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Tg控制的聚丙烯酸酯类光子晶体生色材料研究

【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pH7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。

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