CN109932760B

CN109932760B - 一种透明胶体光子晶体膜的制备方法

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Publication number: CN109932760B
Application number: CN201910261944.7A
Authority: CN
Inventors: 陈诚; 朱志刚; 王校辉; 董志强; 仇艳菲
Original assignee: Shanghai Polytechnic University
Current assignee: Shanghai Polytechnic University
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: CN109932760A

Abstract

本发明公布了一种透明胶体光子晶体膜的制备方法，包括：步骤1：将单分散胶体微球在二甲基亚砜(DMSO)中透析，得到质量分数为8‑15％的胶体微球悬浮液；步骤2：在90～105℃下N₂氛围中将聚合物粉末在DMSO中溶解，冷却，得到质量分数为5‑10％的透明聚合物溶液；步骤3：将步骤1的悬浮液与步骤2的聚合物溶液以体积比1:(1～2)混合；步骤4：将步骤3得到的混合物滴涂在基板上，加热，形成薄膜；步骤5：在上述薄膜上加盖石英玻璃片，溶剂自然蒸发，得到胶体光子晶体膜。本发明的方法以聚合物膜稳定胶体微球阵列，透光性好，稳定性好，能有效地衍射特定波长的电磁波，且通过改变胶体微球的尺寸可将光子带隙从紫外区域调整到可见区域，可应用于屏蔽或滤色材料。

Description

一种透明胶体光子晶体膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光子晶体的制备方法，具体地，涉及一种作为透明胶体光子晶体膜制备方法。

背景技术

光子晶体的概念是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出来的，光子晶体是由两种或两种以上介电常数(折射率)的介质周期性排列而成的人工微晶体。

光子晶体最基本的光学特征是具有光子禁带(PBG)，也被称为光子带隙，光子带隙的存在使得光波的传播产生了新的行为和特征。光子带隙分为完全光子带隙和不完全光子带隙，光在各个方向上均有带隙的称为完全光子带隙，只在部分方向上产生带隙的称为不完全光子带隙。由于在光子带隙中态密度为零，因此频率落在光子带隙内的电磁波无法传播。根据光子晶体的这一特性，可以选择性地调控不同波长的电磁波的传播，目前，光子晶体在波导、光纤、环境检测、传感器检测、光电子学领域具有广泛的应用。光子晶体对于电磁波的屏蔽属于物理阻隔，具有环保节能的优势，例如，利用PBG在紫外波段的光子晶体涂层可有效实现对紫外线的隔离。

基于胶体微粒的胶体晶体(CCA)是光子晶体材料中的一种，它是由单分散聚合物、金属或无机非金属微粒自组装形成的紧密堆积或非紧密堆积的面心立方(FCC)结构。调节胶体微粒的尺寸可以获得PBG在不同频率的CCA材料，可分别实现对紫外、可见、红外区域电磁波反射、屏蔽的效果。但是，由于CCA组装体属于介稳态结构，微粒之间没有结合力，容易被破坏，传统的CCA涂层很难长久保持稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有高反射率，可应用于滤色、屏蔽领域的光子晶体膜的制备方法，方法简便，以聚合物膜稳定胶体微球阵列，透光性好，稳定性好，制得的光子晶体膜厚度低，可克服现有技术的稳定性差、单色性差等问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种透明胶体光子晶体膜的制备方法包括：

步骤1：将单分散胶体微球在二甲基亚砜(DMSO)中透析，得到质量分数为8～15％的胶体微球悬浮液；

步骤2：在90～105℃下N₂氛围中将聚合物粉末在DMSO中溶解2h，冷却，得到质量分数为5～10％的透明聚合物溶液；

步骤3：将步骤1得到的悬浮液与步骤2得到的聚合物溶液以体积比1:(1～2)混合；

步骤4：将步骤3得到的混合物滴涂在基板上，加热使微球在热力作用下组装成规整结构(如紧密堆积的FCC面心立方结构)，并且附着于基板表面，形成薄膜；

步骤5：在薄膜上加盖石英玻璃片，以使薄膜表面致密、厚度均一，溶剂自然蒸发后得到胶体光子晶体膜。该步骤的干燥需保持外界环境稳定，不然膜会有裂纹。

上述透明胶体光子晶体膜的制备方法，其中，步骤1所述的单分散的胶体微球为粒径均一的聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球或二氧化硅胶体微球等中的任意一种。相应的，所述的光子晶体阵列悬浮液即为单分散的胶体微球悬浮液，如聚苯乙烯悬浮液、聚甲基丙烯酸甲酯悬浮液、二氧化硅悬浮液等。

