PS-PMMA薄膜结构生色的性能研究

图3-13（d）为20000倍放大，进一步揭示了粒子间的紧密接触和局部六方对称堆积的特征，所标出的区域清晰呈现出了六角对称排列，表明PS-PMMA结构色薄膜具备有典型的胶体晶体结构。由这些图像中可以看出，粒子之间几乎无明显空隙，呈现六方堆积（HCP）或者面向立方（FCC）结构，这种自组装有序排列在滴涂法过程中是由溶剂蒸发诱导的毛细力驱动所形成。在一个或多个方向上具有周期性折射率调制的介质结构被称为光子晶体，可以对特定的排列的光转播产生强烈的调控，进而产生了光子带隙效应。PS-PMMA结构色薄膜中胶体粒子排列具有明确的周期性，其周期约为粒子直径。371nm的PS-PMMA纳米粒子已接近可见光波长尺度，这正是形成结构色的前提。同时PS和PMMA之间存在一定折射率差异，使得整体结构在微观上呈现周期性折射率分布，为布拉格衍射及光子晶体带隙效应提供了必要的条件。因此可以确定，该结构为典型的三维胶体光子晶体（3Dcolloidalphotoniccrystal）。图3-SEQ图3-\*ARABIC13不同放大倍数下371nmPS-PMMA结构色薄膜的SEM图（a)尺标为400nm下的PS-PMMA结构色薄膜的SEM图（b）尺标为1μm下的PS-PMMA结构色薄膜的SEM图（c）尺标为2μm下的PS-PMMA结构色薄膜的SEM图（d）尺标为4μm下的PS-PMMA结构色薄膜的SEM图本章小节本章围绕PS-PMMA纳米微球的制备及其结构色薄膜性能展开了系统研究。首先通过调控苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯的比例，实现了不同粒径PS-PMMA微球的合成。实验结果表明，苯乙烯浓度的升高会显著增加粒径，而MMA浓度的增加则有助于减小微球粒径，显示出MMA对微球成核与稳定性的重要调控作用。同时，MMA含量的升高也有助于提高体系固含量，说明其聚合效率较高。（1）在结构分析方面，SEM图像清晰展示了PS-PMMA纳米粒子的球形结构及良好的分散性，无明显团聚，粒径分布集中，为后续形成光子晶体结构提供了形貌基础。FT-IR分析验证了PS和PMMA在粒子中均成功共聚，具有典型的官能团特征，进一步支持了合成体系的有效性。激光粒度分布测试也表明微球分布呈单峰型，表明粒子分散均匀。（2）在不同基底（玻璃板、黑纸、黑布）上利用滴涂法和重力沉降法制备结构色薄膜，分析结构色薄膜色彩呈现及光学性能。通过观察结果显示，结构色与粒径呈明显的红移关系，反射峰由蓝向红移动，符合布拉格衍射理论。基底对结构色表达具有显著影响：玻璃基底的颜色最为鲜明，黑色基底因其吸光特性导致色彩饱和度降低。色差与反射率分析进一步揭示了粒径与颜色表现之间的关联。粒径越小，反射波长越短，颜色偏冷，色差值也因基底吸光能力不同而发生较大波动。透过率测试表明，较小粒径的薄膜具有更高的光学透过性，而大粒径薄膜由于多重散射作用透过率下降。（3）利用SEM对371nm粒径PS-PMMA结构色薄膜进行微观结构观察，发现其具备典型三维光子晶体的六角密排结构，有序排列构成周期性折射率分布，从而实现结构色的形成。咖啡环效应、小粒子二次沉积等现象在显微图中也得到了验证。本章从粒子的合成到薄膜性能，再到微观结构表征与生色机理，构建了一个完整的研究闭环。结论与展望结论本研究以PS和PMMA为基础材料，通过无皂乳液聚合法合成了多种粒径的PS-PMMA纳米粒子，并将其应用于结构色薄膜的结构与性能研究。研究结果从粒子的合成、薄膜的制备与表征、微结构分析及生色机理三个方面展开。（1）PS-PMMA纳米粒子的合成研究本研究利用无皂乳液聚合法去合成不同粒径的PS-PMMA纳米粒子，反应的时候加入0.13g过硫酸钾作为引发剂，整个反应过程都在氮气的保护下开展，聚合时所采用温度为70℃，所采用的搅拌速度为800rpm/min，反应时间设定成8小时。通过改变苯乙烯以及甲基丙烯酸甲酯的比例，得到了三种粒径各有差别的纳米粒子，若采用14g苯乙烯与6g甲基丙烯酸甲酯，得到粒径为371nm；采用14g苯乙烯与2g甲基丙烯酸甲酯时，得出粒径为402nm；若采用21g苯乙烯与1g甲基丙烯酸甲酯时，粒径结果是467nm。实验结果说明，苯乙烯用量渐次增加后，甲基丙烯酸甲酯用量进一步增加后，苯乙烯难溶于水，添加完成后粒子数量缩减，但每个粒子接纳的单体数量变多，因而粒子变得更粗大，甲基丙烯酸甲酯呈现出较强亲水性，比较容易在水中形成晶核，造就更多的微粒，各个粒子的体积减小。（2）PS-PMMA结构色薄膜的制备与光学性能研究在玻璃板、黑纸以及黑布三种基底上制备了结构色薄膜，采用的方式是滴涂法和重力沉降法，在玻璃基底之上，颜色最显突出，黑布的颜色最浅，在相同的基底上，不同粒径的薄膜，呈现的颜色也不同，粒径为371nm的薄膜展现出蓝色。粒径为402nm的薄膜展现出绿色或青绿色，粒径为467nm的薄膜展现出红色或粉红色，颜色越往红色偏移，该现象显示颜色变化跟粒径存在关系，反射出来的光波长不一样，于是呈现出不一样的颜色。（3）结构色薄膜微观结构分析与生色机理探讨采用SEM观察薄膜表面构造，发现PS-PMMA粒子排列大体整齐，某些区域呈现六角形的排列样式，这样排列格局说明薄膜形成了三维光子晶体结构。光子晶体结构可操控光的传播方向与反射的波长，鉴于粒子的排列存在一定周期性，再者PS与PMMA的折射率不一致，整个结构于特定波长的情况下反射光，以此形成结构色。实验当中观察到的颜色改变与光子晶体的结构特性相匹配，说明颜色的根源和这种微观排列结构紧密相关，本研究既合成了粒径可控的PS-PMMA纳米粒子，还做出了带有明显结构色的薄膜，而且验证了该颜色是出自光子晶体结构。