垂直双基片制备自组装胶体晶体的方法技术

本发明专利技术涉及用垂直双基片制备自组装胶体晶体的方法，包括聚合物微球和垂直双基片间胶体晶体制备两个步骤。在苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯单体的水溶液中加入功能单体、交联剂、引发剂、缓冲剂等，在１００－４００转／分速度搅拌下在６０－８５℃的水浴中进行无皂乳液共聚合反应，２０小时后制得表面功能化的单分散交联聚合物微球，微球的尺寸为６０到８００纳米。将处理过的基片相互靠近放入１－５毫升、微球质量浓度为０．５－３％的单分散交联聚合物微球乳液中，在４－７５℃下挥发６－９６小时后便可在两块基片中间得到由单分散交联聚合物微球组成的三维有序胶体晶体。得到的胶体晶体在纳米过滤器件和纳米光开关器件等具有广泛的应用。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用单分散微球或二氧化硅微球制备三维有序胶体晶体的方法，特别是涉及一种利用垂直双基片法制备由单分散微球或二氧化硅微球组成的三维有序胶体晶体的方法。
技术介绍
单分散胶体微球体系在材料科学，化学和生物学中的应用已经成为胶体科学的一个重要目标。单分散微球自组织成胶体晶体不仅使人们能够得到具有周期性长程介观有序结构，而且能够得到有应用价值的功能性结构材料。胶体微球形成的有序组装可作为在成像过程中的光学微棱镜；可作为蒸镀或反应型离子刻蚀构造微米或纳米结构有序组装的物理模板；还可作为用于软光刻技术中弹性印章图案化的模板结构。目前，单分散微球制成的三维有序胶体晶体是单分散微球在光电材料等新型工业材料方面应用的一个重要方向。通常由单分散聚合物微球或二氧化硅微球制成的三维有序胶体晶体因其三维有序结构而具有的光学衍射和光带隙性质，因此它们是制造光滤光器、转换器、生物和化学传感器以及光子晶体或其它光学和电光器件的衍射元件的基础材料。同时，它们可作为构造有序大孔材料和高强度陶瓷的模板材料。而调控单分散聚合物微球或二氧化硅微球在制备三维有序胶体晶体时的制备条件是制备胶体晶体中重要的环节。重力场沉积、物理限制下的自组装、电泳沉积等方法通常用来制备胶体晶体。美国专利4,803,688公开了一种利用静置沉积法制备胶体晶体的方法，美国专利5,139,611也利用相似的方法来制备胶体晶体，但是要求外界无干扰。美国专利6,123,845和6,325,957也公开了制备胶体晶体的相应方法，只是制备过程较为烦琐或需要较特殊的装置。同时在实际的应用中，表面有序图案化是制备相关实际器件中所需要的，因而胶体晶体在实际器件应用中还需要被构造各种不同有序微结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用垂直双基片法由单分散聚合物微球或二氧化硅微球来制备三维有序胶体晶体的方法，同时提供一种利用垂直双基片法来制备表面图案化三维有序胶体晶体的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现的本专利技术用无皂乳液聚合制备的表面功能化单分散交联聚合物微球和沉淀法制备的单分散二氧化硅微球，然后利用垂直双基片法在两个基片间制备由单分散聚合物微球或二氧化硅微球组成的三维有序胶体晶体。本专利技术所述的方法包括两个步骤1.单分散交联聚合物微球的制备以蒸馏水为分散介质，在每100ml蒸馏水中加入5-20克的苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯单体，并且加入单体质量0-20％的(甲基)丙烯酸、甲基丙烯酸-2-羟乙酯、4-苯乙烯磺酸钠或乙烯苄基三甲基胺盐酸盐等功能单体，同时加入单体质量0-20％的4，4’-二甲基丙烯酰氧基-2，2’-二苯基丙烷或二乙烯基苯作为交联剂，单体质量0.1-2％的过硫酸钾、过硫酸铵或2，2’-二(2-甲基丙脒)二盐酸盐来引发聚合，单体质量0-5％的碳酸氢钠作为缓冲剂，一般的机械搅拌速度在100-400转/分范围内可调节，在60-85℃的水浴中进行无皂乳液共聚合反应，20小时后制得表面功能化的单分散交联聚合物微球，微球的尺寸为60到800纳米，在乳液中的质量含量为3-15％。2.基片用98％浓硫酸与30％过氧化氢的混合溶液处理15分钟到24小时，两种溶液的用量体积比例通常是2∶8到4∶6，经过去离子水漂洗后在氮气或空气气氛下干燥。将处理过的两块基片相互靠近后(两块基片之间的距离为0.05-1毫米)垂直放入含有1-5毫升质量百分浓度为0.5--3％单分散交联聚合物微球乳液(低微球浓度用蒸馏水进行稀释得到)的容器中，然后在4℃-75℃下挥发，6小时-96小时后便可在两块基片中间得到由单分散交联聚合物微球组成的三维有序胶体晶体。上述方法中，用垂直双基片法在两个基片间形成三维有序的胶体晶体。胶体晶体主要由60纳米到800纳米的单分散聚合物微球或二氧化硅微球制成。