聚合物/TiO2一维光子晶体的构筑、转印及性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hengtonggss
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一维光子晶体(1D PCs)作为结构生色材料具有选材广泛、制备简便、颜色亮丽可调、易功能化等优点,但目前这类材料主要在硬质平面基底上构筑,较难实现在柔性和非平面基质上的着色及形成边界清晰的图案,应用范围受限。为解决上述问题,本论文借鉴转移印花方法,从组装材料结构和形貌设计出发,降低与平面基底结合力,利用固态粘合介质,通过转印的方式实现一维光子晶体结构色材料在多基质上的着色、图案化及功能应用。论文设计以粒径均匀的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米微粒为低折射率和基层组装材料,来降低材料与基底的接触面积和结合力。采用旋涂法,与高折射率纳米TiO2交替堆叠构筑一维光子晶体结构色膜,探究了PMMA浓度、入射角、Bragg堆叠个数及基底亲疏水性对其光学性能的影响。结果表明,当聚合物浓度增大或入射角减小时,最大反射波长红移;反之,则蓝移。均符合布拉格衍射公式。当堆叠个数增加,反射强度增大,一维光子晶体结构色更加亮丽。在此基础上,借助粘结性能良好的固态聚丙烯酸酯柔性压敏材料实现PMMA/TiO2 1D PCs在金属、纸张、玻璃、塑料、棉、丝等不同基材上的着色和图案化。固体粘结介质的使用克服了以往液体介质在转印中易流动、渗透的缺点,得到了边界清晰的艳丽结构色图案。此外,转印后的结构色膜通过吹气、水滴和乙醇作用均产生快速可逆变色,且薄膜具有良好的耐水洗和耐温特性。因此,设计的一维光子晶体柔性结构色膜在防伪、检测领域显示出良好的应用前景。为了提高1D PCs的柔韧性和强度,设计在硬质基底上首先构筑聚二甲基硅氧烷(PDMS)基膜,并在基膜上进行一维光子晶体的组装。设计引入耐磨性好、机械强度高的聚氨酯(PU)作为低折射率材料,与纳米TiO2交替堆叠构筑颜色均匀的PU/TiO2 1D PCs。研究了PU浓度、旋涂转速、入射光角度等对一维光子晶体反射光谱、颜色变化的影响。通过从基底上直接剥离PDMS基膜即可得到柔性结构色薄膜。同样借助聚丙烯酸酯粘合材料可将光子晶体转印至织物表面,实现结构色着色,相较于传统染料着色具有环境友好、颜色亮丽、均匀稳定等优势。柔性PU/TiO2 1D PCs结构色膜具有良好的机械强度和柔韧性,最大拉伸强度为3.19 MPa,最大应变为148.2%。因此,设计制备的柔性结构色膜在可视化拉力传感研究中具有一定的应用前景。
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