CN115010968A - 一种单层密排微球薄膜的制备方法 - Google Patents

一种单层密排微球薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种单层密排微球薄膜的制备方法，包括如下步骤：(1)采用无水乙醇制备微球胶体溶液；(2)将微球胶体溶液进行超声分散，使微球胶体溶液中的微球呈单分散状态，得到超声分散后的微球胶体溶液；(3)将步骤(2)所得的超声分散后的微球胶体溶液均匀滴加到基片表面，得到微球溶液的基片；(4)将微球溶液的基片放置于电磁振动台表面，并将振动台设置为混合振动模式，进行混合振动处理，有机分散剂自然挥发，得到单层密排微球薄膜。本发明的方法具有操作简单，成本低，成膜质量高的优点。该方法能够制备大面积高质量单层密排微球薄膜，是制备微球薄膜的一种通用方法，适用且不限于PS、SiO2微球。

Description

一种单层密排微球薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及光学及材料制备领域，具体为一种单层密排微球薄膜的制备方法。
背景技术
自从光子晶体概念被提出以来，国内外学者对光子晶体进行了大量研究。光子晶体是一种介电常数呈周期性变化的特殊介电结构，这种结构可以使特定频率的光在其中传播时发生布拉格散射，从而禁止特定波段的光通过，通过控制其结构参数，就可以获得不同色相的颜色。结构色具有高亮度、高饱和度、永不褪色等优点，研究人员采用各种方法复制这种结构。随着现代材料技术发展，国内外将薄膜技术与微纳米材料技术结合，通过特定的微纳结构对光的衍射、散射和干涉效应来实现显色效果。中国专利(CN 108341600 A)公开了一种在玻璃表面制备单层SiO2微球薄膜的方法，主要通过旋涂法在玻璃基底表面制备表面覆盖率81％的单层SiO2微球薄膜。该方法难以有效地制备大面积的单层SiO2微球薄膜，而且薄膜存在较大的孔洞。中国专利(CN 110128685 A)公开了一种大面积高质量单层PS微球薄膜的溶液自组装方法，主要采用1-丁醇和乙醇混合液稀释高浓度的PS微球溶液，在稀释过程中加入了少量的NaCl降低微球之间的静电力。该方法制备单层SiO2微球薄膜中引入了1-丁醇和NaCl杂质，且SiO2微球之间存在较大间隙，是非紧密排列的。中国专利(CN112724438 A)公开了一种胶体微球单层薄膜的自组装制备方法及其装置，在水槽中将胶体微球与酒精的混合液滴入表面有一层去离子的玻璃片上，得到胶体微球单层薄膜，实验设备和流程较为复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种大面积单层密排微小球薄膜的制备方法。所述方法为一种在玻璃基片或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)表面制备大面积单层聚苯乙烯(PS)、SiO2微球薄膜的方法。将稀释的微球溶液滴入玻璃基片(或PET)表面，利用振动台对基片进行水平/垂直方向混合振动，单分散胶体微球通过自然沉降方式快速自组装，形成密堆排列的单层微球薄膜。该方法是一种制备微球薄膜的通用方法，适用于制备大面积高质量PS、SiO2微球薄膜，且不限于制备PS、SiO2微球薄膜。
本发明中术语“大面积”是指面积为1～20平方厘米。
本发明中术语术语“密排”是指相邻微球之间的距离为1.01～1.2倍微球直径。
本发明中，微球的直径为5～20微米。
本发明中，薄膜的厚度为单个微球直径，即5～20微米。
本发明采用如下技术方案：一种单层密排微球薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用无水乙醇制备微球胶体溶液；
(2)将微球胶体溶液进行超声分散，使微球胶体溶液中的微球呈单分散状态，得到超声分散后的微球胶体溶液；
(3)将步骤(2)所得的超声分散后的微球胶体溶液均匀滴加到基片表面，得到微球溶液的基片；
(4)将微球溶液的基片放置于电磁振动台表面，并将振动台设置为混合振动模式，进行混合振动处理，有机分散剂自然挥发，得到单层密排微球薄膜。
进一步地，步骤(1)中，微球胶体溶液中，微球的浓度为：PS微球固含量2％～3％，SiO2微球浓度2％～3％。
进一步地，步骤(1)中，所述的微球为PS或SiO2微球。
进一步地，步骤(1)中，所述的微球的直径为5～20微米。
进一步地，步骤(2)中，超声分散的时间为5～10分钟。
进一步地，步骤(3)中，所述基片在使用前，采用去离子水超声清洗基片。优选地，所述基片为玻璃基片或PET基片。
进一步地，步骤(4)中，所述混合振动模式为水平方向和垂直方向耦合振动模式。
进一步地，步骤(4)中，混合振动处理时间为20～30分钟。
进一步地，步骤(4)中，混合振动模式的工频为40～60赫兹，功率为2.0～2.4千瓦。
进一步地，步骤(4)中，通过垂直方向振动使上下层微球逐步向下沉积，微球呈现单层排列状态；通过水平方向振动使单层微球之间间隙减小，单层微球呈现密堆排列。
进一步地，首先采用无水乙醇稀释高浓度的PS或SiO2微球胶体溶液，利用超声清洗机对稀释微球溶液进行超声分散，使稀释溶液的微球呈单分散状态。采用去离子水超声清洗玻璃(或PET)基片，将稀释的微球溶液均匀滴加到上述干净基片表面。将微球溶液的基片放置于电磁振动台表面(LongDate,LD-75TL)，并将振动台设置为混合振动模式，即水平和垂直方向耦合振动模式，工频50赫兹，功率2.2千瓦。通过垂直振动使上下层微球逐步向下沉积，微球呈现单层排列状态；通过水平振动使单层微球之间间隙减小，单层微球呈现密堆排列。通过混合振动处理20分钟，微球自然沉积在基片表面形成单层密堆排列。待有机分散剂自然挥发后，在基片表面自组装生成单层密排微球薄膜。利用光学显微镜检测微球薄膜质量，若薄膜存在网孔状，向基片表面再次滴加已稀释微球溶液，并重复上述过程，显微镜检测直至形成大面积高质量单层密排微球薄膜。
本发明的有益效果：
