專利名稱：非密堆積膠體晶體薄膜的熱壓制備方法
技術領域：
本發明涉及一種非緊密堆積型膠體晶體薄膜的熱壓制備方法，特別是將非熱塑性材料為核而熱塑性材料為殼的核殼結構的單分散微球組裝成緊密堆積型膠體晶體薄膜后進行熱壓以使殼層材料熔融在一起而核心材料在殼層材料中形成非緊密堆積型膠體晶體。
背景技術：
膠體晶體是由單分散的微米或亞微米無機或有機微球(也稱膠體微球)形成的具有三維有序結構的一類物質。在自然界二氧化硅微球的有序沉積形成天然的膠體晶體稱為蛋白石，因而人們也把非天然的膠體晶體稱作合成蛋白石。由于膠體晶體在包括結構色、多孔材料、及由于膠體晶體為光子晶體的一種所導致的其在包括通信、電磁防護等領域的廣泛的應用價值，膠體晶體的研究受到了學術界、產業界人士的廣泛關注。
在膠體晶體中有一類單分散微球在某種介質中相互間以一定的空間間隔排列成周期排列的三維有序結構稱為非緊密堆積型膠體晶體或者光子晶體。由于非緊密堆積型膠體晶體中分散單分散微球的可選介質可以提高膠體晶體的調控性，因而成為膠體晶體的一個研究熱點。目前主要有兩種方法制備非緊密堆積型膠體晶體一種通過將單分散微球分散在可以聚合的高分子單體溶液中進行聚合而得到；另外一種通過在緊密堆積型膠體晶體中灌注具伸縮特性的彈性材料后通過拉伸彈性材料從而將緊密堆積的膠體晶體轉換為非緊密堆積的膠體晶體。這兩種方法均存在一定的優缺點。對于第一種方法將單分散微球分散在某種介質中形成以一定間隔排列的三維有序結構及隨后進行的聚合反應均比較困難，目前人們只能在離子濃度極度受限的嚴苛條件下在含有單體的水溶液選擇少量聚合引發劑的環境中進行排列，因而其應用受到一定的限制。而采用緊密堆積型膠體晶體灌注具伸縮性彈性材料的方法由于灌注難度較大及可供選擇的具伸縮性材料較少而受到諸多限制。因此，開發新的制備非緊密堆積型膠體晶體的制備方法就成為一件很有意義的事情。
在膠體晶體領域的另外一個研究熱點則是核殼結構的單分散微球。由于核殼結構微球的核材料及殼材料可以進行比較自由的選擇這就為改善膠體晶體的功能提供了可能。目前在可供選擇的單分散微球的核或者殼材料中有許多為熱塑性高分子材料如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等。而熱塑性高分子材料的一個特點是其方便、廉價的加工特性。這使得熱塑性高分子材料走進了千家萬戶。為此，本發明提出首先制備外殼為熱塑性材料的核殼結構單分散微球，然后組裝這些核殼結構單分散微球以形成緊密堆積型膠體晶體，最后通過熱壓方法使得殼層熱塑性材料熔融連接在一起而核心微球在在熱塑性材料介質中排列成以一定間隔排列的三維有序結構的非緊密堆積型膠體晶體。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種非緊密堆積型膠體晶體薄膜的制備方法，該方法能夠拓展現有非緊密堆積型膠體晶體薄膜的制備方法并為非緊密堆積型膠體晶體薄膜的大規模應用提供可能。
技術方案本發明的非緊密堆積型膠體晶體薄膜的熱壓制備方法其特征在于通過如下步驟進行A、首先制備或者獲得非熱塑性材料構成的單分散微球作為核心；B、其次在非熱塑性材料構成的核心單分散微球上包覆熱塑性材料以形成熱塑性材料為殼而非熱塑性材料為核的核殼結構的單分散微球；C、然后組裝核殼結構單分散微球以形成膠體晶體薄膜；D、熱壓膠體晶體薄膜以使殼層材料熔融而核心材料在殼層材料中形成非緊密堆積型膠體晶體薄膜；其中，非熱塑性材料包括無機材料及交聯高分子材料。
熱塑性材料為熱塑性高分子材料。
熱壓可以多次進行。
組裝膠體晶體薄膜方法從垂直提拉法、水平推拉法、夾片溶劑揮發法、電泳輔助沉積法、離心沉積法、自然沉降法中選擇一種進行；有益效果目前主要有兩種方法制備非緊密堆積型膠體晶體薄膜一種通過將單分散微球分散在可以聚合的高分子單體溶液中進行聚合而得到；另外一種通過在緊密堆積型膠體晶體薄膜中灌注具伸縮特性的彈性材料后通過拉伸彈性材料從而將緊密堆積的膠體晶體轉換為非緊密堆積的膠體晶體薄膜。這兩種方法均存在一定的優缺點。對于第一種方法將單分散微球分散在某種介質中形成以一定間隔排列的三維有序結構及隨后進行的聚合反應均比較困難，目前人們只能在離子濃度極度受限的嚴苛條件下在含有單體的水溶液選擇少量聚合引發劑的環境中進行排列，因而其應用受到一定的限制。而采用緊密堆積型膠體晶體薄膜中灌注具伸縮性彈性材料的方法由于灌注難度較大及可供選擇的具伸縮性材料較少而受到諸多限制。本發明首先制備非熱塑性材料為核而熱塑性材料為殼的核殼結構單分散微球，然后組裝形成膠體晶體薄膜，然后通過熱壓使殼層材料熔融而核心材料在殼層材料中形成有一定間隔的非緊密堆積型膠體晶體。由于該核殼結構單分散微球的核心的大小與材料及殼層的大小與材料均可自由選擇這就為制備多種規格及多種功能的非緊密堆積型膠體晶體提供了可能。而熱塑性材料的加工工藝的方便、廉價也為該種非緊密堆積型膠體晶體的大規模應用提供了可能。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步的說明。
