光子带隙位置在近红外区的聚合物胶体光子晶体膜及其制备方法和用途技术

本发明专利技术属于胶体光子晶体膜的制备技术领域，尤其涉及大尺寸光子带隙位置在近红外区的聚合物胶体光子晶体膜及其制备方法和用途。将单分散大粒径聚合物乳胶粒乳液均匀覆盖在平整基材上，待分散溶剂水挥发后，得到由单分散大粒径聚合物乳胶粒以面心立方堆砌而成的周期性排列有序的三维光子晶体膜，该单分散大粒径聚合物乳胶粒由若干个硬核－软壳结构的乳胶粒在聚合过程中聚并而成；单分散大粒径聚合物乳胶粒的粒径范围为４００～１２００ｎｍ，多分散指数小于或等于０．００５。根据单分散大粒径聚合物乳胶粒粒径的不同，本发明专利技术所得乳胶光子晶体膜的光子带隙可以分布近红外区８００～３０００ｎｍ的不同波段。乳胶光子晶体膜可作为防辐射保温涂层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于胶体光子晶体膜的制备
，尤其涉及大尺寸光子带隙位置在近红外区的聚合物胶体光子晶体膜及其制备方法，及在防辐射涂层方面的用途；特别涉及通过乳液聚合一步法制备单分散大粒径聚合物乳胶粒。
技术介绍
胶体光子晶体材料以单分散乳胶粒规整排列所形成的周期结构对光的折射或衍射作用实现对光的特殊调控。根据周期排列的尺寸不同，所调控光的波长不同。相应所制备的胶体晶体的应用领域不同。在通常的专利文献中，胶体光子晶体膜主要应用在滤波器(如CN01105105.1，CN98110990.X)，光电开光(CN0310004.4，CN02160207.7)，光波导(CN02804125.9，CN99810798，CN01132293.4，CN02811132.X)，光纤(CN00803964.X，CN00803960.7，CN03127694.6)等方面，而很少报道将光子晶体膜应用在涂料领域，尤其是应用防辐射保温涂层方面。本专利技术基于本专利技术人在前专利申请(专利申请号CN200510011219.2，CN200510012021.6，CN200510012047.0，CN200510012021.6)的简单制备单分散乳胶粒，及大面积快速制备可见及紫外区的胶体光子晶体膜，并将其应用在装饰涂料，预防紫外线的涂层、化妆品及增强光致发光器件方面的基础，制备了光子带隙在近红外区的光子晶体，并尝试应用在防辐射的保温涂层方面。通常的保温涂层，主要是针对热散失的方式传导、对流、辐射，针对性的进行避免。为了减少热的传导功能，一般在保温涂层中引入导热系数小的空心材料(CN02145516.3，CN02132991.5，CN02133287.8，CN90105780)象发泡聚合物，天然无机孔隙材料，如，膨胀珍珠岩，云母粉，细小的陶瓷微粒等，该方法的缺点主要是工艺处理周期长，材料与墙体之间粘结力差，抗冲击能力弱，干燥收缩大等。也有采用反射隔热涂层，将涂层涂装在铝基表面，或选择合适的树脂，金属，取得高发射率涂层，来达到隔热的效果。但该方法成本较高。也有采用辐射隔热涂料(CN03145447.1)，即通过辐射的方式将吸收的光线和热量散射出去，其关键是制备具有高热发射率的涂料组分，多种金属氧化物，如MnO2，CO2O3，CuO，Fe2O3等具有反型尖晶石结构的掺杂型物质具有热发射率高的特点。如上三个方式的共同特点是必须采用具体的特定材料才能实现其所谓的隔热保温功能。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供大尺寸光子带隙位置在近红外区的聚合物胶体光子晶体膜，且胶体光子晶体膜成本低廉。本专利技术的目的之二是提供光子带隙位置在近红外区的聚合物胶体光子晶体膜的制备方法。本专利技术的目的之三是提供一种通过一步法制备单分散大粒径聚合物乳胶粒的方法。本方法采用批量法无皂乳液聚合，通过适当调整乳液聚合工艺，可以使一步法制备得到的单分散大粒径聚合物乳胶粒，不需任何提纯就可实现单分散指数小于或等于0.005，粒径范围为400～1200nm。本专利技术的目的之四是提供光子带隙位置在近红外区的聚合物胶体光子晶体膜的用途，将光子带隙在近红外区域的聚合物胶体光子晶体膜用于工业化生产，尤其应用在防辐射保温涂层方面。本专利技术采取批量法无皂乳液聚合，通过适当调整乳液聚合工艺，可以使一步法制备得到的单分散大粒径聚合物乳胶粒不需任何提纯就可实现单分散指数小于或等于0.005。