一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A preparation method of photonic crystal material with excellent mechanical properties

【技术实现步骤摘要】
一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法
本专利技术涉及高分子材料
，尤其涉及一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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：(2.1)将1～10重量份的两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂搅拌溶于100～10000重量份的水中形成水相，再与由10～1000重量份X组成的油相一起倒入反应器中搅拌混合；将反应器温度升至60～80℃，保持搅拌，通氮除氧5分钟以上，加入0.01～0.2重量份的水溶性引发剂，反应1～20小时后，得到R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-Z聚合物胶乳；(2.2)在步骤(2.1)得到的聚合物胶乳中加入10～1000重量份的Y，反应1～20小时后，再加入10～1000重量份的Y以及0～30重量份的交联剂，继续反应1～20小时后，得到R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-b-Yn4-Z嵌段共聚物胶乳。(3)制备聚合物纳米核壳粒子胶乳，包括以下子步骤：(3.1)取0～10重量份的两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂，搅拌溶于1～100重量份的水中，形成大分子试剂水分散液；(3.2)取0～100重量份的步骤(3.1)得到的大分子试剂水分散液与10～10000重量份的步骤(2)得到的嵌段共聚物胶乳以及0～100重量份的X一起倒入反应器中；将反应器升温至60～80℃，保持搅拌，持续通氮除氧5分钟以上；然后加入0～0.1重量份的水溶性引发剂，引发聚合15～120分钟后得到聚合物纳米核壳粒子胶乳。(4)将1～100重量份的聚合物纳米核壳粒子胶乳与0～100重量份的步骤(1)得到的炭黑粒子水分散液以及0～100重量份的二氧化硅水分散液混合，搅拌1～60分钟，得到混合物水分散液；(5)将步骤(4)得到的混合物水分散液于20℃～80℃条件下将水分蒸干，得到固态光子晶体材料。所述步骤(2)中的嵌段共聚物胶乳的链段结构表达式为：R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-b-Yn4-Z；其中，R为异丙酸基、乙酸基、2-腈基乙酸基或2-胺基乙酸基；AAn1中，AA为甲基丙烯酸单体单元或丙烯酸单体单元，n1为AA的平均聚合度，n1＝10～60；Stn2中，St为苯乙烯单体单元，n2为St的平均聚合度，n2＝3～10；Xn3中，X为苯乙烯单体单元、甲基丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸甲酯单体单元、丙烯腈单体单元或乙烯基萘单体单元，n3为X的平均聚合度，n3＝1000～10000；Yn4中，Y为丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸乙酯单体单元、丙烯酸正丁酯单体单元、丙烯酸异丁酯单体单元、丙烯酸叔丁酯单体单元或丙烯酸异辛酯单体单元，n4为Y的平均聚合度，n4＝1500～15000；Z为烷基二硫代酯、苯基二硫代酯、苄基二硫代酯或烷基三硫代酯；所述步骤(3)中的聚合物纳米核壳粒子胶乳为三层结构，具体为一层两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂包裹两层嵌段共聚物胶乳的结构；其中，聚合物纳米核壳粒子的体均直径为100～350nm。进一步地，所述步骤(1)中的水性表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇、吐温80、烷基糖苷、椰油酸二乙醇酰胺、乙氧基化烷基硫酸钠或月桂酰胺丙基甜菜碱。进一步地，所述步骤(4)中的二氧化硅水分散液固含量为10～70％，其中二氧化硅粒子直径为10～350nm。进一步地，所述水溶性引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、过硫酸钾或过硫酸铵。进一步地，所述两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂的化学结构通式为：其中，Z为碳原子数从四到十二的烷硫基、烷基、苯基或苄基；Stn2中，St为苯乙烯单体单元，n2为St的平均聚合度，n2＝3～10；AAn1中，AA为甲基丙烯酸或丙烯酸单体单元，n1为AA的平均聚合度，n1＝10～60；R为异丙酸基、乙酸基、2-腈基乙酸基或2-胺基乙酸基。进一步地，所述两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂为下列化学结构式(Ⅰ)、(Ⅱ)中的一种：进一步地，所述步骤(2.2)中的交联剂为二乙烯基苯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、二丙烯酸乙二醇酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法，其特征在于，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：(2.1)将1～10重量份的两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂搅拌溶于100～10000重量份的水中形成水相，再与由10～1000重量份X组成的油相一起倒入反应器中搅拌混合；将反应器温度升至60～80℃，保持搅拌，通氮除氧5分钟以上，加入0.01～0.2重量份的水溶性引发剂，反应1～20小时后，得到R‑AAn1‑b‑Stn2‑b‑Xn3‑Z聚合物胶乳；(2.2)在步骤(2.1)得到的聚合物胶乳中加入10～1000重量份的Y，反应1～20小时后，再加入10～1000重量份的Y以及0～30重量份的交联剂，继续反应1～20小时后，得到R‑AAn1‑b‑Stn2‑b‑Xn3‑b‑Yn4‑Z嵌段共聚物胶乳。