【摘 要】
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二氧化锡(SnO2)具有优异的化学稳定性,对空气和热稳定,不溶于水,难溶于酸碱,尤其是其折射率达到2.00,且本身为白色,是构筑反蛋白石光子晶体结构色材料的理想原料。但与其他无机氧化物一样,SnO2反蛋白石光子晶体的刚性结构导致脆性大、难以通过晶格参数的改变实现外界刺激响应,且非相干光散射作用的增强导致其结构色的颜色饱和度低。针对上述问题,本文以聚苯乙烯(PS)微球蛋白石光子晶体为模板,在构建孔径
【基金项目】
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国家自然科学基金(21878043,21276042); 国家“十二五”科技支撑计划(2013BAF08B06);
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二氧化锡(SnO2)具有优异的化学稳定性,对空气和热稳定,不溶于水,难溶于酸碱,尤其是其折射率达到2.00,且本身为白色,是构筑反蛋白石光子晶体结构色材料的理想原料。但与其他无机氧化物一样,SnO2反蛋白石光子晶体的刚性结构导致脆性大、难以通过晶格参数的改变实现外界刺激响应,且非相干光散射作用的增强导致其结构色的颜色饱和度低。针对上述问题,本文以聚苯乙烯(PS)微球蛋白石光子晶体为模板,在构建孔径可调的SnO2反蛋白石光子晶体的基础上,与有机相变体系复合,制备热刺激响应的结构色防伪体系;通过原位碳掺杂或铁离子掺杂,屏蔽背景光干扰、提高其颜色饱和度,同时进一步与弹性体复合,实现韧性增强与颜色饱和度提高。利用乳液聚合法制备了球形结构规整且粒径分布窄的PS微球,其平均粒径在200 nm~470 nm范围内可调。采用加热对流自组装法对平均粒径分别为202 nm、234 nm和274nm的PS微球进行组装,借助反射光谱动态监测,研究其组装历程、优化组装工艺,获得微球排列规整有序,颜色分别为蓝色、绿色和红色的蛋白石光子晶体。进一步将平均粒径分别为310nm、355 nm和451 nm的PS微球组装成规整有序的蛋白石光子晶体,以其为模板,灌装SnO2前驱体,高温煅烧获得了形貌规整、平均孔径分别为213 nm、242nm和315nm的SnO2反蛋白石光子晶体,对应的结构色分别为蓝色、绿色和红色。基于SnO2反蛋白石光子晶体连续贯穿孔的结构特性,分别灌装聚乙二醇(PEG)、脂肪醇基热变色相变体系(FA-TC-PCS),构建了热响应变色的PEG/SnO2和FA-TC-PCS/SnO2反蛋白石光子晶体结构色体系。在PEG/SnO2热响应变色体系中,PEG在热驱动下经球晶与液相的转变,实现光散射与光透射的光路控制,即在晶态下PEG对光的散射作用将下层结构色隐藏,而熔融态时对光良好的透射作用使下层结构色显示,实现体系的热响应性能。在FA-TC-PCS/SnO2热响应变色体系中,FA-TC-PCS通过热敏染料的有色/无色转变,实现体系对可见光的吸收与透过控制,即结晶态时由染料分子产生的光吸收作用将结构色隐藏,而熔融态时与PEG类似,对光良好的透过作用使结构色显示。基于上述体系的热响应性,构建了图案化的光子晶体结构,实现了结构色图案的热响应显示与隐藏。利用原位碳或铁离子掺杂,赋予SnO2反蛋白石光子晶体背景光自吸收功能,屏蔽杂色干扰,有效提高了 SnO2反蛋白石光子晶体结构色的颜色饱和度。进一步将弹性聚二甲基硅氧烷(PDMS)填充于上述SnO2反蛋白石光子晶体中,构建了颜色饱和度高、可拉伸的复合结构色膜,显著提高了结构色材料的韧性。
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