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TiO_2基光子晶体结构生色材料的制备及性能研究

张业广  
【摘要】:TiO2具有高折射率、高热稳定性和光致超亲水性的特点,不同形貌的TiO2材料(包括TiO2纳米粒子(TiO2NPs)和TiO2核壳微球)在光子晶体中均具有明显的应用优势。但TiO2 NPs和TiO2核壳微球在光子晶体中的应用仍存在如下问题:TiO2 NPs与光子晶体复合时通常需要高温煅烧使无定型TiO2结晶;TiO2核壳微球在制备时难以实现对粒径和形貌的精确调控,组装成的光子晶体的结构稳定较差;无定型TiO2核壳微球在高温煅烧时存在微球团聚、破裂和分散性变差的问题,影响光子晶体的组装过程。针对这些问题,本论文在室温条件下制备了 TiO2-聚丙烯酸羟乙酯(PHEA)稳定的光子晶体复合材料;合成了粒径和形貌可控的TiO2核壳微球,并制备出结构稳定型的二维光子晶体(2DPC);利用硅保护煅烧法制备了单分散的TiO2@SiO2中空微球,并组装出三维光子晶体,在溶剂浸润后仍保持亮丽的结构色。将三乙醇胺改性的锐钛矿TiO2 NPs分散在丙烯酸羟乙酯(HEA)中制成预聚液,通过旋涂法将TiO2-HEA预聚液填充并涂覆在PS光子晶体表面,通过紫外光聚合在室温下即得到TiO2-PHEA/PS光子晶体复合材料,利用PHEA对TiO2 NPs和光子晶体阵列的结构锁定实现了材料结构稳定性的增强。复合材料具有亮丽的结构色,其表面水接触角在0.3 s内就能降低到5°以下,超亲水性可在实验室环境中维持180天,还具有自清洁效果。在高反应活性的钛醇盐前驱体水解过程中,以十六胺为结构导向剂,含有羧基的聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(St-MAA))微球为核,制备了粒径均匀、形貌规整的P(St-MAA)@TiO2 微球。以粒径分别为 255nm、308nm、323nm、339nm 和 360nm 的 P(St-MAA)@TiO2微球为构筑单元,在玻璃基材上构筑了 2D PC,呈现出角度相关的结构色。将该2D PC密封在透明基材中,具有在空气中透明,在水中立即显示出亮丽结构色的现象,实现了利用外部介质折射率变化调节2D PC结构色的效果,即实现了 2D PC结构色的非侵入式调节。其透明-彩色即时转变的机理可通过2D PC的衍射理论解释,并可作为信息加密材料使用,实现二维码、图案和文字等的隐藏-显示功能。在P(St-MAA)@TiO2微球表面包覆SiO2薄层作为保护层,再经过900℃煅烧制备了形貌规整、粒径均一、分散性好的锐钛矿型TiO2@SiO2中空微球。以粒径为220 nm、233 nm、262 nm和277nm的TiO2@SiO2中空微球为构筑单元,分别组装出亮丽的蓝色、青色、绿色和橙色蛋白石光子晶体。由于TiO2壳层与空心球的折射率对比度较大,中空TiO2@SiO2光子晶体被乙醇浸润后,反射峰红移,结构色亮度有一定程度的增强。


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