CN114130315A - 表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构及其制备方法，该方法包括：(1)将表面活性剂和水凝胶前驱体混合，以便形成凝胶缓释结构；(2)将微纳米颗粒溶液加入水中，以便在水面形成微纳米颗粒层；(3)将所述凝胶缓释结构转移至步骤(2)得到的溶液中，诱导所述微纳米颗粒层聚集，以便在水面上形成微纳米颗粒膜；(4)将步骤(3)得到的所述微纳米颗粒膜转移至基底表面，并且进行吹扫，以便形成微纳米颗粒自组装结构。由此，该方法具有制备速度快、制备出的微纳米颗粒自组装结构的面积大、成本低和制备稳定性高的优点。

Description

表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构及其制备方法

技术领域

本发明属于微纳米颗粒自组装结构技术领域，具体涉及一种表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构及其制备方法。

背景技术

胶体颗粒由于“尺寸效应”等作用使其产生了诸多独特特性。目前，大量的研究者已经广泛制备了各种不同尺寸、结构和特殊性能的胶体颗粒。如何将这些独立的胶体颗粒整合成为特定结构已经成为研究重点。

自组装技术是将胶体颗粒精确地制备成特定结构的简单、高效方法。目前，实现胶体颗粒自组装的方法主要包括体提拉法、对流法、悬涂、界面自组装等。然而对于提拉法、对流法来说，理想的蒸发条件难以得到准确的控制。目前提拉法、蒸发对流自组装仍依赖于缓慢的制备速度，大面积制备仍然存在挑战。对于悬涂法，旋涂过程中沿径向分布的剪切力和离心力各不相同，通常会产生固有的不均匀性和取向性，表现为近旋涂中心处排布密集，远离处排布分散的基本规律。这种固有缺陷也限制了旋涂自组装在制备面积上的进一步突破。对于界面对流自组装，在没有压缩过程的控制下，很难精确的调控颗粒在液气界面的随机扩散过程，因此只能形成小面积完整的自组装结构，有效制备面积通常只能达到几平方厘米。尽管近年来微纳米颗粒自组装已经得到了发展，但是仍然存在制备速度慢，制备面积小，制备精度差等显著问题，这严重限制了该领域的快速发展。

由此，现有的微纳米颗粒自组装结构的制备方法有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构及其制备方法。该方法具有制备速度快、制备出的微纳米颗粒自组装结构的面积大、成本低和制备稳定性高的优点。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构方法，根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)将表面活性剂和水凝胶前驱体混合，以便形成凝胶缓释结构；

(2)将微纳米颗粒溶液加入水中，以便在水面形成微纳米颗粒层；

(3)将所述凝胶缓释结构转移至步骤(2)得到的溶液中，诱导所述微纳米颗粒层聚集，以便在所述水面上形成微纳米颗粒膜；

(4)将步骤(3)得到的所述微纳米颗粒膜转移至基底表面，并且进行吹扫，以便形成微纳米颗粒自组装结构。

根据本发明实施例的表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构方法，通过将表面活性剂和水凝胶前驱体混合，水凝胶前驱体内部会形成三维网状结构，且三维网状结构非常细小，进而表面活性剂封装在凝胶内部，形成凝胶缓释结构。然后将微纳米颗粒溶液加入水中，受表面张力作用，微纳米颗粒在水面会快速铺展形成微纳米颗粒层，然后将凝胶缓释结构转移至表面形成微纳米颗粒层的水中，凝胶缓释结构诱导松散的微纳米颗粒层聚集为微纳米颗粒膜，同时受界面张力梯度的影响，形成的微纳米颗粒膜会远离凝胶缓释结构。最后，将形成微纳米颗粒膜的凝胶缓释结构转移至基底表面，进行吹扫后得到微纳米颗粒自组装结构。由此，该方法具有制备速度快、制备出的微纳米颗粒自组装结构的面积大、成本低和稳定性高的优点。

