[发明专利]无裂纹胶体晶体、反相胶体晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无裂纹胶体晶体、反相胶体晶体及其制备方法，属于胶体晶体自组装及其制备技术领域。

背景技术

胶体晶体是由胶体微球通过自组装形成的排列规整具有一定晶型的三维有序结构，由于其折射系数周期性的变换，产生了对某一特定波段的光强反射而其他波段的光能透过的效果，利用胶体晶体为模板，可以制备具有光子能带隙的反相胶体晶体，即光子晶体。另外，胶体晶体由于其规则的孔结构，在色谱和催化等领域亦有着巨大的应用前景。目前胶体晶体的制备方法主要有重力沉积法、垂直沉积法、水平沉积法、旋涂法、气液界面自组装、喷墨打印法等。其中最常用的是垂直沉积法，该方法由于制备周期相对较短、制备的胶体晶体结构规整、缺陷较少而成为科研和生产中最为广泛应用的方法。然而该方法中，微球在基片上排列规整后，随着微球之间溶剂的挥发，微球间距逐渐变小，干燥后微球阵列中难以避免地出现裂纹。

中国专利申请CN102502659A及CN103145134A提出一种将二氧化硅微球在高温下煅烧，之后用于自组装来制备无裂纹胶体晶体的方法。该方法在高温煅烧之后需要对微球进行再分散，再分散的彻底程度严重影响自组装过程形成的胶体晶体的有序度，并且影响胶体晶体的产率。另外，该方法并不适合于聚合物微球例如聚苯乙烯或者聚甲基丙烯酸甲酯微球的自组装，因为这些微球无法承受较高的煅烧温度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通过在微球乳液中加入适量硅酸钠、硅酸钾或者二者的混合物，从而避免胶体晶体制备过程中产生裂纹的方法。

本发明所提出的方法包含以下步骤：

(1)在胶体微球的乳液中加入适量硅酸钠、硅酸钾或者二者的混合物，完全溶解后，置入容器中；

(2)在容器中插入基片,基片垂直或者倾斜放置于乳液之中；

(3)将容器静置于室温或者烘箱中，由于溶剂自然挥发、乳液的抽取或者基片的机械提拉使得乳液液面相对基片下降，从而沿着液面扫过基片的方向，微球在基片上自组装形成规整排列的胶体晶体膜。由于硅酸盐的添加，其水解产物填充在微球之间，使得由溶剂挥发而产生的微球间距减小得到了有效抑制，从而避免了胶体晶体膜中裂纹的出现；

(4)最后通过化学或者物理方法去除微球之间的硅酸盐水解产物可得到胶体晶体，或者亦可以去除微球得到反相胶体晶体。

步骤1中，在胶体微球乳液中加入的硅酸钠、硅酸钾或者二者的混合物的重量为乳液重量的0.02-8％，优选为乳液重量的0.05-3％。

步骤1中所述的胶体微球可以为聚合物微球或者无机微球，聚合物微球优选自聚苯乙烯微球、交联的聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚甲基丙烯酸乙酯微球，无机微球优选为二氧化硅微球；乳液中微球的粒径为80nm-2000nm。形成乳液的分散相一般为水或者乙醇。

上述制备方法中，步骤2中基片一般为玻璃、石英玻璃、硅片等。基片竖直或者倾斜放置于乳液之中。

当乳液所用分散相为水时，一般放置于烘箱之中，温度控制为30-95℃，优选40-60℃，恒温24h，从而随着溶剂的挥发，微球在基片上自组装。如果所用分散相为乙醇，一般温度控制在0-70℃之间，优选10-40℃。

上述制备方法步骤(3)中，可以通过氢氟酸蚀刻的方法去除微球之间的硅酸盐水解产物，从而制得无裂纹的胶体晶体；另外如果微球为聚合物时，可以通过在有氧环境下煅烧至450℃以上或者通过选用适当的有机溶剂来溶去微球，从而得到无裂纹的反相胶体晶体。

附图说明

图1为实施例1所得到的被硅酸盐水解产物填充的胶体晶体的扫描电镜图。

图2为实施例1所得到的去除微球之间硅酸盐水解产物后得到的胶体晶体的扫描电镜图。

具体实施方式

以下所述实施实例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

以下所述实例中所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可以从商业途径购得。

实施例1、SiO₂微球乳液中添加硅酸钠并通过自组装制备无裂纹胶体晶体。

从市面上购买粒径为290nm的SiO₂微球乳液(分散相为H₂O)，用去离子水将乳液稀释至重量百分比为0.05％，取15ml乳液放置于25ml烧杯中，随后在其中加入0.15g硅酸钠，并通过超声震荡，使各组分混合均匀。