CN102336434B

CN102336434B - 一种二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法

Info

Publication number: CN102336434B
Application number: CN 201110259772
Authority: CN
Inventors: 彭同江; 王充; 段涛
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: CN102336434A

Abstract

本发明公开了一种二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法，其步骤为：1）用无皂乳液聚合法，以PS单体为原料制备PS微球，并将其分散于乙醇溶液中成PS微球分散液；2）利用步骤1）的PS微球分散液，在恒温恒湿条件下，用垂直沉积法沉积制得蛋白石结构的PS模板；3）配制四氯化钛的盐酸溶液，将步骤2）制得的PS模板垂直浸入四氯化钛盐酸溶液中并加热至70～90℃，在恒温状态下，PS模板上缓慢填充水合氧化钛，3～5小时后取出；4）将经步骤3）处理的PS模板置于室温下干燥，再经高温处理30分钟，得到所述TiO₂反蛋白石结构有序大孔材料。与现有技术相比，制备出的材料均匀、有序度高、含杂质少，制备过程简单，有益于推广实施。

Description

一种二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法；属于有序孔结构材料和光子晶体材料技术领域。

背景技术

反蛋白石结构是一大类可望实现完全光子带隙的结构。这种结构只要所填充材料的折射率跟周边的介质（空气）的比值达到一定的数值时，其周期性对称的结构即可出现完全光子带隙，而且这种结构有序的大孔材料，具有密度小、比表面积大、可控改造性好的特点，在光子晶体、光电材料、催化剂载体、分子筛等领域应用非常广泛，它几乎涉及光子信息产业及新材料产业的各个领域。如利用光子晶体禁带的存在可以制出高效率低损耗反射镜、光子晶体微谐振腔、高效率发光二极管和低域值激光振荡器、宽带带阻滤波器和极窄带选滤波器、非线性光子晶体器件、光子晶体天线、光子晶体波导等。二氧化钛的折射率可以达到2.6，因此二氧化钛反蛋白石有序大孔材料是具有高性能的光子晶体材料。而制备中气孔有序度的下降以及二氧化钛材料中杂质的增多都会对材料的光学性能造成很大影响。

传统制备二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料均采用溶胶凝胶法，即先制备出二氧化钛溶胶，再将其填充至模板的空隙中。如《化学学报》2006年13(64)：1389-1392公开的一篇 “胶体模板法制备有序大孔TiO₂ 材料” 的文章中以单分散的聚甲基丙烯酸甲酯微球为胶体模板，采用钛酸丁酯、水、乙醇、盐酸等配成的混合溶胶填充在微球间间隙，经水解形成凝胶，然后通过煅烧除去模板，可得有序二氧化钛有序大孔材料。该方法的缺陷之一是提高空隙填充率的难度大，而且要反复多次浸入填充；其次由于这种方法在制备溶胶的过程中会引入大量的有机杂质，在煅烧处理时会引起材料结构的不均一，因此会导致材料的有序度下降。

另外，还有将二氧化钛纳米颗粒直接填入空隙的方法，参见《科学通报》2003年第13期公开的一篇“二氧化钛反蛋白石薄膜的制备及其在化学传感器中的应用”的文章，在PMMA蛋白石光子晶体模板的空隙里填充15nm二氧化钛纳米颗粒经500℃的处理除去PMMA膜板，制备出二氧化钛反蛋白石光子晶体膜。这种方法同样要反复填充多次，而且制备过程复杂。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的有序度低、材料中杂质多、制备过程复杂等问题，本发明的目的是提供一种有序度高、杂质含量少、制备方法简单的二氧化钛反蛋白石有序大孔材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法，包括步骤如下：

1）采用无皂乳液聚合法，以聚苯乙烯单体为原料制备PS微球；再将PS微球分散于浓度为30%的乙醇溶液中配制成PS微球分散液；

2）利用垂直沉积法在不同材料的基片上组装制得蛋白石结构的PS模板；

3）配制浓度为0.8mol/L～1.2mol/L的四氯化钛盐酸溶液，将步骤2）的PS模板垂直浸入其中并加热至70～90℃，在恒温状态下，在PS模板上缓慢填充水合氧化钛，3～5小时后取出；

4）将经步骤3）处理过的PS模板置于室温下干燥3个小时，再经高温处理30分钟后，得到所述二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料。

