PDMS--SiO2光子弹性体的制备及其性能研究
具有力致变色性能的光子弹性体在防伪、智能穿戴及可视化柔性传感等领域具有广泛的应用前景。目前，力致变色光子弹性体的制备主要以长程有序光子晶体为模板，存在制备周期长、难以大面积制备、结构色具有角度依赖性等问题，不利于实际应用。而非晶光子晶体的制备效率高，结构色无角度依赖性，但由于其结构有序度较低，所制备的光子弹性体无力致变色性能，结构色饱和度也较低。为解决上述问题，本论文首先制备粒径可控的单分散SiO2微球，以此为构筑单元，探索了自组装方法及条件，以快速获得有序度较高的SiO2非晶光子晶体薄膜;然后以SiO2非晶光子晶体薄膜为模板，制备力致变色聚二甲基硅氧烷(PDMS)基光子弹性体，并通过添加黑色聚多巴胺(PDA)来提高光子弹性体结构色饱和度;在此基础上还探讨了在亲水改性PDMS薄膜表面，直接组装SiO2非晶光子晶体薄膜，制备光子弹性体的可行性。论文主要内容如下: (1)SiO2非晶光子晶体薄膜的制备。采用St?ber法，通过控制氨水用量合成了 6种不同粒径SiO2微球。扫描电子显微镜(SEM)和激光粒度分析仪测试表明SiO2微球具有良好的单分散性，平均粒径为208 nm～368 nm。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射分析(XRD)证实SiO2微球成功合成并具有丰富的表面羟基，且为非晶态结构。以SiO2微球为构筑单元，分别采用垂直沉积法、热辅助蒸发法和快速提拉法制备SiO2结构色薄膜，其中快速提拉法制备的薄膜颜色分布均匀，无明显缺陷,且制备效率高。进一步探究了 SiO2浓度、提拉速度和次数对薄膜结构色的影响，分光光度计测试表明:随着SiO2浓度由1wt％增加到10wt％,或提拉次数由10次增加到40次，薄膜的反射峰峰位不变，强度增加，结构色饱和度降低。而随着提拉速度由1 mm/s增加到15 mm/s,薄膜的反射峰强度先增加后基本不变。考虑到制备效率、结构色亮度及饱和度，在制备模板时选择SiO2浓度10wt％,提拉次数30次，提拉速度10mm/s。利用SEM表征6种不同粒径SiO2微球制备的结构色薄膜的微观形貌，分光光度计表征其反射光谱及不同角度下的透射光谱，结果表明薄膜中SiO2微球呈长程无序、短程有序排列，且表面平整，为有序度较高的非晶光子晶体薄膜;随着SiO2粒径增加，光子晶格间距增加，结构色红移，符合布拉格定律;不同角度下透射光谱曲线波谷位置未变化，结构色各向同性。但由于较高的短程结构有序度，薄膜结构色在漫射光下无角度依赖性，在直射光下呈低角度依赖性。 (2)以SiO2非晶光子晶体薄膜为模板，制备PDMS基光子弹性体。通过快速提拉法制备了 SiO2、SiO2@PDA(核壳结构)、SiO2-PDA(PDA掺杂SiO2)非晶光子晶体薄膜，色品分析表明SiO2-PDA薄膜的结构色饱和度最高，所以选择SiO2、SiO2-PDA非晶光子晶体制备PDMS/SiO2和PDMS/SiO2-PDA光子弹性体。然而PDA与基片存在强界面黏附导致PDMS/SiO2-PDA薄膜脱模困难，而PDMS/SiO2薄膜结构色饱和度较低,难以观察出力致变色性能，因此将掺杂PDA的PDMS(PDMS-PDA)涂覆在其表面制备了 PDMS/SiO2/PDMS-PDA薄膜,PDMS-PDA层有效提高了光子弹性体薄膜在拉伸过程中结构色的饱和度。光纤光谱仪测试及裸眼观察表明当拉伸应变为20％时，薄膜呈现明显的结构色，并随着应变的增加不断蓝移。该薄膜具有较好的力学性能，断裂伸长率达140％。 (3)PDMS薄膜表面亲水改性及其光子弹性体的制备。通过表面涂覆PDA以及等离子体处理对PDMS薄膜进行亲水改性。当DA浓度为0.15％(w/v)时，PDMS/PDA薄膜亲水性最好，水接触角为67°。但薄膜表面的亲水均匀性较差，不适合作为基片构筑光子结构;而等离子体处理对PDMS和PDMS-PDA薄膜的亲水改性效果较好,改性后一小时,PDMS薄膜水接触角为26°，PDMS-PDA薄膜水接触角为31°。将改性后的薄膜作为基片，采用快速提拉法制备SiO2非晶光子晶体，获得了明亮的结构色，但以此制备的PDMS/SiO2/PDMS与PDMS-PDA/SiO2/PDMS薄膜都不具有力致变色性能，且在拉伸过程中出现了界面脱粘现象，界面的粘合力有待提高。
光子弹性体;聚二甲基硅氧烷;二氧化硅;非晶光子晶体;制备工艺;力致变色性能
北京化工大学
硕士
材料与化工
吴友平;张继阳
2023
中文
TQ334
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）