CN1136954C - 一种具有三维有序结构的胶体晶体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及胶体晶体的制备具体是指具有三维有序结构的胶体晶体的制备方法。它首先将表面带电荷量为0.6～60μC/cm2、粒径为0.05～1微米的精制后的单分散乳胶微球加水制备成的分散体。然后将电解质加入分散体中，调节分散体的离子强度至2微摩尔/升～100毫摩尔/升。最后蒸发分散体中的溶剂，即可获得空间具有三维有序结构的胶体晶体。本制备方法极其简便，可以直接采用无皂乳液聚合得到的胶体体系制备胶体晶体，而无需纯化处理等精制过程，显著降低了制备成本。该方法不仅可以得到具有高度有序排列的六方密堆积结构的胶体晶体，还可以得到类似体心立方结构的胶体晶体，扩大了胶体晶体的应用范围。

Description

一种具有三维有序结构的胶体晶体的制备方法
技术领域
本发明涉及胶体晶体的制备，具体是指具有体心立方结构和六方密堆积结构的胶体晶体的制备方法。
背景技术
分散在胶体体系中或者以固体形式存在的胶体晶体，由于其具有尺度在亚微米～微米范围内的三维有序结构，可以对紫外一可见光一红外范围的电磁波产生布拉格衍射，这种性质使胶体晶体具有众多的用途。例如作为光学器件，用于光开关、光限幅器、光学计算等；作为光子晶体，用于小型微波天线反射器、单模发光二级管、小型激光谐振腔等。
美国专利4,803,688公开了一种制备胶体晶体的方法，该方法先后用透析和离子交换的方法处理含有胶体微球的分散体，使其中的自由离子的含量降到很低的水平，然后将分散体静止，令其中的胶体微球排列成有序的晶格结构。美国专利5,139,611也公布了类似的制备方法。但这种悬浮在液体中的胶体晶体的制备过程较复杂且得到的胶体晶体极易受到外界的干扰(如震动、杂质等)而失去其有序结构。
美国专利6,187,599公布了一种制备固体胶体晶体的方法，该方法先制备悬浮在分散体中的胶体晶体，然后将水溶性单体和光引发剂加入分散体中，经引发聚合后在胶体晶体的周围形成凝胶，从而将胶体晶体的各点阵固定到凝胶中。这种方法虽然解决了胶体晶体的稳定性问题，但采用凝胶固定的方法增加的胶体晶体制备的复杂性且凝胶本身的机械强度和模量都较低，容易使晶体变形而失去有序结构。
美国专利6,123,845公开了制备固体胶体晶体的多种方法，但这些方法都需要涉及除去分散体中的自由离子的过程，因此制备过程较为烦琐。
技术内容
本发明的目的在于提供一种简便的制备具有体心立方结构和六方密堆积结构的胶体晶体的方法。
本发明的目的可以通过如下措施来达到：
一种具有三维有序结构的胶体晶体的制备方法，它包括以下步骤：
(1)备料
按下列组分及其纯干物料重量百分比备料：
单分散乳胶微球               5％～40％
水                           59.9％～95％
电解质                       0.00002％～1％
单分散乳胶微球是指苯乙烯类聚合物微球、丙烯酸甲酯类聚合物微球、甲基丙烯酸甲酯类聚合物微球、硅微球、二氧化硅微球、氧化铝微球以及含氟聚合物微球中的任意一种经常规方法精制后的微球，其表面带电荷量为0.6～60μC/cm2，粒径为0.05～1微米，其中可优选聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅和三氧化二铝微球中的任意一种精制微球。
电解质是指无机盐和有机盐类，其中可优选氯化钠或乙酸钠。
(2)分散体的制备
按备料配方将单分散乳胶微球加入水中，在搅拌条件下或超声波的作用下使其均匀分散，即得分散体。
(3)按备料配方将电解质加入由步骤(2)得到的分散体中，以调节分散体中的离子强度，其调节范围为2微摩尔/升～100毫摩尔/升；将分散体的离子强度调节到2微摩尔/升～50毫摩尔/升可制备得到具有体心立方结构的胶体晶体；将分散体的离子强度调节到20毫摩尔/升～100毫摩尔/升可制备得到具有六方密堆积结构的胶体晶体。
(4)蒸发分散体中的溶剂，获得空间上三维有序结构的胶体晶体。
本发明还可直接采用无皂乳液聚合得到的单分散乳胶微球胶体体系，加入电解质调节离子强度至2微摩尔/升～100毫摩尔/升制备三维有序结构的胶体晶体。
本发明与现有技术相比具有如下突出的优点：
1.首次利用调节胶体体系离子强度的方法获得有序排列的胶体晶
  体，过程极其简便。
2.可以直接使用通过常规的无皂乳液聚合得到的胶体体系，而无需
  对胶体微球进行精制处理，显著降低了制备成本。
3.可以得到固体形态的具有类似体心立方结构的胶体晶体，增加了
  固体胶体晶体的应用范围。
具体实施方式
通过实施如下实施例对本发明作进一步详述：
实施例1
以水为分散介质，苯乙烯和苯乙烯磺酸钠为单体，过硫酸钾和亚硫酸氢钠为引发剂，通过常规的无皂乳液聚合，得到含有表面电荷量为60μC/cm2、粒径为230纳米的单分散乳胶微球。将乳胶微球加入水中，并在超声波的作用下使其均匀分散，配成按干纯乳胶微球的重量百分含量为5％、体积为1升的分散体。
将1ml 0.002摩尔/升的氯化钠溶液(含1.17×10-4g氯化钠)加入1升上述分散体中，将分散体中的离子强度调节到2.0微摩尔/升。
用红外灯照射胶体体系，蒸发分散体中的溶剂，即获得空间上有序排列的、具有体心立方结构胶体晶体。
实施例2
以水为分散介质，甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸钠为单体，过硫酸钾为引发剂，通过无皂乳液聚合，得到含有表面电荷量为29μC/cm2、粒径为125纳米的单分散乳胶微球，将乳胶微球加入水中，并搅拌均匀，配成按干纯乳胶微球的重量百分含量为10％、体积为1升的分散体。
将0.0117g氯化钠加入1升上述分散体中，将分散体中的离子强度调节到200微摩尔/升。
用红外灯照射胶体体系，蒸发分散体中的溶剂，即获得空间上有序排列的、具有体心立方结构的胶体晶体。
实施例3
将利用溶胶-凝胶法获得的含有单分散的、粒径为56nm的表面带7.6μC/cm2电荷的二氧化硅微球的胶体液经透析处理，再向其中加入混合床离子交换树酯，5小时后分离出离子交换树酯，获得精制的乳胶微球。将乳胶微球加入水中，在超声波的作用下使其均匀分散，配成按干纯乳胶微球的重量百分含量为20％、体积为1升的分散体。
将0.58g氯化钠加入1升上述分散体中，将分散体中的离子强度调节到10毫摩尔/升。
通过底部加热，蒸发分散体中的溶剂，即获得空间上有序排列的、具有体心立方结构胶体晶体。
实施例4
将市售的含有单分散的、粒径为680nm的表面带2.3μC/cm2电荷的三氧化二铝微球的胶体液经透析处理，再向其中加入混合床离子交换树酯，4小时后分离出离子交换树酯，获得精制的乳胶微球。然后将乳胶微球加入去离子水中，搅拌均匀，配成按干纯乳胶微球的重量百分含量为30％、体积为1升的分散体。
将1.16g的氯化钠加入1升上述分散体中，将分散体中的离子强度调节到20毫摩尔/升。
在烘箱中加热并蒸发分散体中的溶剂，即获得空间上有序排列的、具有六方密堆积结构胶体晶体。
实施例5
将市售的含有单分散的、粒径为1.0μm的表面带0.6μC/cm2电荷的二氧化硅微球的胶体液经透析处理，再向其中加入混合床离子交换树酯，4小时后分离出离子交换树酯，获得精制的乳胶微球。然后讲乳胶微球加入到去离子中，搅拌均匀，配成按干纯乳胶微球的重量百分含量为40％、体积为1升的分散体。
将5.8g乙酸钠加入1升上述分散体中，将分散体中的离子强度调节到100毫摩尔/升。
在烘箱中加热并蒸发分散体中的溶剂，即获得空间上有序排列的、具有六方密堆积结构胶体晶体。