上述方法中，垂直双基片法中的两个基片一般是玻璃片，硅片，石英片，聚二甲基硅氧烷基片，或者是其中两种基片的组合。上述方法中，表面具有有序图案的三维有序的胶体晶体的制备一般用图案化的聚二甲基硅氧烷基片和另外的基片(玻璃片，硅片，石英片)组合得到。上述方法中，以聚二甲基硅氧烷为基材的基片可以被制备成表面具有不同尺寸和形状图案的基片，从而可以得到表面具有不同图案的三维有序胶体晶体。将二甲基硅氧烷预聚体与固化剂按20∶1到5∶1(质量比)的比例混合均匀，真空脱气后灌进由两块硅片或硅片和表面图案化的光刻胶板组成的模具中，40℃到80℃固化8～10小时。冷却后将固化好的聚合物膜从硅片或光刻胶板上小心地揭下，从而得到表面平整的或表面图案化的聚二甲基硅氧烷基片，通常基片的厚度为50微米到1.5毫米。表面图案化的光刻胶板可以利用不同尺寸和形状的光掩板，通过光刻技术将光掩板上的图案复制到光刻胶板上，得到表面图案化的光刻胶板。(Y.N.Xia，E.Kim，X.M.Zhao，J.A.Rogers，M.Prentiss，G.M.Whitesides，Science1996，273，347.Y.N.Xia，G.M.Whitesides，Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1998，37，550.)。上述方法中，将处理过的两块基片相互靠近放置，距离为0.05--1毫米，垂直放入1毫升微球质量浓度为0.5--3％的二氧化硅微球乳液中(二氧化硅微球的制备方法参见W.Stber，A.Fink，J.ColloidInterface Sci.1968，26，62)，然后在4-75℃下挥发6-96小时后便可在两块基片中间得到由二氧化硅微球组成的三维有序胶体晶体。上述方法中，垂直双基片法中的两个基片还可以是非平面的或管状的，比如把纤维棒插入做成管形的基片中，然后放入含有聚合物微球或二氧化硅微球的乳液中，形成胶体晶体。管形基片可以是玻璃或石英，也可以是聚合物，他们的直径可以在1微米到1毫米范围内可变。在本专利技术中，利用简单有效的垂直双基片法在两个基片之间制备的三维有序的胶体晶体以及表面具有有序图案的胶体晶体，由不同粒径纳米微球制备的胶体晶体具有不同的紫外吸收峰，通过多层胶体晶体的叠加，可以形成具有多个紫外吸收峰的组合胶体晶体；进一步，通过对组合胶体晶体中某一层胶体晶体平面方向的旋转，可以使组合胶体晶体的相对应的紫外吸收峰位置发生变化，从而可以使本专利技术所述的胶体晶体广泛地应用于三维有序多孔材料和光子晶体的制备以及光开关或光过滤器等方面。附图说明图1垂直双基片制备自组装胶体晶体示意图；图2(a)表面为微米级宽直线沟槽排列的三维有序胶体晶体示意图；图2(b)图2(a)示意图其局部放大图；图3纤维和玻璃或聚合物管内壁之间的胶体晶体扫描电镜图；图4用188纳米的聚合物微球组成三维有序胶体晶体的紫外吸收图；图5用220纳米聚合物微球组成三维有序胶体晶体的紫外吸收图；图6用238纳米的聚合物微球组成三维有序胶体晶体的紫外吸收图；图7用270纳米的聚合物微球组成三维有序胶体晶体的紫外吸收图；图8分别用188纳米，220纳米聚合物微球组成三维有序胶体晶体组合的紫外吸收图； 图9分别用188纳米，220纳米和238纳米聚合物微球组成三维有序胶体晶体组合的紫外吸收图；图10分别用188纳米，220纳米和238纳米聚合物微球组成三维有序胶体晶体组合的紫外吸收图，本文档来自技高网...

【技术保护点】
垂直双基片制备自组装胶体晶体的方法，包括单分散交联聚合物微球的制备和垂直双基片间胶体晶体的制备两个步骤，其特征在于：（１）以水为分散介质，在每１００ｍｌ水中加入５－２０克的苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯单体，并且加入单体质量０－２０％的（甲基） 丙烯酸、甲基丙烯酸－２－羟乙酯、４－苯乙烯磺酸钠或乙烯苄基三甲基胺盐酸盐功能单体，０－２０％的４，４’－二甲基丙烯酰氧基－２，２’－二苯基丙烷或二乙烯基苯作为交联剂，０．１－２％的过硫酸钾、过硫酸铵或２，２’－二（２－甲基丙脒）二盐酸盐来引发聚合，０－５％的碳酸氢钠作为缓冲剂，一般的机械搅拌速度在１００－４００转／分范围内可调节，在６０－８５℃的水浴中进行无皂乳液共聚合反应，２０小时后制得表面功能化的单分散交联聚合物微球，微球的尺寸为６０到８００纳米，在乳液中的质量百分含量为３－１５％；（２）将处理过的两块基片相互靠近放置，距离为０．０５－－１毫米，垂直放入１－５毫升、微球质量浓度为０．５－－３％的单分散交联聚合物微球乳液中，然后在４－７５℃下挥发６－９６小时后便可在两块基片中间得到由单分散交联聚合物微球组 成的三维有序胶体晶体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鑫，杨柏，陈志民，陆广，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]