CN100475479C - 非密堆积胶体晶体薄膜的热压制备方法 - Google Patents
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Abstract
非紧密堆积型胶体晶体薄膜的热压制备方法，特别是将非热塑性材料为核而热塑性材料为壳的核壳结构单分散微球组装成紧密堆积型胶体晶体薄膜后进行热压以使壳层材料熔融在一起而核心材料在壳层材料中形成非紧密堆积型胶体晶体。首先通过制备或者购买获得非热塑性材料构成的单分散微球作为核心；其次在非热塑性材料构成的核心单分散微球上包覆热塑性材料以形成热塑性材料为壳而非热塑性材料为核的核壳结构的单分散微球；然后组装核壳结构单分散微球以形成胶体晶体薄膜；热压胶体晶体薄膜以使壳层材料熔融而核心材料在壳层材料中形成非紧密堆积型胶体晶体薄膜；该方法具有设计柔性、选择材料多、处理工艺简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种非紧密堆积型胶体晶体薄膜的热压制备方法，特别是将非热塑性材料为核而热塑性材料为壳的核壳结构的单分散微球组装成紧密堆积型胶体晶体薄膜后进行热压以使壳层材料熔融在一起而核心材料在壳层材料中形成非紧密堆积型胶体晶体。
背景技术
胶体晶体是由单分散的微米或亚微米无机或有机微球(也称胶体微球)形成的具有三维有序结构的一类物质。在自然界二氧化硅微球的有序沉积形成天然的胶体晶体称为蛋白石，因而人们也把非天然的胶体晶体称作合成蛋白石。由于胶体晶体在包括结构色、多孔材料、及由于胶体晶体为光子晶体的一种所导致的其在包括通信、电磁防护等领域的广泛的应用价值，胶体晶体的研究受到了学术界、产业界人士的广泛关注。
在胶体晶体中有一类单分散微球在某种介质中相互间以一定的空间间隔排列成周期排列的三维有序结构称为非紧密堆积型胶体晶体或者光子晶体。由于非紧密堆积型胶体晶体中分散单分散微球的可选介质可以提高胶体晶体的调控性，因而成为胶体晶体的一个研究热点。目前主要有两种方法制备非紧密堆积型胶体晶体：一种通过将单分散微球分散在可以聚合的高分子单体溶液中进行聚合而得到；另外一种通过在紧密堆积型胶体晶体中灌注具伸缩特性的弹性材料后通过拉伸弹性材料从而将紧密堆积的胶体晶体转换为非紧密堆积的胶体晶体。这两种方法均存在一定的优缺点。对于第一种方法将单分散微球分散在某种介质中形成以一定间隔排列的三维有序结构及随后进行的聚合反应均比较困难，目前人们只能在离子浓度极度受限的严苛条件下在含有单体的水溶液选择少量聚合引发剂的环境中进行排列，因而其应用受到一定的限制。而采用紧密堆积型胶体晶体灌注具伸缩性弹性材料的方法由于灌注难度较大及可供选择的具伸缩性材料较少而受到诸多限制。因此，开发新的制备非紧密堆积型胶体晶体的制备方法就成为一件很有意义的事情。
在胶体晶体领域的另外一个研究热点则是核壳结构的单分散微球。由于核壳结构微球的核材料及壳材料可以进行比较自由的选择这就为改善胶体晶体的功能提供了可能。目前在可供选择的单分散微球的核或者壳材料中有许多为热塑性高分子材料如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等。而热塑性高分子材料的一个特点是其方便、廉价的加工特性。这使得热塑性高分子材料走进了千家万户。为此，本发明提出首先制备外壳为热塑性材料的核壳结构单分散微球，然后组装这些核壳结构单分散微球以形成紧密堆积型胶体晶体，最后通过热压方法使得壳层热塑性材料熔融连接在一起而核心微球在在热塑性材料介质中排列成以一定间隔排列的三维有序结构的非紧密堆积型胶体晶体。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种非紧密堆积型胶体晶体薄膜的制备方法，该方法能够拓展现有非紧密堆积型胶体晶体薄膜的制备方法并为非紧密堆积型胶体晶体薄膜的大规模应用提供可能。
技术方案：本发明的非紧密堆积型胶体晶体薄膜的热压制备方法其特征在于通过如下步骤进行：
A、首先制备或者获得非热塑性材料构成的单分散微球作为核心；
B、其次在非热塑性材料构成的核心单分散微球上包覆热塑性材料以形成热塑性材料为壳而非热塑性材料为核的核壳结构的单分散微球；
C、然后组装核壳结构单分散微球以形成胶体晶体薄膜；
D、热压胶体晶体薄膜以使壳层材料熔融而核心材料在壳层材料中形成非紧密堆积型胶体晶体薄膜；
其中，非热塑性材料包括无机材料及交联高分子材料。
热塑性材料为热塑性高分子材料。
热压可以多次进行。
组装胶体晶体薄膜方法从垂直提拉法、水平推拉法、夹片溶剂挥发法、电泳辅助沉积法、离心沉积法、自然沉降法中选择一种进行；