上述步骤1）的无皂乳液聚合法的具体步骤如下：A.）取100ml去离子水加入到250ml的烧瓶中，通入氮气30min，清除瓶中空气后，将该烧瓶放入恒温槽内，缓慢加温至60℃，保持恒温10min；B）向恒温状态下的烧瓶中加入苯乙烯5~12ml，再加温至70℃，保持恒温5min；C）向恒温70℃的苯乙烯溶液中分别注入含过二硫酸钾为0.2g的水溶液10ml和作为表面改性剂的

甲基丙烯酸1.2g，在氮气保护下充分反应24h后得到PS微球原分散液； D）将步骤C）制得的PS微球原分散液放入一离心管内，先经离心机进行离心洗涤20～30min，然后取出，再放入超声机内进行超声清洗30min； E）重复步骤D）2～3次，得到所述PS微球；取所述PS微球5～12ml配制所述的PS微球分散液待用。

上述步骤2）中垂直沉积法的具体步骤为：F）取基片进行亲水处理；G）将步骤1）得到的PS微球分散液装入烧杯且摇匀后，放入超声波清洗器中实施超声分散10min，得到PS微球超声分散液；该PS微球超声分散液的体积浓度为0.05%～0.10%； H）取步骤F）亲水处理过的基片垂直放入步骤G）的PS微球超声分散液中，将该烧杯置于真空干燥箱内，控制该真空干燥箱的温度恒定在60℃～70℃、湿度恒定在90%～95%；所述基片在PS微球超声分散液中垂直沉积24~48h；然后，将其加热至80℃～90℃，老化3-12小时后由真空干燥箱内取出。

步骤F）中的基片可以选用载玻片、云母片或单晶硅片中的任一种。

上述步骤3）中的四氯化钛盐酸溶液中的四氯化钛含量为1.2mol/L盐酸浓度为2mol/L～5mol/L。

上述步骤4）中选用可耐1000℃高温的高温炉，其高温处理的温度设定在400～600℃。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：1）本发明采用无皂乳液聚合法制备的基底材料PS（聚苯乙烯）微球，可以通过控制PS单体用量来控制PS微球粒径的大小，从而控制反蛋白石结构有序大孔材料中气孔的大小。因此，可以根据不同需要，在不同材料的基片上生长出具有不同光学性能的有序大孔材料。2）本发明在形成的蛋白石结构PS微球模板垂直浸入四氯化钛的盐酸溶液后的加热过程中，随着温度和pH值的升高会使四氯化钛不断水解，因此水合氧化钛会沿垂直的蛋白石结构PS微球模板均匀生长，在整个过程中未引入任何杂质，其均匀性好、有序度高、杂质少。3）解决了现有技术中二氧化钛溶胶和填充至模板空隙的工序分别进行，空隙填充率难以提高、需经反复填充多次、无法避免杂质的进入，而且制备过程复杂的缺陷，有利于推广实施。

附图说明

图1为蛋白石结构PS微球模板的扫描电镜图像。

图2为现有技术中PMMA模板扫描电镜图像。

图3为二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料表面扫描电镜图像。

图4为二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料剖面扫描电镜图像。

图5为现有技术中二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料扫描电镜图像。

具体实施方式

本发明的二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法，利用垂直沉积法组装出的蛋白石结构PS（聚苯乙烯）微球模板，采用了高折射率、高光学性能的二氧化钛作为填充空隙的材料，在PS微球模板中的空隙中均匀、致密的填满了二氧化钛。然后通过加热、煅烧，使PS微球挥发以除去模板，得到二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料。

其具体步骤如下：

1）采用无皂乳液聚合法，以聚苯乙烯为单体制备粒径均匀，单分散性好的PS（聚苯乙烯）微球；无皂乳液聚合法的步骤如下：A.）取100ml去离子水加入到250ml的烧瓶中，通入氮气30min以去除瓶中的空气；然后将烧瓶放入恒温槽内，缓慢加温至60℃，保持恒温10min；B）向60℃恒温的烧瓶中加入苯乙烯5~12ml，再加温至70℃，保持恒温5min；C）向恒温70℃的苯乙烯溶液中分别注入含过二硫酸钾为0.2g的水溶液10ml和作为表面改性剂的MAA（甲基丙烯酸）1.2g，在氮气保护下充分反应24h后得到PS微球原分散液；D）将步骤C）制得的PS微球原分散液放入一离心管内，先放入离心机内进行离心洗涤20～30min；取出后，再放入超声波清洗器内进行超声清洗30min；E）重复步骤D）2～3次，得到PS微球；取PS微球5～12ml分散于浓度为30%的乙醇溶液中配制成PS微球分散液待用；

