CN101062982A

CN101062982A - 光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜及其制法和用途

Info

Publication number: CN101062982A
Application number: CN 200610011823
Authority: CN
Inventors: 王京霞; 宋延林; 江雷
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: CN100460450C

Abstract

本发明属于胶体光子晶体膜的应用领域，尤其涉及大尺寸光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜在保温或保暖涂层方面的用途。将单分散大粒径聚合物乳胶粒乳液均匀覆盖在平整基材上，待分散溶剂水挥发后，得到由单分散大粒径聚合物乳胶粒以面心立方堆砌而成的周期性排列有序的三维光子晶体膜。由于所用的单分散聚合物乳胶粒的粒径为2～5μm，本发明所得乳胶光子晶体膜的光子带隙分布在人体热红外辐射波段，6～12μm。乳胶光子晶体膜可用作保温或保暖材料等。

Description

光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜及其制法和用途

技术领域

本发明属于胶体光子晶体膜的应用领域，尤其涉及大尺寸光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜在保温或保暖涂层方面的用途。

背景技术

胶体光子晶体材料以单分散乳胶粒规整排列所形成的周期结构对光的折射或衍射作用实现对光的特殊调控。根据周期排列的尺寸不同，所调控光的波长不同。相应所制备的胶体晶体的应用领域不同。在通常的专利文献中，胶体光子晶体膜主要应用在滤波器(如CN：01105105.1，CN：98110990.X)，光电开光(CN：0310004.4，CN：02160207.7)，光波导(CN：02804125.9，CN：99810798，CN：01132293.4，CN：02811132.X)，光纤(CN：00803964.X，CN：00803960.7，CN：03127694.6)等方面，而很少报道将光子晶体膜应用在涂料领域，尤其是应用保温涂层方面。

本发明基于本发明人在前专利申请(专利申请号：CN：200510011219.2，CN：200510012021.6，CN：200610011452.5，CN：200510012047.0，CN：200510012021.6，CN：200610011451.0)的简单制备单分散乳胶粒，及大面积快速制备可见、紫外、近红外区的胶体光子晶体膜，并将其应用在装饰涂料，预防紫外线的涂层、化妆品及增强光致发光器件、高反射率漫反射膜等方面的基础，制备了光子带隙在中红外区的光子晶体，并尝试应用在保温或保暖涂层方面。

通常的保温材料，主要是对热散失的方式传导、对流、辐射，针对性地进行避免。为了减少热的传导功能，一般在保温层中引入导热系数小的空心材料(CN：02145516.3，CN：02132991.5，CN：02133287.8，CN：90105780)象发泡聚合物，天然无机孔隙材料，如，膨胀珍珠岩，云母粉，细小的陶瓷微粒等，该方法的缺点主要是工艺处理周期长，材料与墙体之间粘结力差，抗冲击能力弱，干燥收缩大等。也有采用反射隔热涂层，将涂层涂装在铝基表面，或选择合适的树脂，金属，取得高发射率涂层，来达到隔热的效果。但该方法成本较高。也有采用辐射隔热涂料(CN：03145447.1)，即通过辐射的方式将吸收的光线和热量散射出去，其关键是制备具有高热发射率的涂料组分，多种金属氧化物，如MnO₂，CO₂O₃，CuO，Fe₂O₃等具有反型尖晶石结构的掺杂型物质具有热发射率高的特点。如上三个方式的共同特点是必须采用具体的特定材料才能实现其所谓的隔热保温功能。

区别于以前的保温或保暖材料的特点，本发明通过采用光子带隙接近人体热红外辐射波段(8～12um)的光子晶体膜作为夹层材料，利用光子晶体的特点，将人体辐射的热红外波阻挡，以起到保暖或保温的效果。同时，该材料采用环保的聚合物材料制备，对人体无危害；该材料具有纳米级的孔隙，可起到透气的作用；该材料成本低，可以大量生产和制备。

发明内容

本发明的目的之一是提供大尺寸光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜，且胶体光子晶体膜成本低廉。

本发明的目的之二是提供光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜的制备方法。

本发明的目的之三是提供光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜的用途，将光子带隙在中红外区域的聚合物胶体光子晶体膜用于工业化生产，尤其应用在保温或保暖涂层方面。

本发明的光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜，是由单分散大粒径聚合物乳胶粒以面心立方堆砌而成的周期性排列有序的三维光子晶体膜，该单分散大粒径聚合物乳胶粒由若干个硬核-软壳结构的乳胶粒在聚合过程中聚并而成；单分散大粒径聚合物乳胶粒的粒径范围为2～5μm，多分散指数小于或等于0.005。