Claims (5)

1、一种具有三维有序结构的胶体晶体的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)备料
按下列组分及其纯干物料重量百分比备料：
单分散乳胶微球              5％～40％
水                          59.9％～95％
电解质                      0.00002％～1％
单分散乳胶微球是指苯乙烯类聚合物微球、丙烯酸甲酯类聚合物微球、甲基丙烯酸甲酯类聚合物微球、硅微球、二氧化硅微球、氧化铝微球以及含氟聚合物微球中的任意一种精制后的微球，其表面带电荷量为0.6～60μC/cm2，粒径为0.05～1微米；
电解质是指无机盐或有机盐类；
(2)分散体的制备
按备料配方将单分散乳胶微球加入水中，均匀分散，即得分散体；
(3)按备料配方将电解质加入由步骤(2)得到的分散体中，以调节分散体中的离子强度，其调节范围为2微摩尔/升～100毫摩尔/升；
(4)蒸发分散体中的溶剂，获得空间上具有三维有序结构的胶体晶体。
2、根据权利要求1所述的一种具有三维有序结构的胶体晶体的制备方法，其特征在于可直接采用无皂乳液聚合得到的单分散乳胶微球胶体体系。
3、根据权利要求1所述的一种具有三维有序结构的胶体晶体的制备方法，其特征在于将分散体的离子强度调节到2微摩尔/升～50毫摩尔/升制备得到具有体心立方结构的胶体晶体；将分散体的离子强度调节到20毫摩尔/升～100毫摩尔/升制备得到具有六方密堆积结构的胶体晶体。
4、根据权利要求1所述的一种具有三维有序结构的胶体晶体的制备方法，其特征在于单分散乳胶微球选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅和三氧化二铝微球中的任意一种精制微球。
5、根据权利要求1所述的一种具有三维有序结构的胶体晶体的制备方法，其特征在于选用氯化钠或乙酸钠作为电解质。
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