具体步骤为：F）取基片进行亲水处理；基片可选用载玻片、云母片或单晶硅片中的任一种；G）将步骤1）得到的PS微球分散液装入烧杯且摇匀后，放入超声波清洗器中实施超声分散10min，得到PS微球超声分散液；该PS微球超声分散液的体积浓度为0.05%～0.10%；H）取步骤F）亲水处理过的基片垂直放入步骤G）的PS微球超声分散液中，将该烧杯置于真空干燥箱内，控制该真空干燥箱的温度恒定在60℃～70℃、湿度恒定在90%～95%；所述基片在PS微球超声分散液中垂直沉积24~48h；随着时间的增长，PS微球超声分散液中的溶剂会蒸发，液面下降沉积后，得到沉积好蛋白石结构的PS微球模板；再将其加热至80℃～90℃后，老化至少5小时后由真空干燥箱内取出；

3）配制浓度为0.8mol/L～1.2mol/L的四氯化钛盐酸溶液，四氯化钛盐酸溶液中四氯化钛含量为1.2mol/L，盐酸的浓度为2mol/L～5mol/L；将步骤2）制得的PS微球模板垂直浸入四氯化钛盐酸溶液中并加热至70～90℃，在70～90℃的恒温状态下，PS微球模板上缓慢填充进水合氧化钛，3～5小时后取出；

4）将经步骤3）制备的PS微球模板置于室温下干燥3小时后，送入可耐1000℃高温的高温炉内，在400～600℃的高温下处理30分钟，得到所述二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料。

如图1所示，本发明方法制备的蛋白石结构PS微球模板，通过扫描电镜图像可以看出，利用本发明方法制备的PS微球模板与图2中PMMA模板相比较，其结构排列紧密，有序度好。

如图3、图4所示，利用本发明方法制备的二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的表面扫描电镜图像和剖面扫描电镜图像中看出，本发明制备的二氧化钛反蛋白石结构与图5的反蛋白石结构二氧化钛相比，填充均匀，有序度好，结构均一。

以下结合具体实例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

实例1：

本发明的方法操作步骤如下：

步骤1）：采用无皂乳液聚合法，以聚苯乙烯单体为原料制备PS微球；

具体步骤为：A）取100ml去离子水加入到250ml的四颈烧瓶中，通入氮气（N₂）30min，以除去瓶中空气。然后放入恒温槽内，缓慢加温至60℃，保持恒温10min；B）向步骤A）恒温状态下的烧瓶中加入苯乙烯6ml；再升温至70℃，保持恒温5min，C）向恒温70℃的苯乙烯溶液中分别注入用作引发剂的含过二硫酸钾为0.2g的水溶液10ml和作为表面改性剂的MAA（

甲基丙烯酸）1.2g，在氮气保护下充分反应24h后，得到PS微球原分散液；D）将步骤C）制得的PS微球原分散液放入一离心管内，先放入离心机内进行离心洗涤20min；取出后，再放入超声波清洗器内进行超声清洗30min；E）重复步骤D）2次，得到PS微球；

取PS微球5ml分散于浓度为30%的乙醇溶液中配制成PS微球分散液待用；

步骤2）：利用垂直沉积法在不同材料的基底基片上组装制得蛋白石结构的PS模板；

具体步骤为：F）取载玻片进行亲水处理；亲水处理的步骤为：将载玻片浸入体积比为3:1的浓硫酸与双氧水的混合液中10min；再将载玻片放入体积比为1:2:5的浓氨水、双氧水与去离子水的混合液中超声清洗5min；最后再将载玻片浸入体积比为1:2:7的浓盐酸、双氧水与去离子水的混合液中5min后，用去离子水清洗2～3次，晾干备用；G）将步骤1）得到的PS微球分散液装入烧杯且摇匀后，放入超声波清洗器中实施超声分散10min，得到PS微球超声分散液；该PS微球超声分散液的体积浓度为0.05%；H）取步骤F）亲水处理过的载玻片垂直放入步骤G）装有PS微球超声分散液的烧杯中，将该烧杯置于真空干燥箱内，控制该真空干燥箱的温度恒定在60℃、湿度恒定在90%；载玻片在PS微球超声分散液中垂直沉积24h；随着时间的增长，PS微球超声分散液中的溶剂会蒸发，液面下降沉积后，得到沉积好蛋白石结构的PS微球模板；再将其加热至80℃后，老化6小时后由真空干燥箱内取出。

