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光子晶体是由两种或两种以上具有不同介电常数的材料在空间按照一定的周期性排列而成的一类光学材料,通过控制其中光子禁带的位置,可获得仿生结构色效果。目前,为了得到显眼的结构色效果,大多数研究者在构造光子晶体生色结构时均选择利用色素对基底进行底色预处理,这势必造成制备工序繁杂,甚至产生过多的能耗。如何缩减基底预处理工序,直接在基材上构筑生色鲜艳明亮的光子晶体结构的研究是近年的热点课题。本文设计和制备适宜构筑仿生光子晶体生色结构的色素/聚合物复合结构基元,然后以其为生色主体分别制备喷印墨水和液态颜料,再通过数码喷印和手绘两种方式将墨水和颜料直接应用于未经底色预处理的基材上构筑光子晶体结构生色图案。研究将为采用胶体微球自组装法在未经底色预处理的基材上构筑光子晶体生色结构提供有效实验数据。本文的主要研究内容包括以下三个方面:(1)采用无皂乳液聚合法制备聚(苯乙烯-甲基丙烯酸-丙烯酸丁酯)(P(St-MAA-BA))微球,然后以其为种子,通过溶胀吸附法制备分散染料与P(St-MAA-BA)复合结构基元(记作分散染料@P(St-MAA-BA)微球),探究聚合反应参数对P(St-MAA-BA)微球粒径和单分散性的影响,优化复合结构基元的制备工艺参数,系统表征复合结构基元的表面形貌、玻璃化温度、染料吸附量、结构组分、带电性及稳定性;(2)以分散染料@P(St-MAA-BA)微球为主体构建喷印墨水体系,通过喷印方式将微球墨水施加到白色基材表面构筑光子晶体生色结构,探讨复合结构基元、“咖啡环”抑制剂、表面张力调节剂和pH调节剂的用量对墨水性能的影响,探明自组装温度和时间对光子晶体结构生色效果的影响,分析色素对光子晶体结构生色效果的影响,表征喷印自组装制备所得光子晶体结构生色图案的光学性能;(3)通过离心预处理法制备液态光子晶体颜料,然后通过手绘方式在白色基材上快速构筑图案化的光子晶体生色结构,探究离心速率和时间对液态颜料性能的影响,详细阐述颜料的颗粒细度、表观颜色、流变性能和耐光耐热性能,系统表征由液态颜料制备所得光子晶体的结构色效果。研究结果表明:(1)在无皂乳液聚合中,随苯乙烯或甲基丙烯酸量的增加,P(St-MAA-BA)微球的粒径逐渐增大,而随丙烯酸丁酯或过硫酸铵量的增加,P(St-MAA-BA)微球的粒径逐渐减小。当单体St浓度为9～12 wt%,MAA为1.5～3 wt%,BA为1.5～3 wt%,引发剂APS浓度为0.05～0.09 wt%时,可制备粒径为160-360 nm的单分散P(St-MAA-BA)种子微球。制备分散染料@P(St-MAA-BA)微球时,随染料量、染色时间、pH值的增加或种子微球量的减少,基元的粒径略有增大。当染料浓度为0.01～0.03 wt%,微球浓度为2.3 wt%,染色温度为115℃,染色时间2～2.5h为,pH值为6～8时,可制备单分散性良好的分散染料@P(St-MAA-BA)微球,其中复合微球中的染料吸附量为0.021～0.026g/g,微球的Zeta电位值低于-30mV,表现出良好的稳定性。(2)当分散染料@P(St-MAA-BA)微球质量分数为2.5 wt%,“咖啡环”抑制剂2-苯氧乙醇的质量分数为2～4 wt%,表面张力调节剂异丙醇的质量分数为0.1～0.2wt%,pH值为5～9时,可制备得到性能良好的喷印墨水。当烘干温度为60℃,烘干时间为9min时,经过数码喷印的微球墨水经自组装后可在基底表面形成具有三维面心立方结构的光子晶体。与白色基底上的纯P(St-MAA-BA)光子晶体相比,分散染料@P(St-MAA-BA)光子晶体的结构色鲜艳、明亮,虹彩效应明显。这种差异是由于黑色染料对光子禁带之外的杂光具有出色的吸收能力。(3)离心预处理参数对液态颜料的性能有直接影响,在8000r/min的离心速度和30min的离心时间下,可制备得到性能良好的液态光子晶体颜料。液态光子晶体颜料本身呈现出绚丽、虹彩明显结构色效果,这是因为离心预处理过程中微球进行了一定程度的自组装,局部已组装形成了光子晶体。随颜料内部微球粒径的增大,液态颜料的细度逐渐增大,但整体细度值与商用绘画颜料接近。液态光子晶体颜料的粘度值、内部微球的平均粒径和单分散指数随着放置时间不会发生大的改变,表明其具有良好的稳定性。将制备所得液态颜料通过手绘方式施加到白色基材上,可在10-20 s内(室温)构筑出具有三维面心立方结构的光子晶体,其呈现的结构色鲜艳明亮,随着复合结构基元粒径的减小或观察角的增大结构色会产生蓝移现象。