜'>    4.3.2 中空SiO₂/PHMP复合光子晶体膜
• 2/PHMP复合光子晶体膜的光学性能'>    4.3.3 中空SiO₂/PHMP复合光子晶体膜的光学性能
• 2/PHMP复合光子晶体膜的热塑性能'>    4.3.4 中空SiO₂/PHMP复合光子晶体膜的热塑性能
• 2/PHMP复合光子晶体膜的机械性能'>    4.3.5 中空SiO₂/PHMP复合光子晶体膜的机械性能
•   4.4 本章小结
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 创新点
•   5.3 展望
• 参考文献
• 2 PC膜的EDS元素分析'>附录A 350℃煅烧温度下的中空SiO₂PC膜的EDS元素分析
• 2 PC膜的EDS元素分析'>附录B 450℃煅烧温度下的中空SiO₂PC膜的EDS元素分析
• 2 PC膜的EDS元素分析'>附录C 550℃煅烧温度下的中空SiO₂PC膜的EDS元素分析
• 2 PC膜的EDS元素分析'>附录D 650℃煅烧温度下的中空SiO₂PC膜的EDS元素分析
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 于淑贞

导师: 张淑芬

关键词: 聚丙烯酸酯,光子晶体,大面积,结构色亮丽,结构稳定

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: O734

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.004294

总页数: 144

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