所述的胶体光子晶体膜的光子带隙涉及中红外区的特定波段，主要是与人体温相一致的波段8～12μm。

所述的单分散聚合物乳胶粒可采用专利申请号：200610011452.5所公开的制备方法得到：

将亲水性依次增加的单体1，单体2，单体3混合分散在含有pH缓冲剂和用于调节单分散大粒径聚合物乳胶粒粒径的电解质水溶液中；将所得到的乳液聚合体系在转速为200～500rpm，优选为350rpm的转速下搅拌混合，并加热到65～85℃(优选温度为70℃)，加入引发剂总量3/5的引发剂使反应开始进行，反应2～4.5小时后再加入引发剂总量1/5的引发剂，其余的引发剂在继续反应2～4.5小时后加入，所述的引发剂总用量相当单体总重量的0.5wt％～2wt％，优选为1wt％。反应随后持续1～3小时结束，得到单分散指数小于或等于0.005，粒径范围为2～5μm的单分散大粒径聚合物乳胶粒。随着聚合体系中调节单分散大粒径聚合物乳胶粒粒径的电解质溶液的引入，在聚合初期由均相成核形成的具有硬核-软壳结构的乳胶粒会发生聚并，并且随着电解质溶液引入量的增多，乳胶粒聚并的程度增大，最终得到由若干个硬核-软壳结构的乳胶粒在聚合过程中聚并而形成的单分散大粒径聚合物乳胶粒。

其中，单体1的用量为乳液聚合体系中单体总重量的90～95wt％，单体2为3～6wt％，单体3为0～6wt％，pH缓冲剂在乳液聚合体系中的浓度为0～0.99wt％，电解质在乳液聚合体系中的浓度为0～0.7wt％。

体系的反应时间为5～12小时，优选反应时间为8～10小时。

所述的反应单体为分子中含有至少一个烯键的化合物，其亲水性依次增加，单体1为亲水性较差的反应单体，如苯乙烯、甲基苯乙烯或它们的混合物；而单体2为亲水性相对较好的单体，如丙烯酸酯类、醋酸乙烯酯或它们的混合物等，所述的丙烯酸酯类是甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯或它们的任意混合物；单体3为亲水性很强的水溶性反应单体，如丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯氰或它们的任意混合物。微量水溶性反应单体3的引入是为了增加体系的稳定性。

所述的引发剂是碱金属过硫酸盐、过硫酸铵或它们的混合物。其中引发剂是以水溶液的形式引入到聚合体系中，其溶液浓度为2～5wt％。

所述的碱金属是钾或钠。

所述的调节最终所得乳胶粒的粒径大小的电解质选自氯化钠、氯化钾、氯化钙等中的一种或一种以上的混合物。

所述的pH缓冲剂选自碳酸氢铵、碳酸氢钠、磷酸氢钠等中的一种或一种以上的混合物。

本发明的光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜的制备方法包括以下步骤：

(1)室温下先将单分散大粒径聚合物乳胶粒分散在水中，然后将所得到的单分散大粒径聚合物乳胶粒乳液均匀覆盖在平整基材上，其中单分散大粒径聚合物乳胶粒乳液的浓度为5～30wt％。

(2)常温常压下使步骤(1)分散单分散大粒径聚合物乳胶粒的溶剂水挥发，单分散大粒径聚合物乳胶粒在基材上以面心立方堆砌，且形成周期性排列有序的三维光子晶体膜，当涂膜干燥后，从基材上剥离，可以得到光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜。

所述的单分散大粒径聚合物乳胶粒的单分散指数小于或等于0.005，粒径范围为2～5μm。

所述的基材包括玻璃、硅片、纸张或不锈钢板等。

本发明的光子带隙在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜主要针对中红外区的波段，尤其是接近人体温度的热红外波段具有防辐射功能；应用于保温或保暖材料。

根据胶体光子晶体成膜基材的不同，所得到的聚合物胶体光子晶体膜可以应用在不同基材上。

本发明的光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜与其它材料混合应用于保温或保暖材料。

本发明的胶体光子晶体膜的自组装制备，采用一种简单的方法实现：将一定浓度的单分散大粒径聚合物乳胶粒均匀覆盖在平整基材上，待其中的分散液挥发干后，便形成周期性排列有序的三维光子晶体膜，光子晶体有序程度优良。本发明方法简单易行，所需设备简单，有利于实现光子晶体膜的大规模制备。