所用的真空干燥箱采用上海一恒科技有限公司生产，型号为DZF-6050的真空干燥箱。

步骤3）：配制浓度为0.8mol/L的四氯化钛盐酸溶液；将制得的蛋白石结构的PS微球模板垂直浸入其中并加热至70℃，在该PS微球模板上缓慢填充水合氧化钛，3小时后取出；所用的盐酸为2mol/L浓度的盐酸水溶液；整个过程中要保持四氯化钛的盐酸溶液温度恒定在70℃；

步骤4）：将经步骤3）处理过的蛋白石结构PS微球模板在室温下干燥，然后置于耐1000℃高温的高温炉中，在400℃下煅烧30分钟取出；制备得到二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料。

实例2：

本实例的操作基本与实例1相同，其不同点在于：

步骤1）中，向A）步骤恒温状态下的烧瓶中加入苯乙烯12ml；D）步骤中离心洗涤时间为20min；取出后，再放入超声波清洗器内进行超声清洗30min；E）重复步骤D）3次，得到所述的PS微球；取PS微球12ml分散于浓度为30%的乙醇溶液中配制成PS微球分散液待用；

步骤2）中所用的基片选用云母片，云母片的亲水处理步骤F）同实例1；采用垂直沉积法组装PS微球时，步骤G）中烧杯内的PS微球体积浓度为0.08％；步骤H）真空干燥箱内的恒温为70℃，湿度为90%；亲水处理过的云母片在PS微球分散液中垂直沉积24h后，得到沉积好的蛋白石结构的PS模板；再将该PS模板加热至85℃，老化9小时后由真空干燥箱内取出。

步骤3）：配制浓度为1.0mol/L的四氯化钛盐酸溶液；将制得的蛋白石结构的PS微球模板垂直浸入其中并加热至80℃，在PS模板上缓慢填充水合氧化钛，5小时后取出；所用的盐酸的浓度为含2mol/L的盐酸水溶液；整个过程中要保持四氯化钛的盐酸溶液温度恒定在60℃；

步骤4）：高温炉中的煅烧温度为400℃，在其高温下处理30分钟。

实例3：

本实例的操作基本与实例1相同，其不同点在于：

步骤1）中，向A）步骤恒温状态下的烧瓶中加入苯乙烯为5ml；D）步骤中离心洗涤时间为20min；取出后，再放入超声波清洗器内进行超声清洗30min；E）重复步骤D）2次，得到所述的PS微球；取PS微球8ml分散于浓度为30%的乙醇溶液中配制成PS微球分散液待用；

步骤2）中所用的基片选用单晶硅片，单晶硅片的亲水处理步骤F）同实例1；采用垂直沉积法组装PS微球时，步骤G）中烧杯内的PS微球体积浓度为0.10％；步骤H）真空干燥箱内的恒温为65℃，湿度为93%；亲水处理过的单晶硅片在PS微球分散液中垂直沉积32h后，得到沉积好的蛋白石结构的PS模板；再将该PS模板加热至90℃，老化12小时后由真空干燥箱内取出。

步骤3）：配制浓度为1.2mol/L的四氯化钛盐酸溶液；将制得的蛋白石结构的PS微球模板垂直浸入其中并加热至90℃，在PS模板上缓慢填充水合氧化钛，5小时后取出；所用的盐酸的浓度为含5mol/L的盐酸水溶液；整个过程中要保持四氯化钛的盐酸溶液温度恒定在90℃；

