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有序-无序层次结构光子晶体的制备及性能研究

【摘要】:基于有序结构光子晶体的结构生色材料由于具有呈色鲜艳、饱和度高、色泽明亮、永不褪色等特点,因此受到了人们的广泛关注与研究。但是有序结构带来的布拉格衍射使得结构色材料具有呈色角度依赖性,这一特性极大限制了结构色材料在许多领域的应用。现阶段制备无角度依赖的结构生色材料的主要策略是构建无定型结构的光子晶体,虽然这种长程无序-短程有序的光子结构具有各向同性的特征,能够呈现出无角度依赖的结构色,但是其本征结构带来的过强的非相干散射使得呈现的结构色严重泛白、暗淡、没有光泽。为了解决光子晶体结构生色材料中呈色角度依赖性和呈色鲜艳,明亮之间的矛盾,本文从光子晶体微观结构的设计出发,设计了一种表面长程有序,内部无定型的新型层次结构光子晶体。以包覆了聚多巴胺的聚苯乙烯(PS@PDA)纳米微球和小粒径单分散的阴离子型聚氨酯分散体(PUD)作为自组装单元。通过对胶体粒子自组装机理进行研究,分别设计了热辅助和电泳沉积两种动态自组装过程,成功制得了层次结构光子晶体膜。(1)设计了一种二元共混热辅助动态自组装过程,我们制备了一种表面长程有序,内部无定型的有序-无序层次结构光子晶体。通过监控自组装过程中的粒子形貌,分析了动态自组装过程中的粒子自组装行为,揭示了有序-无序层次结构的形成机理。反射光谱结果表明,所制备的层次结构光子晶体能够呈现高明亮度,鲜艳的结构色同时还具有呈色低角度依赖性。通过考察自组装过程中PU添加量对光子晶体结构和性能的影响,发现PU与PS@PDA微球的质量比为0.1:1时所制备的结构色膜具有最优性能,此时薄膜呈色饱和度高,有强烈的金属光泽,同时光线入射角从0°变化到60°时,层次结构光子晶体膜的光子禁带仅发生约20~30nm的峰位移,这证明结构色膜具有呈色低角度依赖性。(2)通过研究电泳沉积自组装机理,设计一种变电压阴极电泳自组装过程用于制备有序-无序层次结构光子晶体。使用聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)作为电荷反转剂和胶黏剂来解决光子晶体膜开裂问题。分别考察了分散液pH值,外加工作电压,以及PDDA添加量对光子晶体结构及自组装行为的影响。使用曲面导电基材(不锈钢勺)进行电泳自组装,成功在曲面基底上制备了层次结构光子晶体涂层。通过实验考察,发现PDDA与PS@PDA微球的质量比为0.09:1,一阶段电泳工作电压为40V,1min;二阶段工作电压为3V,3min时,制备结构色膜具有有序无序层次结构,呈现出鲜艳的颜色。

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