另外，根据本发明上述实施例的表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述水凝胶前驱体包括丙烯酰胺和聚氨酯中的至少之一。由此，有利于形成凝胶缓释结构。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的至少之一。由此，有利于形成凝胶缓释结构。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述微纳米颗粒的直径为100nm～100μm。由此，有利于形成微纳米颗粒层。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述微纳米颗粒包括二氧化硅颗粒、聚苯乙烯颗粒、金颗粒和银颗粒中的至少之一。由此，有利于形成微纳米颗粒层。

在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，将所述凝胶缓释结构竖直插入到步骤(2)得到的溶液中，其中，所述插入的速度为0.1mm/s～10mm/s。由此，有利于形成微纳米颗粒膜。

在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，所述基底包括硅片、不锈钢片、聚二甲基硅氧烷软膜和聚苯乙烯膜中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，将步骤(3)得到的所述微纳米颗粒膜转移至基底表面采用下列步骤进行：将所述基底置于步骤(3)得到的表面形成微纳米颗粒膜的水的下方，然后倾斜提升所述基底。由此，有利于形成微纳米颗粒自组装结构。

在本发明的一些实施例中，所述提升基底的速度为0.1mm/s～10mm/s。由此，有利于形成微纳米颗粒自组装结构。

在本发明的一些实施例中，所述倾斜的角度不大于45度。由此，有利于形成微纳米颗粒自组装结构。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种微纳米颗粒自组装结构，根据本发明的实施例，所述微纳米颗粒自组装结构采用上述的方法制备得到。由此，制备得到的微纳米颗粒自组装结构具有面积大和稳定性高的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构方法流程示意图；

图2是本发明实施例的封装有十二烷基苯磺酸钠的丙烯酰胺凝胶前驱体的凝胶缓释结构实物图；

图3是本发明实施例的微纳米颗粒自组装结构实物图；

图4是本发明实施例的微纳米颗粒自组装结构电镜图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构方法，根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：

S100：将表面活性剂和水凝胶前驱体混合

该步骤中，将表面活性剂和水凝胶前驱体混合，水凝胶前驱体内部会形成三维网状结构，且三维网状结构非常细小，进而表面活性剂封装在水凝胶前驱体内部，形成凝胶缓释结构。

需要说明的是，上述水凝胶前驱体和表面活性剂的具体类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要选择，例如，水凝胶前驱体包括但不限于丙烯酰胺和聚氨酯中的至少之一，表面活性剂包括但不限于十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的至少之一。

S200：将微纳米颗粒溶液加入水中

该步骤中，将微纳米颗粒溶液加入水中，优选去离子水，受表面张力作用，微纳米颗粒在水面快速铺展形成松散的微纳米颗粒层。

进一步地，上述微纳米颗粒的直径为100nm～100μm。发明人发现，若微纳米颗粒的直径过小，受热力学波动影响明显无法稳定的在液气界面悬浮并形成微纳米颗粒膜，若微纳米颗粒的直径过大，受重力的明显影响，无法形成均一稳定的胶体溶液，且无法稳定的在液气界面悬浮以形成微纳米颗粒膜。

需要说明的是，上述微纳米颗粒包括二氧化硅颗粒、聚苯乙烯颗粒、金颗粒和银颗粒中的至少之一。

S300：将凝胶缓释结构转移至步骤S200得到的溶液中，诱导微纳米颗粒层聚集

该步骤中，将上述步骤S100得到的凝胶缓释结构转移至步骤S200得到的溶液中，具体的，将上述凝胶缓释结构竖直插入到步骤S200得到的溶液中，凝胶缓释结构诱导松散的微纳米颗粒层聚集为微纳米颗粒膜，同时受界面张力梯度的影响，形成的微纳米颗粒膜会远离凝胶缓释结构。

进一步地，上述凝胶缓释结构竖直插入S200得到的溶液的速度为0.1mm/s～10mm/s。发明人发现，若插入的速度过小，临近水面部分水凝胶前驱体中封装的表面活性剂短时间内会完全释放，造成界面张力梯度不稳定和不连续，若插入的速度过大，插入水面部分的水凝胶前驱体内的表面活性剂释放不完全，造成浪费。

