单分散聚苯乙烯乳胶粒的制备及胶体光学薄膜光学性的研究

论文总字数：17516字

目 录

目录………………………………………………………………………I

摘要…………………………………………………………………… II

Abstract………………………………………………………………III

1 绪论…………………………………………………………………………………………… 1

1.1 胶体微粒……………………………………………………………………………… 1

1.2 光学薄膜的物理特性………………………………………………………………… 2

1.3 胶体光子晶体的自组装方法………………………………………………………… 3

1.4 本课题的研究内容及意义…………………………………………………………… 5

2 单分散聚苯乙烯乳胶球的制备及表征……………………………………………………… 6

2.1 引言…………………………………………………………………………………… 6

2.2 实验部分……………………………………………………………………………… 6

2.2.1 实验药品……………………………………………………………………… 7

2.2.2 实验仪器……………………………………………………………………… 7

2.2.3 单分散聚苯乙烯乳胶球的制备……………………………………………… 7

2.2.4 测试与表征…………………………………………………………………… 8

2.3 实验结果与讨论……………………………………………………………………… 8

3 聚苯乙烯胶体光学薄膜的制备与光学性能研究…………………………………………… 8

3.1 引言…………………………………………………………………………………… 8

3.2 实验部分………………………………………………………………………………11

3.2.1 实验药品………………………………………………………………………11

3.2.2 实验仪器………………………………………………………………………11

3.2.3 聚苯乙烯乳胶光学薄膜的制备………………………………………………11

3.2.4 测试与分析……………………………………………………………………12

3.3 结果与展望……………………………………………………………………………13

参考文献……………………………………………………………… 14

致谢…………………………………………………………………… 17

单分散聚苯乙烯乳胶粒的制备及 光学薄膜光学性的研究

王弘

，China

Abstract：Nanostructured materials with special structures have potential applications and research interests on coating, photocatalysis, optical communication, and other nano technologies. Photonic crystal is one of them. Photonic crystal can realize band stop filtering entirely on its own structure, which is relatively simple. And it has broad application prospects in microwave circuits, microwave antennas and so on. In this project, we use polystyrene (PS) latex spheres, which are self-synthesized, to prepare optic film- a type of photonic crystal by spin coating on glass surface. Such kind of thin film has pronounced wavelength selectivity. The samples were characterized and analyzed by means of SEM, UV spectrometer. The influence factors of PS microspheres with different concentrations were investigated, so as to better prepare the optical films with smaller wavelength bandwidth.

Key words：PS particles；photonic crystals；optical properties; spin coating method; optic film

1 绪论

1.1 胶体微粒

胶体粒子系统不仅具有广泛的研究内容,而且具有重要的科研地位和实用价值。例如,农业生产所需的肥料在土壤中是胶体的的形式存在;医疗上可以使用高度分散的胶体来进行疾病的检测和治疗;在工业生产中,各种添加剂的使用,纳米材料的制备等等都涉及到胶体的应用。近几年来,单分散胶体粒子和复合胶体粒子的研究和应用越来越受到重视。在单分散胶体颗粒的表面吸附各种基团,例如生物分子,有机分子和无机半导体颗粒,让单分散胶体颗粒具有特殊的性能,被广泛应用于光电、生物、涂料、医疗等领域^[15-19]。

尺寸均匀的单分散胶体微粒体系的研究及其应用是现代胶体科学发展的重要方向之一^[1]。不只是为我们了解和验证各种胶体材料的电学、光学等物理性质提供了样品,还为一些例如结晶模型和分行理论等理论研究提供了理想模型^[2-6]。研究所需的胶体颗粒或微球必须是干净的,且具有良好的单分散性。如常规乳液聚合、种子乳液聚合和分散聚合等一些常用的聚苯乙烯微球的制备方法不能满足人们对科研的要求^[7-10]。无皂乳液聚合法克服了因为聚合物微球吸附残余乳化剂而造成的许多缺点，这种方法在反应过程中完全不添加乳化剂或只添加很少的乳化剂,制备的聚合物微球,尺寸相同,表面电荷高,易于在微球表面吸附各种功能基团^[11-12]。这些功能微球广泛应用于生物医学、生物传感器、固态成像载体等领域^[13-14]。

单分散胶体颗粒可以分成两大类，一类叫做无机胶体粒子，另一类叫做聚合物胶体微粒。其中，通常用沉淀反应来制备无机胶体粒子;用分散聚合聚合和乳液聚合以及这两种方法的衍生方法为主要方法来制备聚合物胶体粒子。与其他方法相比,乳液聚合因为以水作为媒介，有着污染小;聚合速度快、分子量高、设备简单、成本低等优点。随着科学家们对乳液聚合的理论的进一步研究,其制备工艺和技术也在不断的提高,又发明了微乳液聚合、种子乳液聚合、反相乳液聚合和无皂乳液聚合等新方法。下表是几种方法的优劣对比^[20-21]：

表1：各种聚合法的优劣

在反应过程中,当引发剂浓度过低时,反应速度较慢,转化率较低；如果引发剂浓度过高,聚合速度太快，不方便控制,而且引发剂用量也可能会影响聚合物的粒径大小。从图1可以看得出来，当引发剂的含量变大时,聚合物的粒径从349.1nm减小到了263.1nm；并且，在引发剂含量为0.6%时,分散系数处于最低点。当KPS用量增大时聚物自由基的形成率相应增加,越来越多的低聚物和胶束形成加快胶束成核时间,从而减少PS微球的粒径和提高分散性能。当引发剂含量过大时,次级聚合物胶体球的粒径增大,数量会减少,从而导致“两核”的出现,使得整个溶液的粒径分布变得更宽^[7]。

图1：引发剂KPS用量对微球粒径和分散系数的影响

1.2 光学薄膜的物理特性

光学薄膜是一种由相同粒径的粒子自组装而形成的光子晶体，薄膜的晶面间距和粒子的粒径成正比：

（1）

对于不同晶体的不同的结构时，晶距和聚合物粒子的粒径大小之间的函数关系是不一样的。带入布拉格定律得：

（2）

所以，反射光的光波长和聚合物粒子的粒径成正比；和晶体的折射率也成正比。当材料相同差别不大时，胶体粒子的粒径大小的范围将决定着光子晶体的颜色的范围。在光子晶体的理论有了更进一步的研究的基础上光子晶体实验也取得了相对应的进步，因为光子晶体有着十分出色的性能，其在光子晶体滤波器以及一些别的光学仪器上有着十分广泛的应用。其不同粒径PS薄膜垂直方向上的光学反射影像，以及UV光谱仪在5度入射光下所产生的反射图谱可参见图2a-d。

图:2 不同粒径下制备的光学薄膜反射光谱，其对应PS粒径分别为：(a)386nm,(b)345nm,(c)267nm,(d)214nm

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：17516字

相关图片展示：