一种高强度光子晶体膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度光子晶体膜及其制备方法，属于新材料制备领域。该光子晶体膜将包含单分散纳米微球的分散液滴加在部分干燥的聚合物膜表面，随着溶剂的挥发，在微球自组装为光子晶体的同时将聚合物引入微球缝隙中形成连续结构，一步制得高强度光子晶体膜。该方法不仅过程简单安全，同时可以将光子晶体与生产实践中应用性能优良的聚合物材料直接复合，实现功能性光子晶体膜的制备，方法扩展性强，在显示、传感、装饰等器材上具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光子晶体材料领域，特别涉及一种高强度光子晶体膜及其制备方法，属于新材料研究领域。
技术介绍
光子晶体是由两种折射率不同的材料在空间周期性排布形成的结构，这种结构特点使其具有对光通过进行调制的能力，即通过光子禁带选择性地禁止特定波长的光通过。按照折射率周期性变化的方向数分为一维、二维和三维光子晶体，其中三维光子晶体通常由单分散微球自组装而成，制备相对简便，因此吸引了众多研究者的目光。由于微球间仅存在点接触，因此三维光子晶体膜整体的结构强度很有限，非常容易碎裂，这无疑极大地限制了光子晶体膜的实际应用。因此如何制备高强度光子晶体膜成为一个研究热点。研究中制备高强度的光子晶体膜常采用两类方法。一种是设计制备具有硬核软壳结构的核壳型微球作为组装单元，其中壳层为玻璃化转变温度较低的聚合物，在微球自组装形成有序阵列的同时，相邻微球的壳层自发融合形成连续的聚合物层，从而得到连续的光子晶体膜(Macromol.Chem.Phys.,2006,207,596-604.)。另一种更为普遍的方法则是向预先组装好的光子晶体膜中渗入包含单体，交联剂，引发剂和溶剂的混合溶液，再通过紫外光照射的方式引发聚合，得到具有连续结构的高强度光子晶体膜(Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50,1492-1522.)。以上两种方法虽然能够实现高强度光子晶体膜的制备，但第一种方法需要合成特定的核壳结构微球，且多为有机材料的组装单元；第二种方法应用更为普遍，但是可光引发聚合的单体有限，而且向组装好的光子晶体灌入单体的过程会导致光子晶体结构的部分破坏。因此仍然有必要开发一种具有一定普适性，方便安全的制备高强度光子晶体膜的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种全新的制备高强度光子晶体膜的方法，无需聚合反应而将聚合物直接引入到光子晶体结构中，在微球组装的同时使聚合物渗入到缝隙中形成连续结构，得到高强度光子晶体膜。该方法不仅过程简单安全，同时可以将光子晶体与生产实践中应用性能优良的聚合物材料直接复合，方法实用性强。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：将单分散微球的分散液滴加在部分干燥的聚合物膜表面，随着溶剂的挥发单分散微球自组装形成光子晶体，同时分散液的溶剂与聚合物的溶剂形成混合溶剂并溶解表层聚合物，溶解的聚合物渗入到微球间的缝隙中，当溶剂彻底挥发后，聚合物在微球间析出形成连续的结构，从而得到高强度的光子晶体膜。其实现过程包含以下工艺步骤：①制备单分散胶体微球，并将其配制成一定浓度的分散液。②将聚合物配制为溶液，并滴加在基底上，室温下自然干燥一定时间后使用。③将①所配制的分散液滴加在②所得的聚合物膜上，使分散液部分或全部覆盖聚合物膜的表面，并整体放置在一定温度的加热板上，待溶剂完全挥发后即得到高强度光子晶体膜。进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述单分散亚微米胶体微球为氧化亚铜(Cu2O)，氧化铜(CuO)，硫化镉(CdS)，硫化铅(PbS)，二氧化钛(TiO2)，硫化锌(ZnS)，氧化锌(ZnO)，聚苯乙烯(PS),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和二氧化硅(SiO2)中的一种。进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述单分散胶体微球粒径范围为100～300nm。进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述分散液的溶剂为甲醇，乙醇，异丙醇，丙酮，四氢呋喃，乙酸乙酯或水的一种或多种。进一步地，在上述技术方案中，步骤①中分散液浓度为2～50wt％。进一步地，在上述技术方案中，步骤②中所述聚合物为聚甲基丙烯酸酯类、聚丙烯酸酯类、聚氨酯、硝基清漆膜的一种或几种。进一步地，在上述技术方案中，步骤②中所述聚合物溶液的浓度为10～80wt％。进一步地，在上述技术方案中，步骤②中所述聚合物溶液的溶剂为甲醇，乙醇，异丙醇，丙酮，四氢呋喃，乙酸乙酯的一种或几种。进一步地，在上述技术方案中，步骤②中所述聚合物溶液自然干燥的时间为0.5h～24h。进一步地，在上述技术方案中，步骤②中所述基底为玻璃片，硅片，铜片，铝片中的一种。进一步地，在上述技术方案中，步骤③中加热板的温度为50～100℃。