S400：将步骤S300得到的微纳米颗粒膜转移至基底表面，并且进行吹扫

该步骤中，将步骤S300得到的微纳米颗粒膜转移至基底表面，并且进行吹扫，以便形成微纳米颗粒自组装结构。具体的，将上述基底置于步骤(3)得到的表面形成微纳米颗粒膜的水的下方，然后倾斜提升所述基底。

需要说明的是，上述基底包括但不限于硅片、不锈钢片、聚二甲基硅氧烷软膜和聚苯乙烯膜中的至少之一。

进一步地，上述提升基底的速度为0.1mm/s～10mm/s。发明人发现，若提升基底的速度过小，则效率低下，并且提升机器不容易实现过小的提升速度，若提升基底的速度过大，过大的剪切力会破坏微纳米颗粒膜的完整性

进一步地，上述倾斜的角度不大于45度。发明人发现，若倾斜的角度过大，过大的剪切力会破坏微纳米颗粒膜的完整性。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种微纳米颗粒自组装结构，根据本发明的实施例，该微纳米颗粒自组装结构采用上述方法制备而成。由此，得到的微纳米颗粒自组装结构具有面积大的优点。需要说明的是，上述针对制备微纳米颗粒自组装结构的方法所描述的特征和优点同样适用于该微纳米颗粒自组装结构，此处不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例

(1)将丙烯酰胺凝胶前驱体与十二烷基苯磺酸钠混合，制备封装有十二烷基苯磺酸钠的凝胶缓释结构(如图2所示)；

(2)选用直径为600nm聚苯乙烯疏水胶体颗粒为自组装单元，将水添加至自组装液池内部，然后将聚苯乙烯疏水纳米颗粒胶体分散液滴加至水中，受表面张力的作用，聚苯乙烯疏水微纳米胶体颗粒在液气界面悬浮并迅速形成大面积紧密排布的松散的微纳米颗粒层；

(3)将步骤(1)得到的凝胶缓释结构以1mm/s的速度竖直插入至步骤(2)得到的溶液中，松散的微纳米颗粒层受界面张力梯度的影响迅速一侧聚集并在水面上形成紧密排列的大面积微纳米颗粒膜；

(4)将硅片置于步骤(3)得到的表面形成微纳米颗粒膜的水的下方，然后倾斜提升硅片，倾斜角度为15度，提升速度为0.5mm/s，最终利用氮气吹扫快速干燥，得到大面积微纳米颗粒自组装结构(如图3所示)，并通过电镜对微纳米颗粒自组装结构进行表征(如图4所示)。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种表面活性剂凝胶诱导的微纳米颗粒自组装结构方法，其特征在于，包括：

(1)将表面活性剂和水凝胶前驱体混合，以便形成凝胶缓释结构；

(2)将微纳米颗粒溶液加入水中，以便在水面形成微纳米颗粒层；

(3)将所述凝胶缓释结构转移至步骤(2)得到的溶液中，诱导所述微纳米颗粒层聚集，以便在所述水面上形成微纳米颗粒膜；

(4)将步骤(3)得到的所述微纳米颗粒膜转移至基底表面，并且进行吹扫，以便形成微纳米颗粒自组装结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述水凝胶前驱体包括丙烯酰胺和聚氨酯中的至少之一。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的至少之一。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述微纳米颗粒的直径为100nm～100μm。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述微纳米颗粒包括二氧化硅颗粒、聚苯乙烯颗粒、金颗粒和银颗粒中的至少之一。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，将所述凝胶缓释结构竖直插入到步骤(2)得到的溶液中，其中，所述插入的速度为0.1mm/s～10mm/s。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述基底包括硅片、不锈钢片、聚二甲基硅氧烷软膜和聚苯乙烯膜中的至少之一。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，将步骤(3)得到的所述微纳米颗粒膜转移至基底表面采用下列步骤进行：将所述基底置于步骤(3)得到的表面形成微纳米颗粒膜的水的下方，然后倾斜提升所述基底。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述提升基底的速度为0.1mm/s～10mm/s；

任选地，所述倾斜的角度为不大于45度。

10.一种微纳米颗粒自组装结构，其特征在于，所述微纳米颗粒自组装结构采用权利要求1-9中任一项所述的方法制备得到。

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