JP5665539B2 - 粒子間相互作用を有するポリマー粒子からなるフォトニック結晶 - Google Patents
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Description
p.i.=(D90−D10/D50)
(式中、D90、D10及びD50は、
D90:全粒子の合計質量の90質量%が<又は=D90の粒径を有する
D50:全粒子の合計質量の50質量%が≦D50の粒径を有する
D10:全粒子の合計質量の10質量%が<又は=D10の粒径を有する
に該当する粒径を表す)に従って計算される。
本発明による使用のために、ポリマー粒子は適当な寸法を有すべきであり、この際、全てのポリマー粒子はできるだけ均一であり、即ち理想的には正確に同じ寸法を有すべきである。
P.I.=(D90−D10)/D50
(式中、D90、D10及びD50は、次に該当する粒径を表す:
D90:全粒子の合計質量の90質量%がD90より小さい又は等しい粒径を有する
D50:全粒子の合計質量の50質量%がD50より小さい又は等しい粒径を有する
D10:全粒子の合計質量の10質量%がD10より小さい又は等しい粒径を有する)
に従って計算される。
1/Tg=xA/TgA+xB/TgB+C/TgC+
Tg:コポリマーの計算ガラス転移温度
TgA:モノマーAからのホモポリマーのガラス転移温度
TgB、TgCは、モノマーB、C等に相応している
xA: モノマーA質量/コポリマー全質量
xB、xC は、モノマーB、C等に相応している。
この製造は、有利に乳化重合により行われる。
本発明による官能性表面によって、ポリマー粒子は変形されず、マトリックス形成なしでも非常に安定で硬い接触面を相互に有するので、それらは変形されない。この場合に、粒子の製造のための中間層は必要とならず、このことが製造法を明らかに簡単にする。本発明によれば、結晶の安定性を高めるために、変性されたポリマーのシェルを適用する必要なしに、それらが接触部位で物理的又は化学的に結合することができるように、ポリマー粒子を変性することが可能である。従って、フォトニック結晶の製造時に、無機物質、例えばTiO2又はSiを用いる転化によって、有機結晶の高い機械的安定性を達成することが可能である。この逆構造(inversion Struktur)を得るために、粒子中で前駆物質は使用されない。
フォトニック結晶の製造のために、有利に前記の製造法で得られた水性ポリマー分散液が使用される。
このフォトニック結晶は、逆フォトニック結晶の製造のためのテンプレートとして使用することができる。そのために、ポリマー粒子の間の空隙を公知方法により所望の物質、例えば珪素で充填し、かつその後に、このポリマー粒子を、例えば融出及び溶出によって又は高温での燃焼によって除去する。得られるテンプレートは、以前のフォトニック結晶の相応する逆格子秩序を有している。
使用される省略文字:
NaPS=ペルオキシ二硫酸ナトリウム;
MAMol=N−メチロールメタクリルアミド;
Texapon NSO=EO約2モルを有するナトリウムラウリルエーテルスルフェート;
MAS=メタクリル酸;
HPA=ヒドロキシプロピルアクリレート;
HEA=ヒドロキシエチルアクリレート;
Lutavit C=アスコルビン酸;
DVB=ジビニルベンゼン;
AMOL=N−メチロールアクリルアミド。
乳化剤不含下での乳化重合 官能性表面を有しない
アンカー攪拌機、温度計、ガス導入管、装入管及び還流冷却器を備えた反応器中に先ず水1300gを装入した。引き続き、このフラスコ内容物を加熱し、200/minの回転数で撹拌した。この時間の間中、この反応器に窒素を供給した。85℃の温度に到達の後に、窒素供給を停止し、かつこの反応器中に空気が入ることを阻止した。次いで、反応器にスチレン600gから成るモノマー流入物の10%及び水114g中のペルオキソ二硫酸ナトリウム6gから成るペルオキソ二硫酸ナトリウム溶液の10%を供給し、5分間前酸化させ、次いで残りのペルオキソ二硫酸ナトリウムを3時間かかって添加した。同時にモノマー流入物の残分を3時間かかって配量添加した。モノマー及びペルオキソ二硫酸ナトリウム溶液流入−終了の後に、この分散液を85℃で更に3時間撹拌した。その後、この分散液を室温まで冷却させた。
前装入物:
VE−水 1300.00g
流入物1: モノマー流入物
スチレン 600.00g
流入物2: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、質量濃度 水中5% 120g
湿潤試料の値:
AUZ:分析的超遠心分離
固体含有率:: 29.2%
重量平均 粒度 AUZ: 624nm
多分散性指数 PDI(AUZ): 0.09
B)フォトニック結晶の製造
室温での蒸発による非垂直基材上への鉛直沈積(垂直沈殿):