本发明提供一种制备单层密排微球薄膜的方法，具有操作简单，成本低，成膜质量高的优点。该方法能够制备大面积高质量单层密排微球薄膜，是制备微球薄膜的一种通用方法，适用且不限于PS、SiO2微球。
附图说明
图1直径10微米PS微球单层薄膜；
图2直径5微米SiO2微球单层薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式作进一步详细说明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：
以直径10微米PS微球为目标物，采用无水乙醇与原高浓度PS微球胶体溶液(辉质生物，PS乳胶微球，粒径10微米，均匀度3％，固含量5％)体积比为1:1混合，制备稀释PS微球胶体溶液。利用超声清洗机对稀释PS微球胶体溶液进行超声分散5分钟(温度20℃，功率150瓦)，使稀释溶液的微球呈单分散状态。采用去离子水超声清洗玻璃(或PET)基片，用移液枪取约50微升稀释微球溶液均匀滴加到干净基片表面。将微球溶液的基片放置于电磁振动台(LongDate,LD-75TL)表面，将振动台设置为混合振动模式，即水平和垂直方向耦合振动模式，工频50赫兹，功率2.2千瓦。通过混合振动处理20分钟，使上层微球逐步向下沉积，微球呈现单层排列状态。微球自然沉积在基片表面形成单层密堆排列。待有机分散剂自然挥发后，在基片表面自组装生成单层密排PS微球薄膜。利用20倍光学显微镜检测PS微球薄膜质量，如图1所示，制备出大面积20平方厘米高质量(薄膜上空隙为未填充区域，空隙总面积小于薄膜总面积的2％)单层密排(光学显微镜下随机测量两个近邻微球之间的球心距离，球心间距在10.10～12.00微米，即1.01～1.20倍微球直径)PS微球薄膜，膜厚为10微米。
其中，本实施例中，通过垂直振动使上下层微球逐步向下沉积，微球呈现单层排列状态；通过水平振动使单层微球之间间隙减小，单层微球呈现密堆排列。
实施例2：
以直径5微米SiO2微球为目标物，采用无水乙醇与原高浓度SiO2微球胶体溶液(辉质生物，SiO2微球，粒径5微米，均匀度3％，浓度5％)体积比为1:1混合，制备稀释SiO2微球胶体溶液。利用超声清洗机对稀释SiO2微球胶体溶液进行超声分散5分钟(温度20℃，功率150瓦)，使稀释溶液的微球呈单分散状态。采用去离子水超声清洗玻璃(或PET)基片，用移液枪取约50微升稀释微球溶液均匀滴加到干净基片表面。
将微球溶液的基片放置于电磁振动台(LongDate,LD-75TL)表面，将振动台设置为混合振动模式，即水平和垂直方向耦合振动模式，工频50赫兹，功率2.2千瓦。通过混合振动处理20分钟，使上层微球逐步向下沉积，微球呈现单层排列状态。微球自然沉积在基片表面形成单层密堆排列。待有机分散剂自然挥发后，在基片表面自组装生成单层密排SiO2微球薄膜。利用20倍光学显微镜检测SiO2微球薄膜质量，如图2所示，制备出大面积20平方厘米高质量(薄膜上空隙为未填充区域，空隙总面积小于薄膜总面积的0.3％)单层密排(光学显微镜下随机测量两个近邻微球之间的球心距离，球心间距在5.05～6.00微米之间，即1.01～1.20倍微球直径)SiO2微球薄膜，膜厚为5微米。
其中，本实施例中，通过垂直振动使上下层微球逐步向下沉积，微球呈现单层排列状态；通过水平振动使单层微球之间间隙减小，单层微球呈现密堆排列。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。本发明包括但不局限于上述两种实施举例方案，凡依本发明范围所做的均等变化及修饰(如微球材质，分散剂种类和其余多种样式振动形式等)，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种单层密排微球薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用无水乙醇制备微球胶体溶液；
(2)将微球胶体溶液进行超声分散，使微球胶体溶液中的微球呈单分散状态，得到超声分散后的微球胶体溶液；
(3)将步骤(2)所得的超声分散后的微球胶体溶液均匀滴加到基片表面，得到微球溶液的基片；
(4)将微球溶液的基片放置于电磁振动台表面，并将振动台设置为混合振动模式，进行混合振动处理，有机分散剂自然挥发，得到单层密排微球薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的微球为PS微球，微球胶体溶液中，PS微球固含量2wt％～3wt％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的微球为SiO2微球，SiO2微球浓度2wt％～3wt％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的微球的直径为5～20微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，超声分散的时间为5～10分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述混合振动模式为水平方向和垂直方向耦合振动模式。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，混合振动处理时间为20～30分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，混合振动模式的工频为40～60赫兹，功率为2.0～2.4千瓦。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述密排是指相邻微球之间的距离为1.01～1.2倍微球直径。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述薄膜的厚度为单个小球直径，即5～20微米。
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