有益效果：目前主要有两种方法制备非紧密堆积型胶体晶体薄膜：一种通过将单分散微球分散在可以聚合的高分子单体溶液中进行聚合而得到；另外一种通过在紧密堆积型胶体晶体薄膜中灌注具伸缩特性的弹性材料后通过拉伸弹性材料从而将紧密堆积的胶体晶体转换为非紧密堆积的胶体晶体薄膜。这两种方法均存在一定的优缺点。对于第一种方法将单分散微球分散在某种介质中形成以一定间隔排列的三维有序结构及随后进行的聚合反应均比较困难，目前人们只能在离子浓度极度受限的严苛条件下在含有单体的水溶液选择少量聚合引发剂的环境中进行排列，因而其应用受到一定的限制。而采用紧密堆积型胶体晶体薄膜中灌注具伸缩性弹性材料的方法由于灌注难度较大及可供选择的具伸缩性材料较少而受到诸多限制。本发明首先制备非热塑性材料为核而热塑性材料为壳的核壳结构单分散微球，然后组装形成胶体晶体薄膜，然后通过热压使壳层材料熔融而核心材料在壳层材料中形成有一定间隔的非紧密堆积型胶体晶体。由于该核壳结构单分散微球的核心的大小与材料及壳层的大小与材料均可自由选择这就为制备多种规格及多种功能的非紧密堆积型胶体晶体提供了可能。而热塑性材料的加工工艺的方便、廉价也为该种非紧密堆积型胶体晶体的大规模应用提供了可能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
A、单分散二氧化硅的制备：
采取Stober法制备单分散二氧化硅微球。将2.08克正硅酸乙酯与50毫升无水乙醇混合作A液，另外将2.69毫升去离子水与3.85毫升浓氨水及40毫升无水乙醇混合作B液。在室温及剧烈搅拌下将两液混合并反应24小时后离心。去除上清液后加入无水乙醇超声分散后再次离心后重复一遍得到平均粒径为145纳米的单分散二氧化硅微球。将单分散二氧化硅微球分散在含质量百分浓度为1％的γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)无水乙醇溶液中后室温下剧烈搅拌24小时后，离心，去上清液，再次超声分散在无水乙醇中并再次离心去除上清液后得到表面连接有γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的平均粒径约为145纳米的单分散二氧化硅微球。该微球真空干燥备用。
B、二氧化硅为核聚苯乙烯为壳的核壳结构单分散微球的制备：
取上述平均粒径为145纳米的二氧化硅微球1.2克通过超声分散在10毫升无水乙醇中作A液。取0.03克十二烷基磺酸钠及0.24克碳酸氢钠溶解在99毫升水中后加入10毫升重蒸苯乙烯作B液。在剧烈搅拌下将A液与B液混合并通入氮气保护。在升温至80摄氏度时将质量百分浓度为1％的过硫酸钾水溶液1毫升迅速注入上述混合液中并在80摄氏度下反应12小时后离心去除上清液后得到以平均粒径为145纳米的二氧化硅为核壳层为92纳米厚的聚苯乙烯核壳结构单分散微球。用去离子水清洗两次后再次分散在无水乙醇中以形成质量百分浓度为1％的溶液。
C、紧密堆积型胶体晶体薄膜的制备
将两块玻璃片以100微米的间隔平行排列置于上述质量百分浓度为1％的核壳结构单分散微球无水乙醇溶液中并且使得两块玻璃片上方均高于溶液面以帮助微球在玻璃片间的排列。经过7天后同时取出两块玻璃片，并去除两块玻璃片外侧沉积的微球后得到由核壳结构单分散微球形成的紧密堆积型胶体晶体薄膜。
D、非紧密堆积型胶体晶体薄膜的制备
将上述含有胶体晶体的两块玻璃片置于一热台上并施加5MPa的压力，在升温至150摄氏度约10秒后，冷却获得透明的略微泛红的非紧密堆积的胶体晶体薄膜。该薄膜可以作为能够过滤一定波长光波的过滤片使用。
实施例2：
将实施例1中位于两块玻璃片中的非紧密堆积型胶体晶体取出并用一费涅尔透镜模具再次热压可以获得具有滤光作用的费涅尔透镜。
Claims (5)
1、一种非紧密堆积型胶体晶体薄膜的热压制备方法，其特征在于该热压制备方法通过如下步骤进行：
A、首先通过制备或者购买获得非热塑性材料构成的单分散微球作为核心；
B、其次在非热塑性材料构成的核心单分散微球上包覆热塑性材料以形成热塑性材料为壳而非热塑性材料为核的核壳结构的单分散微球；
C、然后组装核壳结构单分散微球以形成胶体晶体薄膜；
D、热压胶体晶体薄膜以使壳层材料熔融而核心材料在壳层材料中形成非紧密堆积型胶体晶体薄膜。
2、如权利要求1所述的非紧密堆积型胶体晶体薄膜的热压制备方法，其特征在于所述的非热塑性材料包括无机材料及交联高分子材料。
3、如权利要求1所述的非紧密堆积型胶体晶体薄膜的热压制备方法，其特征在于所述的热塑性材料为热塑性高分子材料。
4、如权利要求1所述的非紧密堆积型胶体晶体薄膜的热压制备方法，其特征在于所述的热压多次进行。
5、如权利要求1所述的非紧密堆积型胶体晶体薄膜的热压制备方法，其特征在于所述的组装核壳结构单分散微球以形成胶体晶体薄膜的方法是从垂直提拉法、水平推拉法、夹片溶剂挥发法、电泳辅助沉积法、离心沉积法、自然沉降法中选择一种进行。
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