上述透明胶体光子晶体膜的制备方法，其中，步骤1所述的单分散的胶体微球，其粒径为100～400nm。

上述透明胶体光子晶体膜的制备方法，其中，步骤2所述的聚合物，可以是聚乙烯醇(PVA)，聚乙二醇(PEG)，聚氯乙烯(PVC)的一种或几种混合。

上述透明胶体光子晶体膜的制备方法，其中，步骤4中，加热的条件为：80℃的烘箱中15min，使聚合物牢固附着于基板表面，且微球在热力下组装，形成薄膜，加热时间太短不易成膜，加热时间过长则膜容易干裂。

上述透明胶体光子晶体膜的制备方法，其中，步骤4所述的基板，可以是石英玻璃片、普通玻璃片、塑料、金属的任意一种。

本发明提供的透明胶体光子晶体膜的制备方法具有以下优点：

本发明提供了一种厚度低至7μm(厚度低保证了膜的高透光性)的透明胶体光子晶体膜的方法，制备方法简便；制备的薄膜厚度低，有较高透明度，可牢固附着于基板表面，利用聚合物的附着性，可以将微球阵列附着于玻璃等基体材料表面，而单一的微球组装晶体无法做到，比传统胶体微球组装的光子晶体稳定性高。且本发明制备的光子晶体膜对特定波长的电磁波有较高反射率。此外，通过改变胶体微球的尺寸可以将光子带隙从紫外区域调整到可见区域，可应用于屏蔽或滤色材料。

附图说明

图1为本发明的实施例1-3制备的光子晶体膜的照片。

图2为本发明的实施例2制备的光子晶体膜的扫描电镜照片。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

本发明提供的透明胶体光子晶体膜的制备方法，包含以下步骤。

步骤1，将单分散的胶体微球分散在二甲基亚砜(DMSO)中，配制成按质量百分比计浓度为8～15％的悬浮液，透析去除杂质。所述的透析是指将悬浮液装入截止分子量为8000～10000的透析袋，以纯净DMSO溶剂透析，去除杂质小分子。该单分散的胶体微球的粒径为100～400nm。单分散的胶体微球为聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球或二氧化硅胶体微球等中的任意一种。相应的，悬浮液即为单分散的胶体微球悬浮液，如聚苯乙烯悬浮液、聚甲基丙烯酸甲酯悬浮液、二氧化硅悬浮液等；

步骤2，在90～105℃下N₂氛围中将聚合物粉末在DMSO中溶解2h，冷却至25℃后得到质量分数为5～10％的透明聚合物溶液。其中，聚合物可以是聚乙烯醇(PVA)，聚乙二醇(PEG)，聚氯乙烯(PVC)的任意一种或几种混合；

步骤3，常温下，将步骤1得到的悬浮液与步骤2得到的聚合物溶液以体积比1:(1～2)混合；

步骤4，常温下，将步骤3得到的混合物滴涂在基板上，并将其置于80℃的烘箱中静置15min；

步骤5，将步骤4得到的样品盖上石英玻璃片固定，溶剂自然蒸发后得到胶体光子晶体膜。

本发明的采用的单分散聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球通过将甲基丙烯酸甲酯经乳液聚合法制备，也可以市购；单分散聚苯乙烯胶体微球来自通过将苯乙烯经乳液聚合法制备，也可以市购；聚乙烯醇1799购自国药试剂公司；聚乙二醇6000购自国药试剂公司。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。

