具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜及其制备方法和用途技术

本发明专利技术属于贝纳德对流材料技术领域，特别涉及一种具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜及其制备方法和用途。本发明专利技术以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为分散质，以水、乙醇、聚氨酯增稠剂的混合液作为分散剂，两者混合均匀后滴加在玻璃片上，通过溶剂蒸发镀膜之后，不仅可以得到具有六边形微米尺度的图案的聚合物薄膜，调控薄膜的微观形貌，还可以在光学显微镜上观察到B

【技术实现步骤摘要】
具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于贝纳德对流材料
，特别涉及一种具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]对流广泛存在于自然界与工业生产中，特别是在聚合物的溶液中，对流对聚合物制得的膜的结构和性能有至关重要的影响。通过聚合物溶液干燥来制备薄膜通常应用于许多领域，如涂料、印刷和纳米技术等，这些领域往往需要得到均匀、光滑的膜。然而，由于贝纳德(B
é
nard)对流的影响，通过溶剂蒸发所获得的膜的表面往往会形成微米尺度的图案。当从下面加热某一液体薄层时，起初在液体中只有热传导存在，当液体中的温度梯度超过某一临界值时，原来静止的液体中会突然出现许多规则的六角形对流格子，即B
é
nard对流，形成的六角格子被称为B
é
nard元胞。这种元胞在数学上又被称为Voronoi图，即在平面上取一系列离散的点，各个点向各个方向以相同的速率生长，生长前期，每个点所属的圆互不干扰独自生长，继续长大后，临近的圆的边界会相互接触，相互挤压变形，导致接触线最终演变为多边形，Voronoi图可以解释许多自然现象，如干涸的土地、木纹、蜂巢、长颈鹿的身体上的花纹等等，也可以用于定性分析、邻近分析、统计分析等。
[0003]自从B
é
nard首次观察到从下面加热和由空气表面冷却的浅层流体中的六边形对流模式以来，已经有许多研究者对不同溶液的B
é
nard对流现象进行了研究，以从实验或理论上来说明这一现象。Sakurai,S等人(Polymer 34(1993)1089
‑
1092)将PS/DOP混合溶液溶解在甲苯中，制备出含有B
é
nard元胞的薄膜，但以甲苯作为溶剂，对人体危害较大；Springer,H等人(Rheologica Acta 19(1980)527)将聚碳酸酯、聚氯乙烯与溶剂混合均匀后浇铸在石英基底上，通过减压蒸发法得到具有B
é
nard元胞的薄膜，蒸发过程较为繁琐；Anton
í
n等人(International Journal of Heat and Mass Transfer 54(2011)4135
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4142)研究了在去离子水从2
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羟乙基纤维素溶液蒸发期间，B
é
nard元胞产生的决定因素，B
é
nard对流是在特制的装置(微冷凝干燥系统)中完成的，装置较为庞大且操作复杂；齐锦刚等人(中国专利文献CN103821799A)专利技术了一种控制液体产生贝纳德对流的方法，采用该种方法可以在硅油、润滑油中得到B
é
nard元胞，可以观察到B
é
nard对流的过程，但该种方法较为复杂且不适用于实际应用，不能用于制备薄膜。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的之一是提供一种具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜的制备方法，该制备方法成本低、操作简单等特点。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜的制备方法，包括如下步骤：
[0006]S1、在无水乙醇中加入聚氨酯增稠剂，搅拌混合后再加入去离子水，搅拌均匀得到分散液，其中无水乙醇去离子水的体积比为(1～3):1，分散液中聚氨酯增稠剂的浓度为
0.03g/ml～0.05g/ml；
[0007]配制以水为溶剂、直径约为40
‑
60nm的有机胶体微球乳液，将有机胶体微球乳液与分散液混合并超声震荡，制得有机胶体微球浓度为0.5
‑
1wt％的混合乳液，静置1
‑
2天待用；
[0008]S2、将平整基片清洗后加热至60℃
‑
80℃并保持该温度，吸取步骤S1静置后的混合乳液滴加到平整基片上，待溶剂蒸发后取下样品，即制得具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜。
