CN103143303A - 一种宽视角的胶体晶体膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽视角的胶体晶体膜，所述宽视角的胶体晶体膜包括多个结构单元，所述的结构单元为单分散的胶体晶体微球，所述的胶体晶体微球为球形蛋白石结构光子晶体或球形反蛋白石结构的光子晶体，及制备宽视角的胶体晶体膜的方法。通过上述方式，本发明的宽视角胶体晶体膜的颜色不随观察视角的改变而发生变化，具有颜色鲜亮，制备成本低廉等优点。

Description

一种宽视角的胶体晶体膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及胶体晶体领域，特别是涉及一种宽视角的胶体晶体膜及其制备方法。

背景技术

胶体晶体是由一种或多种单分散的胶体颗粒组装形成的具有二维或三维有序结构的一类物质。一般情况下胶体晶体包括类蛋白石结构和狭义的由聚合物胶体粒子自组装形成的胶体晶体结构。胶体晶体中占据每一个晶格点的是一个个胶体颗粒，而不是通常晶体中的分子、原子或离子。由于胶体粒子的长程有序排列使胶体晶体产生了光子禁带。光子禁带遵循布拉格衍射公式，即mλ＝2ndsinθ，其中 m为衍射级数，λ 为衍射波长，n 为胶体晶体的平均折射率，d 为胶体晶体的晶格间距，θ为入射光角度。由此可见，改变构成胶体晶体结构的晶格间距大小、介质的折射率或改变观察的视角都将引起胶体晶体结构色的改变。利用胶体晶体可调控的结构色，其在功能材料，光学器件、仿生、传感等领域都有着广泛的应用。

经过十多年的长足发展，胶体晶体以其独特的光学性能在各个方面都发挥着越来越重要的作用。然而胶体晶体反射峰强烈的角度依赖性虽然在某些功能材料领域体现了其独特魅力，但该特性则严重制约了其显示及传感领域的发展。为了解决胶体晶体观察视角的依赖性，围绕可用于可视化检测的角度无偏的胶体晶体展开了大量的研究工作。如Lee等制备了Fe3O4SiO2的短程有序的准无定形胶体晶体材料，并实现了其在可见波段区角度无偏的全彩调节。Watanabe课题组受自然界中许多生物的纳米结构启发，同样制备了一种角度无偏的具有短程有序结构的胶体晶体。虽然上述材料解决了胶体晶体的视角问题，但是这些材料都采用了牺牲有序性来获得其角度无偏性。在实际应用中，胶体晶体有序性的降低会导致反射峰的变宽以及颜色鲜亮度的下降，而这些均不利于其在显示及传感中应用。而单分散的胶体晶体微球由于其球形对称结构，而表现出角度无偏的特性，并且以胶体晶体微球为模版获得的胶体晶体膜同样展现了其良好的角度无偏性能。这种胶体晶体膜由于其微观结构的高度有序性，因此反射峰型良好，颜色鲜亮。

发明内容

本发明主要解决的是现有胶体晶体角度依赖性的缺点，提供一种以宽视角的胶体晶体膜的制备方法，其颜色鲜亮，角度无偏，制备简单，成本低廉。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种宽视角的胶体晶体膜，所述宽视角的胶体晶体膜包括多个结构单元，所述的结构单元为单分散的胶体晶体微球，所述的胶体晶体微球为球形蛋白石结构光子晶体或球形反蛋白石结构的光子晶体。

在本发明一个较佳实施例中，所述的胶体晶体微球是胶体粒子有序自组装而成，所述胶体粒子的粒径为50 nm-1000 nm。

在本发明一个较佳实施例中，所述的胶体晶体微球为聚苯乙烯、二氧化硅，聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯或聚乙烯中的一种。

在本发明一个较佳实施例中，所述的胶体晶体微球通过胶水、电解质层层自组装的方式吸附成膜。

在本发明一个较佳实施例中，所述宽视角的胶体晶体膜的光子禁带位于200nm-2000nm。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备宽视角的胶体晶体膜的方法，包括以下步骤：

首先，胶体晶体微球的制备：一定浓度的胶体粒子溶液利用微流控装置或直接搅拌的方法使胶体粒子溶液在连续相油相的剪切下乳化成单分散的液滴，通过固化煅烧后获得胶体晶体微球。

将胶体晶体微球通过静电自组装或层层自组装等方法将胶体晶体微球有序排列，形成以球形胶体晶体微球为结构单元的蛋白石结构的胶体晶体膜。

再次，将制得的胶体晶体微球进行亲水处理后加入水凝胶前聚体溶液中，加入引发剂，灌入模具，将胶体晶体微球铺成均匀的薄膜，经紫外光照射聚合或烘箱内通过热固化法对水凝胶前聚体溶液进行固化，即得球形蛋白石结构的胶体晶体凝胶膜。