实施例1

步骤1：将粒径为102nm的单分散聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球分散在二甲基亚砜(DMSO)中，得到质量分数为10％的聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球悬浮液，透析去除杂质；

步骤2：在100℃下N₂氛围中将聚乙烯醇1799粉末在DMSO中溶解2h，冷却后得到质量分数为5％的透明聚乙烯醇溶液；

步骤3：将步骤1得到的悬浮液与步骤2得到的聚乙烯醇溶液以体积比1:1混合；

步骤4：将步骤3得到的混合物滴涂在石英玻璃片上，并将其置于80℃的烘箱中15min，使微球在热力作用下组装成规整结构，并且使薄膜附着于基板表面；

步骤5：将步骤4得到的样品盖上石英玻璃片固定，溶剂自然蒸发后得到胶体光子晶体膜，如图1所示。

所得聚乙烯醇-聚甲基丙烯酸甲酯光子晶体膜无色透明，厚度约7μm，透光率87％，其光子带隙为258nm，可屏蔽短波段紫外光。

实施例2

用粒径为150nm的单分散聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球取代实施例1步骤1中的粒径为102nm的单分散聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球，其余重复实施例1中的步骤1～步骤6，同样的方法得到的胶体光子晶体膜，如图1所示，无色透明，厚度约7μm，透光率85％，其光子带隙为371nm，可屏蔽长波段紫外光，对UV365的屏蔽率达78.89％。本实施例制备的胶体光子晶体膜的扫描电镜图片图如2所示，微球自组装成规整结构，利用聚合物的附着性，将微球阵列附着于基体表面。

实施例3

用粒径为220nm的单分散聚苯乙烯胶体微球取代实施例1步骤1中的粒径为102nm的单分散聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球，用聚乙二醇6000粉末取代实施例1步骤2中的聚乙烯醇1799，其余重复实施例1中的步骤1～步骤6，同样的方法得到的胶体光子晶体膜，如图1所示，呈现绿色，厚度约7μm，透光率58％，其光子带隙为552nm，可屏蔽绿色光。

综上所述，本发明提供的一种胶体光子晶体膜的制备方法，采用聚合物薄膜作为光子晶体阵列的载体，经微球组装和膜附着，使原本介稳态晶体阵列具有更好的稳定性，克服了现有技术存在的光子晶体膜强度低、单色性差等问题，该光子晶体能牢固附着于基板表面，能够广泛应用于滤色、紫外屏蔽等领域。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种透明胶体光子晶体膜的制备方法，其特征在于，该方法包含：

步骤1，将单分散的胶体微球分散在DMSO中，配制成按质量百分比计浓度为8～15％的悬浮液，透析去除杂质；

步骤2，在90～105℃下N₂氛围中将聚合物粉末在DMSO中溶解，冷却，得到质量分数为5～10％的透明聚合物溶液；

步骤3，将步骤1得到的悬浮液与步骤2得到的聚合物溶液以体积比1:(1～2)混合；

步骤4，将步骤3得到的混合物滴涂在基板上，加热使微球在热力作用下组装，形成薄膜；

步骤5，在所述薄膜上加盖石英玻璃片，溶剂自然蒸发后得到胶体光子晶体膜；

所述的单分散的胶体微球为粒径均一的聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球或二氧化硅胶体微球中的任意一种。

2.如权利要求1所述的透明胶体光子晶体膜的制备方法，其特征在于，步骤1所述的单分散的胶体微球的粒径为100～400nm。

3.如权利要求1所述的透明胶体光子晶体膜的制备方法，其特征在于，步骤1所述的DMSO纯度大于99％。

4.如权利要求1所述的透明胶体光子晶体膜的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的聚合物选自聚乙烯醇、聚乙二醇及聚氯乙烯中的任意一种或任意两种以上的混合物。

5.如权利要求1所述的透明胶体光子晶体膜的制备方法，其特征在于，步骤4中，加热的条件为：80℃的烘箱中15min。

6.如权利要求1所述的透明胶体光子晶体膜的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述的基板选择玻璃片、塑料片、金属片的任意一种。