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减反射薄膜由于可以减少反射,增加透射来增高光学系统影像的明晰度而在光学技术中起着关键作用。其基本原理是来自空气-薄膜和薄膜-基底等各界面的反射光进行破坏性相关干涉,从而减小反射增加透射。高分子材料作为减反射材料具有重量轻,高的冲击强度,容易加工并能附着在柔性基板上面进行大面积加工的优点。更重要的是可以通过调节薄膜的结构来调节薄膜在特定波长下以及在宽波条件下的减反射效果。然而,目前高分子聚合物减反射薄膜对于透光波段的扩展还存在局限,并且对于波段可调及可逆透光率的减反射薄膜的研究还很少。本论文针对如何提高薄膜在特定波长下的透光率以及实现在宽波条件下高透过的核心问题,利用嵌段共聚物的微相分离和自组装来调控薄膜微结构分别得到了可见光-近红外光区全波段减反射薄膜,波段可调减反射薄膜以及近红外光区可逆透光率减反射薄膜。
首先,我们得到了一种梯度孔隙率结构可以用于宽波段及全方位减反射的聚合物多孔薄膜。利用嵌段聚合物PS-b-PMMA和均聚物PMMA的混合溶液旋涂在以OTS接枝改性后的玻璃基底上,随挥发形成PMMA区域在薄膜的垂直方向梯度分布的相分离结构:降解去掉的PMMA组分得到孔隙率在薄膜垂直方向梯度分布的多孔薄膜。烷基链(OTS)接枝改性基底降低基底表面能吸引更多PS嵌段,同时混合溶剂中TOL挥发带动链段运动来调整两嵌段区域的分配,二者共同作用而得到梯度孔隙率结构。其在可见光和近红外光区的全波段透光率均可达到97%以上;当增大入射角度时,在三个角度全波段的透光率仍可提高;同时由于对可见光区的宽波高透过使得薄膜具有色彩还原性。基于上述方法我们继续研究嵌段聚合物内在性质(总聚合度、相互作用参数、体积分数和添加均聚物含量)对这种嵌段聚合物/均聚物共混物制备的梯度孔隙率结构及其宽波减反射性质的影响:嵌段聚合物中PMMA相的体积分数增大,降解洗去此相使交联的PS链塌缩而破坏原有的梯度结构引起光散射,平均透光率也随之减小。PMMA嵌段体积分数相近时,xN值较大时PMMA聚集的微区尺寸较大,微区带动更多PMMA链运动使梯度结构更明显;xN值较小时PMMA分散成很多小微区,受到PS链的缠结作用链运动受阻使梯度结构不明显。所以平均透光率随不同分子量的xN值增大而增大。分子量相同时,平均透光率随浓度的增大而增大;而当均聚物质量分数维持在20 wt%-30wt%,内部梯度结构会更连续,得到较高的透光率。
其次,我们提出了一种新的非溶剂诱导微相分离制备非均一结构PS-b-P4VP多孔薄膜的方法,能在可见光区和近红外光区得到高透光率并且波段可调的减反射薄膜。将在混合溶剂(THF&DMF)中得到PS-b-P4VP的胶束溶液旋涂成膜后,立即将还处在溶胀状态下的薄膜浸泡在非溶剂中不同的时间,由于两亲性嵌段聚合物的自组装和非溶剂诱导相分离的共同作用,抽干溶剂后就得到不均一多孔结构,包括相对紧致的表层结构和多孔分布的底层结构。当改变溶液的浓度和非溶剂浸泡的时间就可以得到纳米球形胶束、短棒和海绵状结构三种不均一结构。这些结构能在可见光区(~779 nm)得到最高透光率99.6%,近红外光区(~1301 nm)得到99.2%的高透光率。
最后,在上述不均一多孔PS-b-P4VP薄膜的基础上,我们通过PS选择性溶剂退火和线性脂肪酸对薄膜的交替作用来获得有孔-无孔状态的转变,并使薄膜在近红外光区的高透光率和低透光率之间可以可逆变化。初始的多孔PS-b-P4VP薄膜被放置在PS的选择性溶剂中进行退火,PS微区体积溶胀将孔洞结构消除。接着将薄膜浸泡在线性脂肪酸溶剂中,那么氢键和带正电荷链段间的排斥力的共同作用使得结构变为松散堆积的胶束微球,多孔结构得到重建。当交替使用PS选择性溶剂和线性脂肪酸处理薄膜时就会得到透光率的循环变化。这种可消除-重建的多孔结构可以使薄膜在近红外光区得到“减反射-非减反射”两种状态间循环可逆。