聚苯乙烯三维光子晶体结构色薄膜的研究

发布时间：2017-04-03 16:16

  本文关键词：聚苯乙烯三维光子晶体结构色薄膜的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,具有特殊有序结构的纳米材料,在光信息处理和存储、先进涂层、光催化和其他新兴纳米技术等方面都有潜在的应用价值。光子晶体就是其中一种纳米材料,它是由折射率(或介电常数)不同的物质在空间进行周期性排列从而形成的长程有序结构。这种长程有序结构具有很多特性,比如光子局域、光子禁带。因此与传统薄膜和块体材料相比,光子晶体在显示器、光电设备、传感设备等方面具有潜在应用。在众多应用中,结构色因其能量守恒的特性,引起了相当大的关注。本文通过制备聚苯乙烯(PS)微球、PS@TiO2核壳微球、Ti02空心半球以及TiO2/C复合微球,用胶体自组装法在玻璃片表面镀膜,形成颜色绚丽的结构色薄膜。通过XRD、SEM、TEM、FT-IR、Raman spectra、TG等测试方法对样品进行表征,探究形成各种微球的影响因素以及形成结构色薄膜的影响因素,从而更好的制备色彩饱和度高、亮度高的结构色薄膜。(1)采用无皂乳液聚合法制备单分散性聚苯乙烯纳米微球,进一步通过垂直沉降法使得微球在玻璃片表面自组装,从而得到聚苯乙烯结构色薄膜。实验中,探究了影响聚苯乙烯微球的粒径大小的影响因素以及微球粒径和后处理温度对聚苯乙烯结构色薄膜的影响。结果表明：采用无皂乳液聚合法可以得到单分散性较好且微球表面光滑洁净的聚苯乙烯微球,微球粒径可控制在150-400 nm之间；可以通过改变苯乙烯(st)、甲基丙烯酸(MAA)、过硫酸钾(Kps)的用量来调节聚苯乙烯微球的粒径。随着苯乙烯用量的增加,微球粒径随之增大；当甲基丙烯酸用量增加时,聚苯乙烯微球的粒径会减小；过硫酸钾用量增加时,微球粒径呈现先增大后减小的趋势。薄膜分析表明：当微球粒径从177 nm增大到335 nm,反射光谱峰值向长波段移动,从389 nm增大到646 nm,结构色出现红移；随着结构色薄膜后处理温度的升高,聚苯乙烯微球之间的空隙减小,薄膜颜色亮度逐渐降低,当温度达到110℃时,颜色消失。(2)采用硅烷偶联剂法制备PS@TiO2核壳微球,进而通过垂直沉降法在玻璃片表面制备PS@TiO2结构色薄膜。实验中,通过改变反应条件,改善微球表面特性,更有利于制备结构色薄膜。结果表明：采用硅烷偶联剂可以在聚苯乙烯微球表面形成TiO2壳层,并且通过改变PS/钛酸丁酯(TBOT)的质量比及反应时间能够调节壳层的厚度,但是所得到的核壳微球的粒径可控性低,不均一,单个微球表面每处包覆Ti02的量不定且Ti02易团聚。制备得到的PS@TiO2核壳结构光子晶体薄膜颜色较未包覆前,发生红移,结构色由蓝色变为淡红色。但其亮度及饱和度都较差,且制备过程中微球容易沉降。(3)混合溶剂法制备PS@TiO2核壳微球,再通过垂直沉降法使微球自组装形成结构色薄膜。实验中,探究了各反应条件对微球粒径及微球表面性质的影响,探讨了核壳结构对结构色薄膜的影响。结果表明：混合溶剂法可得到粒径较为均一的PS@TiO2核壳微球,反应时间对PS@TiO2核壳微球的影响不大；氨水含量的增加会导致微球表面颗粒增加,光滑度降低,氨水用量应控制在0.25-0.5 mL之间；随着乙腈含量增加,核壳微球表面由粗糙变光滑再变粗糙,醇腈比为3：1时,微球表面最光滑；当钛酸丁酯的用量增加时,微球粒径有所增加,但钛酸丁酯用量过多时,反应产生的游离的二氧化钛颗粒增加,因此钛酸丁酯用量应适量；与包覆前的聚苯乙烯结构色相比,包覆后的PS@TiO2结构色红移。(4)将上述制备的PS@TiO2核壳微球分别在500℃空气炉和气氛炉中煅烧3 h,可得到Ti02空心半球以及TiO2/C复合空心微球。结果表明：Ti02空心半球破损严重,TiO2/C复合空心微球的结构较为完整。在降解罗丹明B溶液过程中,TiO2空心半球的催化性能要优于P25及Ti02粉体的催化性能,当TBOT的用量由0.5 mL增加到1 mL时,Ti02对罗丹明B溶液的降解效率也有所提高；空心半球结构能够提升Ti02的光催化性能。在TiO2/C空心微球对降解罗丹明B溶液的降解过程中,当TBOT用量为1 mL时,Ti02壳层厚度最为合适,光催化性能最佳。