(3)制备聚合物纳米核壳粒子胶乳，包括以下子步骤：(3.1)取0～10重量份的两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂，搅拌溶于1～100重量份的水中，形成大分子试剂水分散液；(3.2)取0～100重量份的步骤(3.1)得到的大分子试剂水分散液与10～10000重量份的步骤(2)得到的嵌段共聚物胶乳以及0～100重量份的X一起倒入反应器中；将反应器升温至60～80℃，保持搅拌，持续通氮除氧5分钟以上；然后加入0～0.1重量份的水溶性引发剂，引发聚合15～120分钟后得到聚合物纳米核壳粒子胶乳。(4)将1～100重量份的聚合物纳米核壳粒子胶乳与0～100重量份的步骤(1)得到的炭黑粒子水分散液以及0～100重量份的二氧化硅水分散液混合，搅拌1～60分钟，得到混合物水分散液；(5)将步骤(4)得到的混合物水分散液于20℃～80℃条件下将水分蒸干，得到固态光子晶体材料。所述步骤(2)中的嵌段共聚物胶乳的链段结构表达式为：R‑AAn1‑b‑Stn2‑b‑Xn3‑b‑Yn4‑Z；其中，R为异丙酸基、乙酸基、2‑腈基乙酸基或2‑胺基乙酸基；AAn1中，AA为甲基丙烯酸单体单元或丙烯酸单体单元，n1为AA的平均聚合度，n1＝10～60；Stn2中，St为苯乙烯单体单元，n2为St的平均聚合度，n2＝3～10；Xn3中，X为苯乙烯单体单元、甲基丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸甲酯单体单元、丙烯腈单体单元或乙烯基萘单体单元，n3为X的平均聚合度，n3＝1000～10000；Yn4中，Y为丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸乙酯单体单元、丙烯酸正丁酯单体单元、丙烯酸异丁酯单体单元、丙烯酸叔丁酯单体单元或丙烯酸异辛酯单体单元，n4为Y的平均聚合度，n4＝1500～15000；Z为烷基二硫代酯、苯基二硫代酯、苄基二硫代酯或烷基三硫代酯；所述步骤(3)中的聚合物纳米核壳粒子胶乳为三层结构，具体为一层两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂包裹两层嵌段共聚物胶乳的结构；其中，聚合物纳米核壳粒子的体均直径为100～350nm。...

【技术特征摘要】
1.一种力学性能优良的光子晶体材料的制备方法，其特征在于，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：(2.1)将1～10重量份的两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂搅拌溶于100～10000重量份的水中形成水相，再与由10～1000重量份X组成的油相一起倒入反应器中搅拌混合；将反应器温度升至60～80℃，保持搅拌，通氮除氧5分钟以上，加入0.01～0.2重量份的水溶性引发剂，反应1～20小时后，得到R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-Z聚合物胶乳；(2.2)在步骤(2.1)得到的聚合物胶乳中加入10～1000重量份的Y，反应1～20小时后，再加入10～1000重量份的Y以及0～30重量份的交联剂，继续反应1～20小时后，得到R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-b-Yn4-Z嵌段共聚物胶乳。(3)制备聚合物纳米核壳粒子胶乳，包括以下子步骤：(3.1)取0～10重量份的两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂，搅拌溶于1～100重量份的水中，形成大分子试剂水分散液；(3.2)取0～100重量份的步骤(3.1)得到的大分子试剂水分散液与10～10000重量份的步骤(2)得到的嵌段共聚物胶乳以及0～100重量份的X一起倒入反应器中；将反应器升温至60～80℃，保持搅拌，持续通氮除氧5分钟以上；然后加入0～0.1重量份的水溶性引发剂，引发聚合15～120分钟后得到聚合物纳米核壳粒子胶乳。(4)将1～100重量份的聚合物纳米核壳粒子胶乳与0～100重量份的步骤(1)得到的炭黑粒子水分散液以及0～100重量份的二氧化硅水分散液混合，搅拌1～60分钟，得到混合物水分散液；(5)将步骤(4)得到的混合物水分散液于20℃～80℃条件下将水分蒸干，得到固态光子晶体材料。所述步骤(2)中的嵌段共聚物胶乳的链段结构表达式为：R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-b-Yn4-Z；其中，R为异丙酸基、乙酸基、2-腈基乙酸基或2-胺基乙酸基；AAn1中，AA为甲基丙烯酸单体单元或丙烯酸单体单元，n1为AA的平均聚合度，n1＝10～60；Stn2中，St为苯乙烯单体单元，n2为St的平均聚合度，n2＝3～10；Xn3中，X为苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：项青，罗英武，高翔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33