[发明专利]一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法，该方法采用乳液聚合体系，运用可逆加成断裂链转移自由基聚合技术制备一种嵌段共聚物纳米粒子胶乳，结合后补加两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂技术，得到三层聚合物纳米核壳粒子，除水干燥后得到微观结构规整的聚合物光子晶体材料。本发明为聚合物光子晶体材料的制备提供了一种节能环保、工艺简单的技术方案，且该方法制备得到的光子晶体材料具有不易开裂、自支撑、力学性能优良等优点，具有极大的应用前景。

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法。

背景技术

光子晶体是一类由不同折射率的介质在空间中周期性排列而形成的微纳结构。它具有光子带隙，处在光子禁带频率范围内的光波在介质中的某些方向上是不能传播的。因而利用这种光子禁带特性，可将光子晶体材料应用于新型光学器件、防伪安全技术、响应性传感器等领域。

传统的聚合物光子晶体材料采用刚性大的纳米粒子自组装形成规整结构，这是由于刚性粒子在自组装过程中不容易发生聚并粘连，能够更好地形成规整结构。但是由于刚性粒子难以变形导致自组装结束后粒子之间仍然存在间隙，空气形成连续相，使得光子晶体材料容易开裂，无法承受拉伸、弯曲等操作，甚至难以自支撑。目前科学界为了改善光子晶体材料的力学性能，已经做出了许多尝试，例如高温烧结去除空隙、化学交联加强粒子之间连结、引入氢键相互作用、采用核壳粒子等方式。然而这些尝试都收效甚微，关于光子晶体材料宏观力学性能的报道屈指可数。宏观力学性能例如拉伸、弯曲性能在材料实际使用过程中至关重要，因此光子晶体材料力学性能差的缺陷极大地限制了其实际应用。

此外，光子晶体材料对结构规整度要求高，难以容忍结构缺陷的存在，因此光子晶体材料的制备过程较为繁琐，难以大面积推广。传统光子晶体材料在制备过程中应当对基底材料进行预处理，如事先对玻璃片进行亲水性处理等。同时光子晶体材料大多通过垂直沉降法利用毛细管作用力促进粒子有序排列或者旋涂、喷涂等方式制备得到。这些要求使得光子晶体材料在工业化生产过程中的成本急速上升。

本专利通过RAFT乳液聚合技术，设计合成了以嵌段共聚物胶乳作为基础的一种新型聚合物纳米核壳粒子作为光子晶体原料。这种新型聚合物纳米核壳粒子具备三层结构，“外衣”是通过后补加两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂技术引入的羧基层，而粒子内部仍存在双层结构结构，外壳是高模量的硬段材料，内核是低模量的软段材料。含有羧基的“外衣”能够减少粒子在干燥过程中发生聚并的可能性，同时为该光子晶体材料带来响应性能；刚性壳层为嵌段共聚物中的硬段材料，能够有效避免干燥过程中的聚并现象，有利于形成规整的光子晶体结构；柔性内核为嵌段共聚物中的软段材料，能够适当降低聚合物纳米核壳粒子的整体模量，有利于形成不易开裂、自支撑、力学性能优良的光子晶体材料。同时这种新型聚合物纳米核壳粒子的设计能够成功实现柔性粒子自组装形成规整结构，粒子模量越低则越有利于形成厚度更厚的不开裂的光子晶体材料。光子晶体材料厚度越厚，则基底材料的影响越小。因而本专利的制备方法无需对基底材料进行预处理，且制备过程技术简单、绿色环保，具有极大的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法。本发明制备得到的光子晶体材料具备不易开裂、自支撑、力学性能优良等优势。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将1～10重量份的炭黑粒子与0～10重量份的水性表面活性剂加入到1000～10000重量份的水中，搅拌1～60分钟，得到炭黑粒子水分散液；

(2)制备嵌段共聚物胶乳，包括以下子步骤：