[发明专利]一种宽视角的胶体晶体膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及胶体晶体领域，特别是涉及一种宽视角的胶体晶体膜及其制备方法。

背景技术

胶体晶体是由一种或多种单分散的胶体颗粒组装形成的具有二维或三维有序结构的一类物质。一般情况下胶体晶体包括类蛋白石结构和狭义的由聚合物胶体粒子自组装形成的胶体晶体结构。胶体晶体中占据每一个晶格点的是一个个胶体颗粒，而不是通常晶体中的分子、原子或离子。由于胶体粒子的长程有序排列使胶体晶体产生了光子禁带。光子禁带遵循布拉格衍射公式，即mλ＝2ndsinθ，其中 m为衍射级数，λ 为衍射波长，n 为胶体晶体的平均折射率，d 为胶体晶体的晶格间距，θ为入射光角度。由此可见，改变构成胶体晶体结构的晶格间距大小、介质的折射率或改变观察的视角都将引起胶体晶体结构色的改变。利用胶体晶体可调控的结构色，其在功能材料，光学器件、仿生、传感等领域都有着广泛的应用。

经过十多年的长足发展，胶体晶体以其独特的光学性能在各个方面都发挥着越来越重要的作用。然而胶体晶体反射峰强烈的角度依赖性虽然在某些功能材料领域体现了其独特魅力，但该特性则严重制约了其显示及传感领域的发展。为了解决胶体晶体观察视角的依赖性，围绕可用于可视化检测的角度无偏的胶体晶体展开了大量的研究工作。如Lee等制备了Fe3O4SiO2的短程有序的准无定形胶体晶体材料，并实现了其在可见波段区角度无偏的全彩调节。Watanabe课题组受自然界中许多生物的纳米结构启发，同样制备了一种角度无偏的具有短程有序结构的胶体晶体。虽然上述材料解决了胶体晶体的视角问题，但是这些材料都采用了牺牲有序性来获得其角度无偏性。在实际应用中，胶体晶体有序性的降低会导致反射峰的变宽以及颜色鲜亮度的下降，而这些均不利于其在显示及传感中应用。而单分散的胶体晶体微球由于其球形对称结构，而表现出角度无偏的特性，并且以胶体晶体微球为模版获得的胶体晶体膜同样展现了其良好的角度无偏性能。这种胶体晶体膜由于其微观结构的高度有序性，因此反射峰型良好，颜色鲜亮。

发明内容

本发明主要解决的是现有胶体晶体角度依赖性的缺点，提供一种以宽视角的胶体晶体膜的制备方法，其颜色鲜亮，角度无偏，制备简单，成本低廉。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种宽视角的胶体晶体膜，所述宽视角的胶体晶体膜包括多个结构单元，所述的结构单元为单分散的胶体晶体微球，所述的胶体晶体微球为球形蛋白石结构光子晶体或球形反蛋白石结构的光子晶体。

在本发明一个较佳实施例中，所述的胶体晶体微球是胶体粒子有序自组装而成，所述胶体粒子的粒径为50 nm-1000 nm。

在本发明一个较佳实施例中，所述的胶体晶体微球为聚苯乙烯、二氧化硅，聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯或聚乙烯中的一种。

在本发明一个较佳实施例中，所述的胶体晶体微球通过胶水、电解质层层自组装的方式吸附成膜。

在本发明一个较佳实施例中，所述宽视角的胶体晶体膜的光子禁带位于200nm-2000nm。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种制备宽视角的胶体晶体膜的方法，包括以下步骤：

首先，胶体晶体微球的制备：一定浓度的胶体粒子溶液利用微流控装置或直接搅拌的方法使胶体粒子溶液在连续相油相的剪切下乳化成单分散的液滴，通过固化煅烧后获得胶体晶体微球。

将胶体晶体微球通过静电自组装或层层自组装等方法将胶体晶体微球有序排列，形成以球形胶体晶体微球为结构单元的蛋白石结构的胶体晶体膜。

再次，将制得的胶体晶体微球进行亲水处理后加入水凝胶前聚体溶液中，加入引发剂，灌入模具，将胶体晶体微球铺成均匀的薄膜，经紫外光照射聚合或烘箱内通过热固化法对水凝胶前聚体溶液进行固化，即得球形蛋白石结构的胶体晶体凝胶膜。

再次，将所得到的胶体晶体凝胶膜从模具上剥落，洗涤后置于碱性腐蚀溶液中去除胶体晶体微球模版，即得球形反蛋白石结构的胶体晶体凝胶膜。

在本发明一个较佳实施例中，所述的水凝胶前聚体是丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、海藻酸钙、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、琼脂糖、全氟醚、N-乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体粒子溶液的浓度为10%～80%。

在本发明一个较佳实施例中，所述胶体晶体微球的粒径为1μm-1000μm。