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光子晶体是1987年由Yablonovitch和John共同提出的新概念,光子晶体以其对光的特殊调控作用而引起了科研工作者广泛的研究兴趣。如何通过分子结构设计和组装工艺调控聚合物胶体晶体性能,揭示聚合物结构与光子晶体应用性能的内在规律,不仅对丰富功能高分子的理论,而且对高性能聚合物光子晶体膜产品的开发具有重要的指导意义。
本文首先通过一步法乳液聚合制备得到一系列单分散的聚(苯乙烯—甲基丙烯酸甲酯—丙烯酸)的乳胶粒,其粒径范围为94—400nm,所制备得到的光子晶体膜的光子带隙涉及紫外、可见、近红外区域。设计并调控聚合物乳胶粒的形貌:硬聚苯乙烯核一弹性聚丙烯酸/甲基丙烯酸酯壳。在组装过程中,硬聚苯乙烯核保证长程有序的排列,软韧性壳会随组装温度的提高实现变形,形成某种具有非常密实结构的FCC结构,保证了所制备得到的胶体晶体膜具有很高的机械强度。根据光子晶体膜的光子带隙的不同,该膜可以分别应用于彩色涂层,防紫外线涂膜及防红外反射的涂膜,并通过模型分子考察了对254nm紫外光的防护效果。
根据乳胶粒的特殊的核壳形貌,调整组装温度可实现聚合物胶体晶体膜浸润性的调控:随组装温度提高,膜浸润性可由超亲水到超疏水转化。这种现象被解释为聚合物分子链中疏水基团与亲水基团随组装温度的变化重新取向引起。
通过调控聚合物分子中软硬链段nBA/St的比例,可以有效地调控聚合物链段的活动能力,从而实现对浸润性转变温度的调控,最终使得浸润性转变温度可从90,80,70,60,40及20℃随意调控。
另外,通过调控组装pH,可实现膜浸润性从超亲水到超疏水的转换,且膜的浸润性可随气氛的pH不同实现可逆调控。这种现象可以解释为乳胶粒表面乳化剂的吸附形式随体系pH进行可逆调控。低pH时,乳化剂的亲水基团与乳胶粒表面COOH基的强氢键作用,会导致乳化剂在乳胶粒表面的反转吸附,导致乳胶粒表面的疏水性;当在体系的pH>12,会使得乳胶粒表面的羧基离子化,脱质子的COO-与乳化剂的亲水基团SO3-的强的静电排斥作用,导致亲水基团分散在乳胶粒的表面及膜表面的亲水性。这种吸附形式会随体系pH的不同实现可逆翻转。