寸法3×8cmの顕微鏡用載せガラススライドをカロース酸(比3:7でのH2O2:H2SO4)で一晩洗浄し、かつ親水性化した。次いで、この載せガラススライドをビーカー中に、水平に対して60°−角度で保持した。乳化剤不含のポリマー分散液を、VE−水で0.3%の質量濃度まで希釈し、載せガラススライドが部分的に被われるまでビーカー中に入れた。温室中、23℃で、水の半分まで蒸発させ、次いで載せガラススライドを取り出し、完全に乾燥させた。
AF:付着瑕疵:水中又はイソプロパノール中:
ガラスから断片(Bruchstuecke)が離れるか又はこの結晶から断片が離れる。それというのも、液体がこの瑕疵位置の下に達し、下からこの結晶をはね飛ばすからである。この位置から、結晶中の裂け目が拡大する。
=個々のラテックス(Latices)がこの結晶から離れる
(結晶範囲の百分率/単結晶fccの百分率)
レーザー光線が試料全体上に照射される場合に、視覚評価による類似の回折パターンの2つの値が記録される:
a)結晶範囲の百分率(非晶質範囲が存在する場合にはこの値は小さくなり、回折でリング構造として同定される)
b)単結晶fccの百分率(結晶範囲内の六方晶回折パターン(角度依存性配向が変化するか又は<100>−層配向を示す立方(90°)パターンが存在する場合には、この値は低下する))。
試験2 室温で3日間にわたるフォトレジストの浸透。その後試料をイソプロパノール浴中に1日間置き、この際、時折イソプロパノールを交換した。記載の数値は、離れた面積の百分率を示している。
乳化剤不含下での乳化重合及び膨潤重合
アンカー攪拌機、温度計、ガス導入管、装入管及び還流冷却器を備えた反応器中に、先ず水764.47gを装入した。引き続き、このフラスコ内容物を加熱し、200/minの回転数で撹拌した。この時間の間中、この反応器に窒素を供給した。85℃の温度に到達の後に窒素供給を停止し、かつ、この反応器中に空気が入ることを阻止した。次いでこの反応器に、スチレン350gから成るモノマー流入物の10%及び水56.26g中のペルオキソ二硫酸カリウム1.74gから成るペルオキソ二硫酸カリウム溶液の10%を供給し、5分間前酸化させ、次いで残りのペルオキソ二硫酸カリウム溶液を3時間かかって添加した。同時にモノマー流入物の残分を3時間かかって配量添加した。モノマー−及びペルオキソ二硫酸カリウム溶液流入終了の後に、この分散液を85℃で更に3時間撹拌した。その後、この分散液を室温まで冷却させた。
第1工程:
前装入物:
VE−水 764.47g
流入物1: モノマー流入物
スチレン 350.00g
流入物2: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸カリウム、水中の質量濃度3% 58g
第2工程:
前装入物:
VE−水 927.01g
種(第1工程からのポリスチレン粒子)、水中の質量濃度28.3% 282.69g
Texapon NSO、水中の質量濃度:28% 1.07g
スチレン 120.00g
流入液1: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度 7% 8.57g
第3工程:
前装入物:
VE−水 462.70g
種(第2工程からのポリスチレン粒子)、水中の質量濃度:14% 642.86g
Texapon NSO、水中の質量濃度:28% 0.80g
スチレン 90.00g
流入物1:開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度:7% 9.64g
湿潤試料の値:
固体含有率:: 14.6%
AUZ: 963nm
PDI(AUZ):0.06 。
アンカー攪拌機、温度計、ガス導入管、装入管及び還流冷却器を備えた反応器中に、先ず水1928.33gを装入した。引き続き、このフラスコ内容物を加熱し、200/minの回転数で撹拌した。この時間の間中、この反応器に窒素を供給した。85℃の温度に到達の後に、窒素供給を停止し、かつ、この反応器中に空気が入ることを阻止した。次いで、この反応器に、スチレン890gから成るモノマー流入物の10%及び水169.1g中のペルオキソ二硫酸ナトリウム8.9gから成るペルオキソ二硫酸ナトリウム溶液の10%を供給し、5分間前酸化させ、次いで、残りのペルオキソ二硫酸ナトリウム溶液を3時間かかって添加した。同時にモノマー流入物の残分を3時間かかって配量添加した。モノマー−及びペルオキソ二硫酸ナトリウム溶液流入終了の後に、この分散液を85℃で更に3時間撹拌した。その後、この分散液を室温まで冷却させた。
前装入物:
VE−水 1928.33g
流入物1: モノマー流入物
スチレン 890.00g
流入物2: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸カリウム、水中の質量濃度:3% 178.00g