再次，将所得到的胶体晶体凝胶膜从模具上剥落，洗涤后置于碱性腐蚀溶液中去除胶体晶体微球模版，即得球形反蛋白石结构的胶体晶体凝胶膜。

在本发明一个较佳实施例中，所述的水凝胶前聚体是丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、海藻酸钙、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、琼脂糖、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体粒子溶液的浓度为10%～80%。

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体晶体微球的粒径为1μm-1000μm。

本发明的有益效果是：本发明以胶体晶体微球为结构单元，通过吸附或凝胶固定等方法制备的宽视角的胶体晶体膜，从各个方向观察颜色相同，结构色鲜亮，不受观察视角的限制，极大地减小了观察视角的差异，制备成本低廉，简单高效。

附图说明

图1是本发明宽视角的胶体晶体膜及其制备方法的示意图；

附图中各部件的标记如下：1、胶体晶体微球；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例提供如下技术方案

在一个实施例中，一种宽视角的胶体晶体膜，所述宽视角的胶体晶体膜包括多个结构单元，所述的结构单元为单分散的胶体晶体微球1，所述的胶体晶体微球1为球形蛋白石结构光子晶体或球形反蛋白石结构的光子晶体；

优选的，所述的胶体晶体微球1是胶体粒子有序自组装而成，所述胶体粒子的粒径为50 nm-1000 nm。

优选的，所述的胶体晶体微球1为聚苯乙烯、二氧化硅，聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯或聚乙烯中的一种。

优选的，所述的胶体晶体微球1通过胶水、电解质层层自组装的方式吸附成膜。

优选的，所述宽视角的胶体晶体膜的光子禁带位于200nm-2000nm。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备宽视角的胶体晶体膜的方法，包括以下步骤：

首先，胶体晶体微球1的制备：一定浓度的胶体粒子溶液利用微流控装置或直接搅拌的方法使胶体粒子溶液在连续相油相的剪切下乳化成单分散的液滴，通过固化煅烧后获得胶体晶体微球1。

将胶体晶体微球1通过静电自组装或层层自组装等方法将胶体晶体微球1有序排列，形成以球形胶体晶体微球1为结构单元的蛋白石结构的胶体晶体膜。

再次，将制得的胶体晶体微球1进行亲水处理后加入水凝胶前聚体溶液中，加入引发剂，灌入模具，将胶体晶体微球1铺成均匀的薄膜，经紫外光照射聚合或烘箱内通过热固化法对水凝胶前聚体溶液进行固化，即得球形蛋白石结构的胶体晶体凝胶膜。

再次，将所得到的胶体晶体凝胶膜从模具上剥落，洗涤后置于碱性腐蚀溶液中去除胶体晶体微球1模版，即得球形反蛋白石结构的胶体晶体凝胶膜。

优选的，所述的水凝胶前聚体是丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、海藻酸钙、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、琼脂糖、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种。

优选的，所述胶体粒子溶液的浓度为10%～80%。

优选的，所述胶体晶体微球1的粒径为1μm-1000μm。

实施例1    球形蛋白石结构的宽视角的胶体晶体凝胶膜的制备

1 、制备胶体晶体微球1

将单分散的280 nm的二氧化硅胶体粒子进行离心纯化，调节胶体粒子溶液中胶体纳米粒子的质量百分数为20%，超声分散后作为微流控中的水相。外相采用为含有表面活性剂的正十六烷。收集产生的液滴，待其加热固化后，放入马弗炉内进行800℃煅烧以提高微球的稳定性。

2、 凝胶固定制备宽视角的胶体晶体膜

将制备所得的胶体晶体微球1用等离子体亲水处理3 min后，加入含有光引发剂1173(0.1%，质量体积比)的丙烯酰胺与甲叉双丙烯酰胺的混合溶液中(29:1，摩尔比)，充分浸泡后，灌入模具，经高压汞灯照射15min聚合。

将聚合后的胶体晶体凝胶薄膜从模具上剥落，充分洗涤后即得球形蛋白石结构的宽视角的胶体晶体凝胶膜。

实施例2 球形反蛋白石结构的宽视角的胶体晶体凝胶膜的制备

1 、制备胶体晶体微球1

将单分散的200 nm的二氧化硅胶体粒子进行离心纯化，调节胶体粒子溶液中胶体纳米粒子的质量百分数为35%，超声分散后作为微流控中的水相。外相为含有表面活性剂的硅油。收集产生的液滴，待其加热固化、洗涤后，放入马弗炉内进行800℃煅烧以提高微球的稳定性。

2 、凝胶固定制备宽视角的胶体晶体膜

将制备所得的胶体晶体微球1用等浓硫酸双氧水（7:3）亲水处理过夜后，加入含有光引发剂HMPP(1%，质量体积比)的15%的聚乙二醇双丙烯酸酯溶液中，，充分浸泡后，灌入模具，经高压汞灯照射1 min聚合。

