单分散纳米微球的合成及胶体光子晶体薄膜的制备

摘要

光子晶体是一种介电常数或折射率期性有序排列的材料。当电磁波的频率落在带隙中，则不能在其中传播。普通的半导体晶体中有能隙和电子能带，光子晶体也有类似于半导体晶体一样的特性，它也有光子能带和能隙。当光的频率落在光子带隙范围内，则这种频率的光不能在光子晶体中传播。由于光子晶体这种特殊的光学性质，使得它在很多方面具有广阔的应用前景，所以光子晶体也越来越受到多科学家关注。自从光子晶体的概念被提出来之后，各种不同波段的一维和二维的光子晶体被不断的制造出来，但是从应用的前景来说，可见光波段的三维光子晶体才是人们真正感兴趣的。 用单分散纳米微球在乳液中自组装形成三维胶体晶体密堆积结构，这种结构有良好的长程有序性。本论文主要研究了用无皂乳液法制备单分散二氧化硅(SiO2)纳米微球、单分散交联聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米微球和单分散聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸乙酯(P(MMA-EA)）纳米微球。并且运用这三种单分散纳米微球制备了不同的胶体晶体薄膜。主要内容有如下几个方面: (1)用无水乙醇为溶剂，正硅酸四乙酯为硅源，浓氨水为催化剂制备了单分散二氧化硅纳米微球。合成粒径在200nm-300nm的单分散二氧化硅纳米微球，以此为前提，先讨论了反应温度、氨水浓度、引发剂和单体的浓度、溶剂的种类对微球粒径的影响;后讨论了制备二氧化硅胶体晶体薄膜的一些影响因素:温度、二氧化硅纳米微球粒径、SiO2微球的体积分数和溶剂挥发速度。 (2)在沸水体系中运用无皂乳液聚合法合成单分散交联PMMA纳米微球。讨论了单体的浓度、助稳定剂的浓度和引发剂的浓度对交联PMMA纳米微球粒径的影响。还进一步研究了交联剂的浓度对交联PMMA交联度的影响。用提拉法制备了交联PMMA胶体晶体薄膜，并探讨了提拉速度、薄膜的干燥方式、溶剂的种类和交联PMMA纳米微球粒径对胶体晶体薄膜的影响。 (3)运用无皂乳液合成法制备单分散P(MMA-EA)纳米微球。通过改变单体甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乙酯的体积比，单体的浓度做了一系列实验，确定了制备P(MMA-EA)弹性胶体薄膜的最佳值。这种薄膜在干燥的状态是透明的，用水浸泡过程中，随着时间的增长，光子禁带波长增大。改变单体的总浓度可以制备出不同颜色的胶体晶体薄膜。选择颜色明亮的薄膜做拉伸实验，在拉伸过程中可以观察和检测到薄膜的颜色和反射光谱都会发生变化。这一特殊的力学和光学特点，为弹性胶体晶体薄膜在应力传感器中的应用提供了依据。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 单分散聚合物微粒的制备

1．1．1 乳液聚合法

1．1．2 无皂乳液聚合法

1．1．3 分散聚合法

1．2 光子晶体

1．2．1 光子晶体的概念

1．2．2 光子晶体的分类

1．2．3 光子晶体的特征

1．2．4 光子晶体的应用

1．3 胶体光子晶体

1．3．1 胶体晶体的概念

1．3．2 胶体晶体的应用

1．3．3 胶体晶体的制备方法

1．4 本论文的研究内容

参考文献

第二章 二氧化硅单分散纳米微球和胶体晶体薄膜的制备

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品和仪器

2．2．2 实验步骤

2．2．3 反应机理

2．2．4 二氧化硅胶体晶体薄膜的制备过程

2．3 结果与讨论

2．3．1 研究二氧化硅纳米微球单分散性的不同表征

2．3．2 影响胶体晶体二氧化硅纳米微球的因素

2．4 二氧化硅胶体晶体薄膜形成的机理和不同因素的讨论

2．5 二氧化硅胶体晶体薄膜制备过程中的影响因素

2．5．1 温度对二氧化硅胶体晶体薄膜质量的影响

2．5．2 影响二氧化硅胶体晶体薄膜颜色的因素

2．5．3 影响二氧化硅胶体晶体薄膜厚度的因素

2．6 结论

参考文献

第三章 单分散交联聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球和胶体晶体薄膜的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂和仪器

3．2．2 单分散交联PMMA微球的合成

3．2．3 机械提拉法制备胶体晶体薄膜

3．3 结果与讨论

3．3．1 对交联PMMA纳米微球粒径大小的控制

3．3．2 DVB对交联PMMA胶体晶体交联度的影响

3．3．3 浸渍-提拉法制备交联PMMA胶体晶体薄膜

3．3．4 交联PMMA纳米微球粒径的大小对薄膜颜色的影响

3．5 小结

参考文献

第四章 单分散P(MMA-EA)共聚物微球的制备与性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 单分散P(MMA-EA)微球的制备

4．2．3 自支撑弹性胶体晶体薄膜的制备和拉伸示意图

4．3 结果与讨论

4．3．1 探究单体EA与MMA的体积比对单分散P(MMA-EA)纳米微球的影响

4．3．2 弹性胶体晶体膜的显色机理研究

4．3．3 薄膜浸泡不同时间对应的反射光谱变化

4．3．4 探究不同单体浓度对薄膜颜色的影响

4．3．5 P(MMA-EA)弹性胶体晶体薄膜机械拉伸性能的研究

4．4 小结

参考文献

第五章 结论

硕士期间发表的文章

致谢

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