第2工程:
前装入物:
VE−水 2127.84g
種(第1工程からのポリスチレン粒子)、水中の質量濃度28.8% 671.30g
Texapon NSO、水中の質量濃度:28% 2.59g
スチレン 290.00g
流入物1: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度1% 145.00g
第3工程:
前装入物:
VE−水 458.50g
種(第2工程からのポリスチレン粒子)、水中の質量濃度14.3% 600.00g
Texapon NSO、水中の質量濃度:28% 0.80g
スチレン 86.40g
N−メチロールメタクリルアミド、水中の質量濃度:15% 12.00g
ジビニルベンゼン 1.80g
流入物1:開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度 1% 45.00g
湿潤試料の値:
固体含有率:: 13.8%
AUZ: 905nm
PDI(AUZ): 0.17
反応性表面を有する粒子
**)気相中でアミノ−メチル−シラン(長いアルキル鎖ではない)でガラス被覆された
=単一層
例28/29に関して:
他の分散液とは対照的に、これらの例は、シェル中に、MAS 2pphmと共に非常に良好な水溶性成分を有している。従って、この結晶は水中に非常に良好に溶ける。熱処理によって、この溶解は、おそらく粒子間無水物−形成によって遅らされうる。
架橋のために、NH3 16%、NH4HCO3 12%及びZnO 7%を含有している亜鉛溶液を使用する。
アンカー攪拌機、温度計、ガス導入管、装入管及び還流冷却器を備えている反応器中に、先ず水1928.33gを装入した。引き続き、このフラスコ内容物を加熱し、200/minの回転数で撹拌した。この時間の間中、この反応器に窒素を供給した。85℃の温度に到達の後に、窒素供給を停止し、かつこの反応器中に空気が入ることを阻止した。次いでこの反応器に、スチレン890gから成るモノマー流入物の10%及び水169.1g中のペルオキソ二硫酸ナトリウム8.9gから成るペルオキソ二硫酸ナトリウム溶液の10%を供給し、5分間前酸化させ、次いで残りのペルオキソ二硫酸ナトリウム溶液を3時間かかって添加した。同時にモノマー流入物の残分を3時間かかって配量添加した。モノマー−及びペルオキソ二硫酸ナトリウム流入終了の後に、この分散液を85℃で更に3時間撹拌した。その後、この分散液を室温まで冷却させた。
前装入物:
VE−水 1928.33g
流入物1: モノマー流入物
スチレン 890.00g
流入物2: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度5% 178.00g
第2工程:
前装入物:
VE−水 2127.84g
種(第1工程からのポリスチレン粒子)、水中の質量濃度28.8% 671.30g
Texapon NSO、水中の質量濃度:28% 2.59g
スチレン 290.00g
流入物1: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度 1% 145.00g
第3工程:
前装入物:
VE−水 468.70g
種(第2工程からのポリスチレン粒子)、水中の質量濃度14.3% 600.00g
Texapon NSO、水中の質量濃度:28% 0.80g
スチレン 85.50g
ブタンジオールモノアクリレート 4.50g
流入物1: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度 1% 45.00g
湿潤試料の値:
固体含有率:: 13.9%
AUZ: 880nm
PDI(AUZ):0.27 。
アンカー攪拌機、温度計、ガス導入管、装入管及び還流冷却器を備えた反応器中に先ず水1928.33gを装入した。引き続き、このフラスコ内容物を加熱し、200/minの回転数で撹拌した。この時間の間中、この反応器に窒素を供給した。85℃の温度に到達の後に、窒素供給を停止し、かつこの反応器中に空気が入ることを阻止した。次いでこの反応器に、スチレン890gから成るモノマー流入物の10%及び水169.1g中のペルオキソ二硫酸ナトリウム8.9gから成るペルオキソ二硫酸ナトリウム溶液の10%を供給し、5分間前酸化させ、次いで残りのペルオキソ二硫酸ナトリウムを3時間かかって添加した。同時にモノマー流入物の残分を3時間かかって配量添加した。モノマー及びペルオキソ二硫酸ナトリウム流入終了後に、この分散液を85℃で更に3時間撹拌した。その後、この分散液を室温まで冷却させた。
前装入物:
VE−水 1928.33g
流入物1: モノマー流入物
スチレン 890.00g