實施例1A、單分散二氧化硅的制備采取Stober法制備單分散二氧化硅微球。將2.08克正硅酸乙酯與50毫升無水乙醇混合作A液，另外將2.69毫升去離子水與3.85毫升濃氨水及40毫升無水乙醇混合作B液。在室溫及劇烈攪拌下將兩液混合并反應24小時后離心。去除上清液后加入無水乙醇超聲分散后再次離心后重復一遍得到平均粒徑為145納米的單分散二氧化硅微球。將單分散二氧化硅微球分散在含質量百分濃度為1％的γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)無水乙醇溶液中后室溫下劇烈攪拌24小時后，離心，去上清液，再次超聲分散在無水乙醇中并再次離心去除上清液后得到表面連接有γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的平均粒徑約為145納米的單分散二氧化硅微球。該微球真空干燥備用。
B、二氧化硅為核聚苯乙烯為殼的核殼結構單分散微球的制備取上述平均粒徑為145納米的二氧化硅微球1.2克通過超聲分散在10毫升無水乙醇中作A液。取0.03克十二烷基磺酸鈉及0.24克碳酸氫鈉溶解在99毫升水中后加入10毫升重蒸苯乙烯作B液。在劇烈攪拌下將A液與B液混合并通入氮氣保護。在升溫至80攝氏度時將質量百分濃度為1％的過硫酸鉀水溶液1毫升迅速注入上述混合液中并在80攝氏度下反應12小時后離心去除上清液后得到以平均粒徑為145納米的二氧化硅為核殼層為92納米厚的聚苯乙烯核殼結構單分散微球。用去離子水清洗兩次后再次分散在無水乙醇中以形成質量百分濃度為1％的溶液。
C、緊密堆積型膠體晶體薄膜的制備將兩塊玻璃片以100微米的間隔平行排列置于上述質量百分濃度為1％的核殼結構單分散微球無水乙醇溶液中并且使得兩塊玻璃片上方均高于溶液面以幫助微球在玻璃片間的排列。經過7天后同時取出兩塊玻璃片，并去除兩塊玻璃片外側沉積的微球后得到由核殼結構單分散微球形成的緊密堆積型膠體晶體薄膜。
D、非緊密堆積型膠體晶體薄膜的制備將上述含有膠體晶體的兩塊玻璃片置于一熱臺上并施加5MPa的壓力，在升溫至150攝氏度約10秒后，冷卻獲得透明的略微泛紅的非緊密堆積的膠體晶體薄膜。該薄膜可以作為能夠過濾一定波長光波的過濾片使用。
實施例2將實施例1中位于兩塊玻璃片中的非緊密堆積型膠體晶體取出并用一費涅爾透鏡模具再次熱壓可以獲得具有濾光作用的費涅爾透鏡。
權利要求
1.一種非緊密堆積型膠體晶體薄膜的熱壓制備方法，其特征在于該熱壓制備方法通過如下步驟進行A、首先通過制備或者購買獲得非熱塑性材料構成的單分散微球作為核心；B、其次在非熱塑性材料構成的核心單分散微球上包覆熱塑性材料以形成熱塑性材料為殼而非熱塑性材料為核的核殼結構的單分散微球；C、然后組裝核殼結構單分散微球以形成膠體晶體薄膜；D、熱壓膠體晶體薄膜以使殼層材料熔融而核心材料在殼層材料中形成非緊密堆積型膠體晶體薄膜。
2.如權利要求1所述的非緊密堆積型膠體晶體薄膜的熱壓制備方法，其特征在于所述的非熱塑性材料包括無機材料及交聯高分子材料。
3.如權利要求1所述的非緊密堆積型膠體晶體薄膜的熱壓制備方法，其特征在于所述的熱塑性材料為熱塑性高分子材料。
4.如權利要求1所述的非緊密堆積型膠體晶體薄膜的熱壓制備方法，其特征在于所述的熱壓可以多次進行。
5.如權利要求1所述的非緊密堆積型膠體晶體薄膜的熱壓制備方法，其特征在于所述的組裝核殼結構單分散微球以形成膠體晶體薄膜的方法是從垂直提拉法、水平推拉法、夾片溶劑揮發法、電泳輔助沉積法、離心沉積法、自然沉降法中選擇一種進行。
全文摘要
非緊密堆積型膠體晶體薄膜的熱壓制備方法，特別是將非熱塑性材料為核而熱塑性材料為殼的核殼結構單分散微球組裝成緊密堆積型膠體晶體薄膜后進行熱壓以使殼層材料熔融在一起而核心材料在殼層材料中形成非緊密堆積型膠體晶體。首先通過制備或者購買獲得非熱塑性材料構成的單分散微球作為核心；其次在非熱塑性材料構成的核心單分散微球上包覆熱塑性材料以形成熱塑性材料為殼而非熱塑性材料為核的核殼結構的單分散微球；然后組裝核殼結構單分散微球以形成膠體晶體薄膜；熱壓膠體晶體薄膜以使殼層材料熔融而核心材料在殼層材料中形成非緊密堆積型膠體晶體薄膜；該方法具有設計柔性、選擇材料多、處理工藝簡單的特點。
文檔編號B01J13/02GK101092054SQ20071002449
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月19日 優先權日2007年6月19日
發明者張繼中 申請人:東南大學