将聚合后的胶体晶体凝胶薄膜从模具上剥落，充分洗涤后洗涤后置于4%的HF溶液中4 h，即得球形反蛋白石结构的宽视角的胶体晶体凝胶膜。

实施例3 宽视角的琼脂糖胶体晶体凝胶膜的制备

1 、制备胶体晶体凝胶微球

将单分散的180 nm的聚苯乙烯胶体粒子进行离心纯化，调节胶体粒子溶液中胶体纳米粒子的质量百分数为30%，超声分散后作为水相。以含有表面活性剂的正十六烷为油相，通过直接搅拌法乳化成液滴，待其加热固化、洗涤后，放入马弗炉内进行800℃煅烧以提高微球的稳定性。

2 、吸附法制备宽视角的胶体晶体膜

将制备所得的胶体晶体微球1用等离子体亲水处理4 min后，浸泡于一定浓度的琼脂糖凝胶溶液并保持在70℃的水浴中，充分浸泡后，利用胶体晶体微球1间的静电引力自组装，自然冷却至琼脂糖凝胶化，即得宽视角的琼脂糖胶体晶体膜。

实施例4宽视角的海藻酸钙胶体晶体膜的制备

1 、制备胶体晶体凝胶微球

将单分散的310 nm的二氧化硅胶体粒子进行离心纯化，调节胶体粒子溶液中胶体粒子的质量百分数为15%，超声分散后作为微流控中的水相。外相采用为含有表面活性剂的正十六烷。收集产生的液滴，待其加热固化后，放入马弗炉内进行700℃煅烧以提高微球的稳定性。

2 、凝胶固定制备宽视角的胶体晶体凝胶膜

将制备所得的胶体晶体微球1用等离子体亲水处理4 min后，浸泡于一定浓度的海藻酸钠凝胶前聚体溶液中，充分浸泡后，灌入模具，加入足量的2%的CaCl2溶液，静置5 min待其凝胶化。

将聚合后的胶体晶体凝胶薄膜从模具上剥落，置于NaOH溶液中将二氧化硅纳米粒子腐蚀去除，即得宽视角的海藻酸钙胶体晶体凝胶膜。

本发明以胶体晶体微球为结构单元，通过吸附或凝胶固定等方法制备，实现了从各个方向观察颜色相同，结构色鲜亮，不受观察视角的限制，达到了减小了观察视角的差异，制备成本低廉的效果。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种宽视角的胶体晶体膜，其特征在于，所述宽视角的胶体晶体膜包括多个结构单元，所述的结构单元为单分散的胶体晶体微球，所述的胶体晶体微球为球形蛋白石结构光子晶体或球形反蛋白石结构的光子晶体。

2.根据权利要求1所述的宽视角的胶体晶体膜，其特征在于，所述的胶体晶体微球是胶体粒子有序自组装而成，所述胶体粒子的粒径为50 nm-1000 nm。

3.根据权利要求1所述的宽视角的胶体晶体膜，其特征在于，所述的胶体晶体微球为聚苯乙烯、二氧化硅，聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯或聚乙烯中的一种。

4.根据权利要求1所述的宽视角的胶体晶体膜，其特征在于，所述的胶体晶体微球通过胶水、电解质层层自组装的方式吸附成膜。

5.根据权利要求1所述的宽视角的胶体晶体膜，其特征在于，所述宽视角的胶体晶体膜的光子禁带位于200nm-2000nm。

6.一种制备权利要求1-5任一所述宽视角的胶体晶体膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，胶体晶体微球的制备：一定浓度的胶体粒子溶液利用微流控装置或直接搅拌的方法使胶体粒子溶液在连续相油相的剪切下乳化成单分散的液滴，通过固化煅烧后获得胶体晶体微球；

将胶体晶体微球通过静电自组装或层层自组装等方法将胶体晶体微球有序排列，形成以球形胶体晶体微球为结构单元的蛋白石结构的胶体晶体膜；

再次，将制得的胶体晶体微球进行亲水处理后加入水凝胶前聚体溶液中，加入引发剂，灌入模具，将胶体晶体微球铺成均匀的薄膜，经紫外光照射聚合或烘箱内通过热固化法对水凝胶前聚体溶液进行固化，即得球形蛋白石结构的胶体晶体凝胶膜；

再次，将所得到的胶体晶体凝胶膜从模具上剥落，洗涤后置于碱性腐蚀溶液中去除胶体晶体微球模版，即得球形反蛋白石结构的胶体晶体凝胶膜。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的水凝胶前聚体是丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、海藻酸钙、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、琼脂糖、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述胶体粒子溶液的浓度为10%～80%。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述胶体晶体微球的粒径为1μm-1000μm。

Images