流入物2: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度5% 178.00g
第2工程:
前装入物:
VE−水 2127.84g
種(第1工程からのポリスチレン粒子)、水中の質量濃度28.8% 671.30g
Texapon NSO、水中の質量濃度:28% 2.59g
スチレン 290.00g
流入物1: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度 1% 145.00g
第3工程:
前装入物:
VE−水 355.86g
種(第2工程からのポリスチレン粒子)、水中の質量濃度14.3% 600.00g
Texapon NSO、水中の質量濃度:28% 0.80g
スチレン 45.00g
n−ブチルアクリレート 45.00g
流入物1: 開始剤溶液
ペルオキソ二硫酸ナトリウム、水中の質量濃度:1% 90.00g
レドックス−流入物:
Lutavit C、水中の質量濃度:0.25% 72.00g
湿潤試料の値:
固体含有率:: 14.5%
AUZ: 1105nm
PDI(AUZ): 0.101
例43〜46:分散液中の血清中に水性溶解されたトリメチロールプロパントリ−(エトキシ−アクリレート)(Ciba Speciality ChemicalsからのLaromer(R)8863)及びこのフォトニック結晶のUV−光での照射によるUV−架橋(ラジカル性)
UV−開始剤は、粒子表面を膨潤させ、その中に侵入し、かつ架橋するラジカル開始剤である。
従って、フォトニック結晶の構造化及び逆フォトニック結晶の製造のための像に応じた照射も可能である。
ジアゾニウム塩の露光時に、ルイス酸によって、エポキシドの開環反応が起こる。
(Rabek,J.F.(1987),Mechanism of Photophysical and Photochemical Reaction in Polymer: Theory and Practical Applications,Wiley,New York)又は
(Crivello J.V.,(1984),Adv.In Polymer Sci., 62,1.)。
ここに記載の分散粒子の粒子間架橋のために、オニウム塩及び有機金属錯体、例えばフェロセニウム−塩も好適である( Fouassier J. P. (Ed), "Phtoinitiation,Photo-polymerization and Photocuring-Fundamental and Applications"Hanser Publisher ,,Munich,(1995),Chapter 4)。
架橋のためのUV活性化可能な酸供与体としては、前記のオニウム塩として既にUV活性化可能なカチオン性開始剤として記載されていると同じ化合物が好適である。それというのも、これらは、カチオンラジカルの潜在源として作用するばかりではなく、UV−照射の際のブレンステッド酸源としても作用することができるからである。この光化学的に得られる酸は、3級ブチルアクリレートを分解してアクリル酸及びイソブテンを得る反応に触媒作用することができる。例32は比較実験であり、ここでは、3級ブチルアクリレートを有する分散粒子が表面上で製造されていた。この場合には、例33中に記載のように、水性分散液中でt−BAから既にアクリル酸を粒子表面上で製造するために95℃で5時間の撹拌をしないばかりではなく、むしろ例32を、更なる熱処理なしに下記の例51〜53のために直接使用している。従って、表面上のアクリル酸は、実際に分散液の製造時ではなく、むしろフォトニック結晶中の個々の粒子の表面上で初めて得られている。UV−レーザーでの全表面照射又は像に応じた照射の後に、このフォトニック結晶中の粒子の表面上に、前記のUV−触媒の存在下に、70℃で15分間の比較的温和な熱処理条件下での触媒作用下にアクリル酸を得ることができる。このフォトニック結晶が、引き続き約pH9のアルカリ性で水処理される場合には、露光された分散粒子がこのフォトニック結晶から溶出する。これにより、フォトニック結晶中の空隙(欠陥線)によって特徴付けられる望ましい3次元的構造化が生じる。これは、例えばテンプレートとしての作用をし、即ち粒子(露光されていなかった)間の空隙及び照射及び全分散粒子の洗浄により生じた欠陥線に、無機物質、例えば非常に高い屈折率を有する二酸化チタン又は珪素を充填することができる。有機分散粒子の燃焼の後に、無機の3次元的構造化された逆フォトニック結晶が残り、これは、光学的部品又は光学的半導体として、完全に電気的半導体と類似して、例えば光学的コンピューターの製造のために使用することができる。ポリマー粒子の一部を、燃焼させるか又は可溶性化するか又は架橋させることもできる。
Claims (13)
- フォトニック結晶を製造するためのポリマー粒子の使用であって、