[0009]作为具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜的制备方法进一步的改进：
[0010]优选的，所述有机胶体微球的材质为聚甲基丙稀酸甲酯即PMMA或聚苯乙烯即PS。
[0011]优选的，所述有机胶体微球乳液中有机胶体的浓度为10wt％，有机胶体微球乳液与分散液以1:9的质量比混合，混合乳液中有机胶体微球的浓度为1wt％。
[0012]优选的，所述聚氨酯增稠剂为缔合型增稠剂中的一种。
[0013]优选的，所述平整基片为玻璃片。
[0014]优选的，步骤S2中平整基片的清洗方法如下：先用洗涤剂清洗去除平整基片表面的污渍，之后放置在5wt％的NaOH溶液中浸泡，取出用自来水冲洗后用无尘布擦拭，再用去离子水反复冲洗，最后浸泡在无水乙醇中一段时间后烘干待用。
[0015]本专利技术的目的之二是提供一种上述制备方法制得的具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜。
[0016]本专利技术的目的之三是提供一种上述具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜在防伪制品上的用途。
[0017]本专利技术相比现有技术的有益效果在于：
[0018]1)本专利技术提供了一种贝纳德对流元胞的聚合物薄膜的制备方法，该方法以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球为分散质，以水、乙醇、聚氨酯增稠剂的混合液作为分散剂，两者混合均匀后滴加在平整基片上，溶剂蒸发镀膜得到具有六边形微米尺度的图案的聚合物薄膜，还可以在光学显微镜上观察到B
é
nard元胞的形成过程。分散剂采用水、乙醇、聚氨酯增稠剂，其中聚氨酯增稠剂主要作用有两个：一是用来调节分散剂粘度，控制B
é
nard元胞生成速度，观察到B
é
nard元胞的生成过程；二是聚氨酯增稠剂可以使聚合物在基底上固化时”冻结“生成的B
é
nard元胞，聚合物固化、对流结束后仍然可以在聚合物薄膜上观察到B
é
nard元胞，便于观察。
[0019]2)本专利技术采用溶剂蒸发法制备出具有B
é
nard元胞的聚合物薄膜，操作简单，成本较低。在制备过程中可以直观地观察到B
é
nard对流的形成过程，对B
é
nard对流机理研究提供理论依据。
[0020]3)本专利技术观察得到B
é
nard元胞的生成过程与Voronoi图生长过程相同，在一些情况下B
é
nard对流得到的元胞也可以用来进行数学定性分析、邻近分析、统计分析等。
[0021]4)本专利技术制备出来的含有B
é
nard元胞的薄膜还具有一定的防伪功能。当含有B
é
nard元胞的薄膜放置在不同颜色的基底上时，在特定角度观察才能看到元胞的存在，而从其他角度较难观察到元胞的存在。
附图说明
[0022]图1是本专利技术实施例1中聚合物薄膜固化前贝纳德的对流示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、在无水乙醇中加入聚氨酯增稠剂，搅拌混合后再加入去离子水，搅拌均匀得到分散液，其中无水乙醇去离子水的体积比为(1～3):1，分散液中聚氨酯增稠剂的浓度为0.03～0.05g/ml；配制以水为溶剂、直径约40
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60nm的有机胶体微球乳液，将有机胶体微球乳液与分散液混合并超声震荡，制得有机胶体微球浓度为0.5
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1wt％的混合乳液，静置1
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2天待用；S2、将平整基片清洗后加热至60℃
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80℃并保持该温度，吸取步骤S1静置后的混合乳液滴加到平整基片上，待溶剂蒸发后取下样品，即制得具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜。2.根据权利要求1所述的具有贝纳德对流元胞的聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，所述有机胶体微球的材质为聚甲基丙稀酸甲酯即PMMA，或聚苯乙烯即PS。3.根据权利要求1所述的具有贝纳德对...

【专利技术属性】
技术研发人员：李世佳，费广涛，张敏，倪志龙，王彪，
申请(专利权)人：上海西源新能源技术有限公司，
类型：发明
国别省市：