本专利技术的光子带隙位置在近红外区的聚合物胶体光子晶体膜，是由单分散大粒径聚合物乳胶粒以面心立方堆砌而成的周期性排列有序的三维光子晶体膜，该单分散大粒径聚合物乳胶粒由若干个硬核-软壳结构的乳胶粒在聚合过程中聚并而成；其聚并的数目的多少取决于聚合过程中电解质加入量的多少；单分散大粒径聚合物乳胶粒的粒径范围为400～1200nm，多分散指数小于或等于0.005。所述的胶体光子晶体膜的光子带隙涉及近红外区的各个波段；随着单分散大粒径聚合物乳胶粒的粒径由小到大变化(从400到1200nm增大)，所得到的胶体光子晶体膜的反射光谱的峰值位置发生红移(光子带隙发生红移)。通过本专利技术方法制备出的单分散大粒径聚合物乳胶粒，是由若干个硬核-软壳结构的乳胶粒在聚合过程中聚并而成的；其聚并的数目的多少取决于聚合过程中电解质加入量的多少；其单分散大粒径聚合物乳胶粒的粒径范围为400～1200nm，多分散指数小于或等于0.005。所制备的胶体光子晶体膜的光子带隙分布在800～3000nm的近红外区，根据需要通过调整单分散大粒径聚合物乳胶粒的粒径，可得到不同带隙的胶体光子晶体。随着单分散大粒径聚合物乳胶粒的粒径由小到大变化，所得到的膜的反射光谱的峰值位置发生红移。本专利技术的单分散大粒径聚合物乳胶粒的制备是采用批量法无皂乳液聚合一步实现，所采用的典型的工艺过程是将亲水性依次增加的单体1，单体2，单体3混合分散在含有pH缓冲剂和用于调节单分散大粒径聚合物乳胶粒粒径的电解质水溶液中；将所得到的乳液聚合体系在转速为200～500rpm，优选为350rpm的转速下搅拌混合，并加热到65～85℃(优选温度为70℃)，加入引发剂总量3/5的引发剂使反应开始进行，反应2～4.5小时后再加入引发剂总量1/5的引发剂，其余的引发剂在继续反应2～4.5小时后加入，所述的引发剂总用量相当单体总重量的0.5wt％～2wt％，优选为1wt％。反应随后持续1～3小时结束，得到单分散指数小于或等于0.005，粒径范围为400～1200nm的单分散大粒径聚合物乳胶粒。随着聚合体系中调节单分散大粒径聚合物乳胶粒粒径的电解质溶液的引入，在聚合初期由均相成核形成的具有硬核一软壳结构的乳胶粒会发生聚并，并且随着电解质溶液引入量的增多，乳胶粒聚并的程度增大，最终得到由若干个硬核-软壳结构的乳胶粒在聚合过程中聚并而形成的单分散大粒径聚合物乳胶粒。其中，单体1的用量为乳液聚合体系中单体总重量的90～95wt％，单体2为3～6wt％，单体3为0～6wt％，pH缓冲剂在乳液聚合体系中的浓度为0～0.99wt％，电解质在乳液聚合体系中的浓度为0～0.7wt％。体系的反应时间为5～12小时，优选反应时间为8～10小时。所述的反应单体为分子中含有至少一个烯键的化合物，其亲水性依次增加，单体1为亲水性较差的反应单体，如苯乙烯、甲基苯乙烯或它们的混合物；而单体2为亲水性相对较好的单体，如丙烯酸酯类、醋酸乙烯酯或它们的混合物等，所述的丙烯酸酯类是甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯或它们的任意混合物；单体3为亲水性很强的水溶性反应单体，如丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯氰或它们的任意混合物。微量水溶性反应单体3的引入是为了增加体系的稳定性。所述的引发剂是碱金属过硫酸盐、过硫酸铵或它们的混合物。其中引发剂是以水溶液的形式引入到聚合体系中，其溶液浓度为2～5wt％。所述的碱金属是钾或钠。所述的调节最终所得乳胶粒的粒径大小的电解质选自氯化钠、氯化钾、氯化钙等中的一种或一种以上的混合物。所述的pH缓冲剂选自碳酸氢铵、碳酸氢钠、磷酸氢钠等中的一种或一种以上的混合物。为保证乳胶粒单分散性的有效实现，聚合过程中严格控制搅拌速率，加料及升温程序，以避免二次成核的出现。本专利技术聚合体系中电解质用量不同，所得单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子带隙位置在近红外区的聚合物胶体光子晶体膜，其特征是：所述的聚合物胶体光子晶体膜是由单分散大粒径聚合物乳胶粒以面心立方堆砌而成的周期性排列有序的三维光子晶体膜，该单分散大粒径聚合物乳胶粒由若干个硬核－软壳结构的乳胶粒在聚合过程中聚并而成；单分散大粒径聚合物乳胶粒的粒径范围为４００～１２００ｎｍ，多分散指数小于或等于０．００５。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梁杰，王京霞，宋延林，江雷，刘必前，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]