フォトニック結晶は、乳化剤不含下でのモノマーの重合によって製造したポリマー粒子の水性分散液から、水を蒸発させることによって製造され、
それによって、前記ポリマー粒子は、膜を形成せず、前記フォトニック結晶中のそれらの接触点に結合部位を有しており、前記結合部位が、格子間相の体積を30%より多く減少させることなしに、物理的又は化学的結合による粒子の結合を可能としており、
前記ポリマー粒子の接触点の結合部位はポリマー粒子の表面官能化によって生成され、前記官能化はポリマー粒子のコア表面の個々の点上で生じ、それによって、前記コアは官能性を有しているシェルによって完全には包囲されていない、
ことを特徴とする、フォトニック結晶を製造するためのポリマー粒子の使用。 - 粒子の結合は、化学的共有結合、イオン結合又は極性結合、水素結合、ファンデルワールス結合又は相互拡散によって行われることを特徴とする、請求項1に記載の使用。
- ポリマー粒子は、>600nmの重量平均粒度を有していることを特徴とする、請求項1又は2に記載の使用。
- ポリマー粒子の均一性の尺度としての多分散性指数は<0.15であり、この際、
この多分散性指数は、式:
多分散性指数(p.i.)=(D90−D10)/D50
(式中、D90、D10及びD50は、それぞれ次に該当する粒径を表す:
D90:全粒子の合計質量の90質量%が<又は=D90の粒径を有する
D50:全粒子の合計質量の50質量%が≦D50の粒径を有する
D10:全粒子の合計質量の10質量%が<又は=D10の粒径を有する)
に従って計算されることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項に記載の使用。 - ポリマー粒子は、その表面上の少なくとも接触点に、フォトニック結晶の結晶化の際に結合を可能とする、極性基又は水素結合の形成のために好適である基を有していることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項に記載の使用。
- 化学的共有結合は、ポリマー粒子が少なくともその接触点にポリマー粒子に結合した、相互に環境温度で熱的に、レドックス反応により、光化学的に、場合によっては光活性化可能な開始剤又は触媒の使用下でも及び/又は付加的な架橋剤を介して相互に共有結合されうる化学基を有していることによって、達成されることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項に記載の使用。
- ポリマー粒子は、少なくともその接触点に、ポリマー粒子に結合した化学基を有しており、これらの基が、相互に又は付加的な架橋剤を介して、イオン結合、極性結合、ファンデルワールス結合又は水素結合を行うことができることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項に記載の使用。
- 少なくともそのコア中のポリマー粒子は、その70質量%より多くが1価の炭化水素−モノマーから成っており、0〜30質量%が架橋性モノマーから成っていることを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項に記載の使用。
- ポリマー粒子は、その90質量%より多くがスチレンから成っており、架橋剤はジビニルベンゼンであることを特徴とする、請求項8に記載の使用。
- 請求項1から9までのいずれか1項に記載のポリマー粒子を使用して製造される、フォトニック結晶。
- 粒子の重心に対する粒子間距離>600nmを有している、請求項10に記載のフォトニック結晶。
- 小さくとも1つの>200μmの稜の長さを有している、請求項10又は11に記載のフォトニック結晶。
- 請求項10から12までのいずれか1項に記載のフォトニック結晶を製造するための方法において、ポリマー粒子の水性分散液から水の蒸発によってこのフォトニック結晶を形成させることを特徴とする、フォトニック結晶を製造する方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP07114965 | 2007-08-24 | ||
EP07114965.2 | 2007-08-24 | ||
PCT/EP2008/061002 WO2009027328A1 (de) | 2007-08-24 | 2008-08-22 | Photonische kristalle aus polymerteilchen mit interpartikulärer wechselwirkung |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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