【关键词】：PS微球 PS@TiO_2核壳微球 TiO_2空心半球 TiO_2/C空心球 结构色 降解罗丹明B
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O734;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 引言11
• 1.2 光子晶体11-16
• 1.2.1 光子晶体的概述11-13
• 1.2.2 蛋白石结构光子晶体13-15
• 1.2.3 反蛋白石光子晶体15-16
• 1.3 结构色16-19
• 1.3.1 结构色的发展16
• 1.3.2 自然界及光子晶体结构色16-17
• 1.3.3 结构色的应用17-19
• 1.4 单分散聚苯乙烯微球的合成19-20
• 1.4.1 分散聚合19-20
• 1.4.2 无皂乳液聚合20
• 1.5 本课题的研究内容及意义20-22
• 2 聚苯乙煤微球结构色薄膜22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 实验部分22-24
• 2.2.1 实验药品与仪器22-23
• 2.2.2 聚苯乙烯微球的制备23
• 2.2.3 聚苯乙烯结构色薄膜的制备23
• 2.2.4 测试与分析23-24
• 2.3 结果与讨论24-31
• 2.3.1 聚苯乙烯粉体的物相及成分分析24-26
• 2.3.2 反应条件对聚苯乙烯微球粒径的影响26-29
• 2.3.3 不同粒径聚苯乙烯微球对结构色薄膜的影响29-30
• 2.3.4 后处理温度对结构色薄膜的影响30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 3 硅烷偶联剂改性PS微球制备PS@TiO_2核壳微球32-38
• 3.1 前言32
• 3.2 实验部分32-34
• 3.2.1 实验药品与仪器32-33
• 3.2.2 PS@TiO_2核壳微球的制备33
• 3.2.3 PS@TiO_2核壳微球结构色薄膜的制备33-34
• 3.2.4 测试与分析34
• 3.3 结果与讨论34-37
• 3.3.1 PS@TiO_2核壳微球的物相及成分分析34-35
• 3.3.2 反应条件对PS@TiO_2核壳微球的影响35-37
• 3.3.3 PS@TiO_2核壳微球结构色薄膜37
• 3.4 本章小结37-38
• 4 混合溶剂法制备PS@TiO_2核壳微球38-49
• 4.1 前言38
• 4.2 实验部分38-40
• 4.2.1 实验药品与仪器38-39
• 4.2.2 PS@TiO_2核壳微球39
• 4.2.3 PS@TiO_2核壳微球结构色薄膜的制备39
• 4.2.4 测试与分析39-40
• 4.3 结果与讨论40-48
• 4.3.1 PS@TiO_2核壳微球的成分、形貌分析40-42
• 4.3.2 反应条件对PS@TiO_2核壳微球的影响42-46
• 4.3.3 结构色薄膜的表征46-48
• 4.4 本章小结48-49
• 5 TiO_2空心半球及TiO_2/C空心球的制备及其光催化性能49-56
• 5.1 前言49
• 5.2 实验部分49-50
• 5.2.1 实验仪器与药品49-50
• 5.2.2 TiO_2空心半球及TiO_2/C空心球的制备50
• 5.2.3 TiO_2空心半球及TiO_2/C空心球的光催化性能测试50
• 5.2.4 测试与分析50
• 5.3 TiO_2空心半球及TiO_2/C空心球的表征及光催化性能50-55
• 5.3.1 TiO_2空心半球的表征及光催化性能50-53
• 5.3.2 TiO_2/C空心球的表征及光催化性能53-55
• 5.4 本章小结55-56
• 6 结论56-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-69
• 攻读学位期间发表的学术论文69-70

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