本发明是通过利用光子带隙在中红外区的光子晶体对人体辐射的热红外波的防止辐射实现保温效果，该方法成本低，容易实现。

本发明方法制备得到的乳晶膜由于为聚合物膜，在使用过程中对人体无毒害，可广泛应用在保温或保暖材料。

本发明所采用的聚合物光子晶体膜所得到的用于保暖或保温材料具有如下优点：

1)对材料没有特定选择性，采用一般的涂料基材，如苯丙乳液；尤其可根据需要选择对人体无危害的材料；

2)可以有效的实现保温功能。该光子晶体膜利用光子带隙对人体辐射的热红外波的调控，可以有效防止人体温度受外界温度的影响。同时利用膜本身的纳米级孔隙结构有效的防止热传导，并起到透气效果；

3)该方法简单，成本低，容易实现。

以下结合附图并通过实施例对本发明做进一步说明。

附图说明：

图1.本发明实施例1的三维周期性排列长程有序胶乳光子晶体膜的SEM照片(粒径为3μm)。

图2.本发明实施例1的胶体光子晶体膜的反射光谱图，其光子带隙位置涉及人体温辐射的热红外波段6～12μm，其峰位在10～11μm。

图3.本发明实施例2的胶体光子晶体膜的反射光谱图，其光子带隙位置涉及人体温辐射的热红外波段6～12μm，其峰位在8.5μm。

图4.本发明实施例2的胶体光子晶体膜的反射光谱图，其光子带隙位置涉及人体温辐射的热红外波段8～12μm，其峰位在9.0μm。

具体实施方式

实施例1：光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜的制备

在室温下将浓度为5wt％的单分散粒径为3μm的聚(苯乙烯-甲基丙烯酸酯-丙烯酸)三元共聚物乳胶粒乳液，分别均匀覆盖在清洁的玻璃、硅片或不锈钢板基材上，常温(15～30℃)常压下待其中的分散液水分挥发干后，单分散大粒径聚合物乳胶粒在基材上以面心立方堆砌，且形成周期性排列有序的三维光子晶体膜。制备得到的胶体光子晶体膜的光子带隙位置涉及6～12μm(如图2所示)。SEM照片如图1所示。

实施例2：光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜的制备

按照实施例1方法将浓度为30wt％的单分散粒径为2.5μm的聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸)三元共聚物乳胶粒乳液组装成光子晶体膜。制备得到的胶体光子晶体膜的光子带隙位置涉及6～12μm(如图3所示)。

实施例3：光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜的制备

按照实施例1方法将浓度为15wt％的单分散粒径为2.8μm的聚(甲基苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸)三元共聚物乳胶粒乳液组装成光子晶体膜。制备得到的胶体光子晶体膜的光子带隙位置涉及8～12μm(如图4所示)。

实施例4：用作保温涂层的保温材料

将实施例1，2或3制备得到的胶体光子晶体膜粉碎到微米级大小，作为保温涂层材料，该膜可以对接近人体热红外波段防止辐射，从而起到保温或保暖效果。

实施例3：用作防辐射保温涂层

将用实施例1，2或3制备得到胶体光子晶体膜分别从玻璃基材上剥离(用量为10wt％)，粉碎到微米级大小，分别与丙烯酸清漆(60wt％)及一定量乙醇(30wt％)相混合使用，可得到防辐射保温涂层。

Claims

1.一种光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜，其特征是：所述的聚合物胶体光子晶体膜是由单分散大粒径聚合物乳胶粒以面心立方堆砌而成的周期性排列有序的三维光子晶体膜，该单分散大粒径聚合物乳胶粒由若干个硬核-软壳结构的乳胶粒在聚合过程中聚并而成；单分散聚合物乳胶粒的粒径为2～5μm，多分散指数小于或等于0.005。

2.根据权利要求1所述的光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜，其特征是：所述的胶体光子晶体膜的光子带隙涉及中红外区的波段是6～12μm。

3.一种根据权利要求1～2任一项所述的光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜的制备方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

(1)室温下先将单分散大粒径聚合物乳胶粒分散在水中，然后将所得到的单分散大粒径聚合物乳胶粒乳液均匀覆盖在平整基材上，其中单分散大粒径聚合物乳胶粒乳液的浓度为5～30wt％；

(2)常温常压下使步骤(1)分散单分散大粒径聚合物乳胶粒的溶剂水挥发，单分散大粒径聚合物乳胶粒在基材上以面心立方堆砌，且形成周期性排列有序的三维光子晶体膜，当涂膜干燥后，从基材上剥离，得到光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜。

4.一种根据权利要求1～2任一项所述的光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜的用途，其特征是：所述的光子带隙位置在中红外区的聚合物胶体光子晶体膜作为保温或保暖材料使用。