展望本研究初步实现了PS-PMMA结构色薄膜的可控制备和性能分析，但仍有进一步优化的空间。后续工作中可以引入高折射率材料如TiO₂或ZnO，构建复合结构增强颜色表现和光学调控能力。同时还可以加入响应型材料，有希望实现温度、湿度或光照变化下的动态结构色调控，拓展PS-PMMA结构色薄膜在智能显示与防伪等领域的应用前景。除此以外，还需要优化薄膜成膜工艺，提升结构完整性和重复性，减少裂纹和瑕疵。参考文献肖彬,陈夫山,孟尧.结构色材料用于纺织印染领域的研究进展[J].高分子材料科学与工程,2022,38(01):182-190.KinoshitaS,YoshiokaS.Structuralcolorsinnature:theroleofregularityandirregularityinthestructure[J].Chemphyschem,2010,6(8):1442-1459.王晓辉,刘国金,邵建中.纺织品仿生结构生色[J].纺织学报,2021,42(12):1-14.Al-MuntaserAA,AlzahraniE,AsnagGM,etal.Tailoringstructural,optical,anddielectricpropertiesofPVC/PMMA/PS/ZnOnanocompositesforcapacitiveenergystorageapplications[J].ECSJournalofSolidStateScienceandTechnology,2025,14(3):033001.HashimA,AbbasB.Recentreviewonpoly-methylmethacrylate(PMMA)-polystyrene(PS)blenddopedwithnanoparticlesformodernapplications[J].ResearchJournalofAgricultureandBiologicalSciences,2019,14(3):6-12.AlZaidyGA.Boostingoftheopticalproperties,andelectricalconductivityofpolymethylmethacrylate(PMMA)/polystyrene(PS)blendwithzincoxidenanoparticlesforhigh-performanceenergystoragedevices[J].JournalofInorganicandOrganometallicPolymersandMaterials,2024,34(11):5301-5312.FreyerP,WiltsBD,StavengaDG.Reflectionsoniridescentneckandbreastfeathersofthepeacock,Pavocristatus[J].JournaloftheRoyalSocietyInterfaceFocus,2019,9(1):20180043.ChenJX,ZhangXM,OkabeY,etal.Beetleelytronplateandthesynergisticmechanismofatrabecular-honeycombcorestructure[J].ScienceChinaTechnologicalSciences,2019,62:87-93.ChenF,HuangY,LiR,etal.Bio-inspiredstructuralcolorsandtheirapplications[J].ChemicalCommunications,2021,57(99):13448-13464.崔宏滨,李永平,段开敏.光学[M].北京:科学出版社,2008.贾彦荣.基于薄膜干涉的SiO2/PEI、ZnO/PSS及SiO2/ZnO复合膜的结构色研究[D].浙江：浙江理工大学,2015.ShevtsovaE,HanssonC,JanzenDH,etal.Stablestructuralcolorpatternsdisplayedontransparentinsectwings[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2011,108(2):668-673.YasudaT,NishikawaK,FurukawaS.StructuralcolorsfromTiO2/SiO2multilayerflakespreparedbysol–gelprocess[J].DyesandPigments,2012,92(3):1122-1125.朱小威,邢铁玲.结构生色纺织品的研究进展[J].纺织科学与工程学报,2020,37(04):66-72.拿骚R,NassauR.颜色的物理与化学:颜色的15种起源[M].科学出版社,1991.ParkerAR,HegedusZ.Diffractiveopticsinspiders[J].JournalofOpticsA:PureandAppliedOptics,2003,5(4):S111.ParkerAR.DiscoveryoffunctionaliridescenceanditscoevolutionwitheyesinthephylogenyofOstracoda(Crustacea)[J].ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon.SeriesB:BiologicalSciences,1995,262(1365):349-355.

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