步骤4）：高温炉中的煅烧温度为500℃，在其高温下处理30分钟。

实例4：

本实例的操作基本与实例1相同，其不同点在于：

步骤1）中，向A）步骤恒温状态下的烧瓶中加入苯乙烯为10ml；D）步骤中离心洗涤时间为20min；取出后，再放入超声波清洗器内进行超声清洗30min；E）重复步骤D）3次，得到所述的PS微球；取PS微球10ml分散于浓度为30%的乙醇溶液中配制成PS微球分散液待用；

步骤2）中所用的基片选用载玻片，载玻片的亲水处理步骤F）同实例1；采用垂直沉积法组装PS微球时，步骤G）中烧杯内的PS微球体积浓度为0.08％；步骤H）真空干燥箱内的恒温为70℃，湿度为95%；亲水处理过的单晶硅片在PS微球分散液中垂直沉积48h后，得到沉积好的蛋白石结构的PS模板；再将该PS模板加热至90℃，老化3小时后由真空干燥箱内取出。

步骤4）：高温炉中的煅烧温度为600℃。

本发明采用离心洗涤和超声波清洗的工作原理为：

由于物质颗粒在离心场中所受到的离心力（Fc）的大小，决定于颗粒的质量(m)和离心加速度(a)：Fc=ma。

当装有PS微球分散液的离心管放入离心机内，物质颗粒在高速离心力的作用下，会附着于离心管的管壁上；将该离心管由离心机中取出，放入超声波清洗器内进行超声波清洗，使其附着于该管壁的物质颗粒重新落入该离心管内；再进行第二轮的离心洗涤及超声波清洗；经2～3轮的离心洗涤和超声清洗后，制成PS微球；取PS微球5ml～12ml分散于浓度为30%的乙醇溶液中配制成本发明的PS微球分散液。

上述实例中所用的离心机均为由日本HITACHI公司生产的CF16RXⅡ型立式离心机；超声波清洗器为由昆山超声仪器有限公司生产的KQ5200DE型数控超声波清洗器。

Claims

1.一种二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料的制备方法，包括步骤如下：

2）利用垂直沉积法在不同材料的基片上组装制得蛋白石结构的PS微球模板；

3）配制浓度为0.8mol/L～1.2mol/L的四氯化钛盐酸溶液，将步骤2）的PS微球模板垂直浸入其中并加热至70～90℃，在恒温状态下，在PS微球模板上缓慢填充水合氧化钛，3～5小时后取出；

4）将经步骤3）处理过的PS微球模板置于室温下干燥3小时，再经高温处理30分钟后，得到所述二氧化钛反蛋白石结构有序大孔材料；

其中，步骤1）所述无皂乳液聚合法的步骤如下：A）取100mL去离子水加入到250mL的烧瓶中，通入氮气30min，清除瓶中空气后，将该烧瓶放入恒温槽内，缓慢加温至60℃，保持恒温10min；B）向恒温状态下的烧瓶中加入苯乙烯5～12mL，再加温至70℃，保持恒温5min；C）向恒温70℃的苯乙烯溶液中分别注入含过二硫酸钾为0.2g的水溶液10mL和作为表面改性剂的

甲基丙烯酸1.2g，在氮气保护下充分反应24h后得到PS微球原分散液；D）将步骤C）制得的PS微球原分散液放入一离心管内，进行离心洗涤和超声清洗；其中，离心洗涤时间为20～30min，超声清洗时间为30min；E）重复步骤D）2～3次，得到所述PS微球；取所述PS微球5～12mL配制所述的PS微球分散液待用；

步骤2）所述垂直沉积法的步骤为：F）取基片进行亲水处理；G）将步骤1）得到的PS微球分散液装入烧杯且摇匀后，放入超声波清洗器中实施超声分散10min，得到PS微球超声分散液；该PS微球超声分散液的体积浓度为0.05%～0.10%；H）取步骤F）亲水处理过的基片垂直放入所述PS微球超声分散液中，将该烧杯置于真空干燥箱内，在恒温、恒湿的条件下沉积24~48h，再加热至80℃～90℃，老化3～12小时后由真空干燥箱内取出；所述恒温温度为60℃～70℃；恒湿湿度为90%～95%；所述基片为载玻片、云母片或单晶硅片中任一种；

步骤4）所述的高温处理温度为400～600℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3）所述四氯化钛盐酸溶液中四氯化钛含量为1.2mol/L，其中，所用盐酸的浓度为2mol/L～5mol/L。