专利技术有益效果本专利技术以部分干燥的聚合物为组装基底，在光子晶体形成的过程中直接将聚合物引入其中，无需聚合反应的进行，最终得到具有连续结构的高强度光子晶体膜。该方法不仅简单安全，同时可以将光子晶体与生产实践中应用性能优良的聚合物材料直接复合，方法实用性强。附图说明图1a为对比例1中以单分散CdS微球为组装单元，直接组装得到的光子晶体膜扫描电镜图；图1b为实施例1中包裹在硝基清漆膜中的光子晶体膜的扫描电镜图；图2为图1中两个光子晶体薄膜的反射光谱图；图3为图1中两个光子晶体膜的硬度曲线；图4为图1中两个光子晶体膜的模量曲线；图5为实施例2中包裹在聚甲基丙烯酸甲酯膜中的CdS光子晶体膜的扫描电镜图；图6为实施例2与对比例1中两个光子晶体膜的反射光谱图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术中的较佳实施例进行阐述，使本专利技术能够更好地被本领域技术研究人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出清晰明确的界定。实施例1CdS/硝基清漆高强度光子晶体膜的制备。首先制备单分散CdS胶体微球，具体制备方法如下：称取0.6g聚乙烯吡咯烷酮粉末(PVP)，加入30mL二乙二醇，再加入一定量的硝酸镉和硫脲粉末，使硝酸镉和硫脲的浓度为0.1M，搅拌至所有粉末完全溶解。将溶液加热至150℃，保温反应1h后自然冷却至室温，将产物离心后水洗3次干燥。称取一定量单分散CdS微球粉末，加入无水乙醇，配制成浓度为10wt％的分散液。取一定量硝基清漆滴加在清洗干净的玻璃片上，室温下自然干燥12h后作为组装基底使用，将CdS微球的乙醇分散液滴加在部分干燥的硝基清漆膜上，使其完全覆盖清漆膜的表面，并整体放置在温度为80℃的加热板上，待溶剂彻底挥发后即得到高强度光子晶体膜。对比例1与实施例1的区别在于没有使用硝基清漆。实施例2CdS/PMMA高强度光子晶体膜的制备.使用对比例1中的CdS分散液进行光子晶体膜的制备，以PMMA为聚合物成分，溶解在THF中配制质量分数为20％的溶液，滴加在玻璃片上室温下自然干燥0.5h后作为组装基底使用。将CdS微球的乙醇分散液滴加在部分干燥的PMMA膜上，使其完全覆盖聚合物膜的表面，并整体放置在温度为80℃的加热板上，待溶剂彻底挥发后即得到高强度光子晶体膜。图1为实施例1中CdS微球直接组装得到的光子晶体膜和包裹在硝基清漆膜中的光子晶体膜的扫描电镜图，如图所示，无清漆时将CdS分散液直接滴加在玻璃片上，微球自组装为高度有序阵列，微球间缝隙由空气填充；而当以清漆薄膜作为基底时，CdS微球同样能够组装为高度有序阵列，微球间由聚合物填充，从而形成连续的薄膜；图2所示为实施例1所得的两个光子晶体膜的反射光谱图，由图可见相比于在玻璃上组装的CdS光子晶体，在清漆膜上组装得到的CdS光子晶体膜的反射光谱峰发生明显的红移，说明清漆膜中的聚合物取代空气填充进微球间的缝隙中。由图3的硬度曲线和图4的模量曲线对比可以看到，随着聚合物在微球间缝隙的渗入，光子晶体膜的硬度和模量显著提高。图5所示为包裹在PMMA聚合物中的光子晶体膜的扫描电镜图，如图所示，与对比例1相比，CdS微球间明显由聚合物填充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度光子晶体膜及其制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：①制备单分散胶体微球，并将其配制成一定浓度的分散液；②将聚合物溶液滴加在基底上，室温下自然干燥一定时间后得到部分干燥的聚合物膜；③将①所配制的分散液滴加在②所得的聚合物膜上，使分散液部分或全部覆盖聚合物膜的表面，并整体放置在一定温度的加热台上，待溶剂完全挥发后即得到高强度光子晶体膜。

【技术特征摘要】
1.一种高强度光子晶体膜及其制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：①制备单分散胶体微球，并将其配制成一定浓度的分散液；②将聚合物溶液滴加在基底上，室温下自然干燥一定时间后得到部分干燥的聚合物膜；③将①所配制的分散液滴加在②所得的聚合物膜上，使分散液部分或全部覆盖聚合物膜的表面，并整体放置在一定温度的加热台上，待溶剂完全挥发后即得到高强度光子晶体膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的单分散胶体微球为氧化亚铜，氧化铜，硫化镉，硫化铅，二氧化钛，硫化锌，氧化锌，聚苯乙烯,聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅中的一种，所述的单分散胶体微球的粒径为100nm～300nm。3.根据权利要求1所述的制备方法，所述分散液中溶剂为甲醇，乙醇，异丙醇，丙酮，四氢呋喃，乙酸乙酯或水的一种或几种。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：武素丽，常杰，苏昕，张淑芬，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21