一种液面漩涡法组装大面积有序微球模板的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种液面漩涡法组装大面积有序微球模板的制备技术，单分散性聚苯乙烯微球乳液采用分散聚合法制备单分散聚苯乙烯微球。首先在一个敞口容器中注入一定量的超纯水，并在水面上放置一个洁净空心特氟隆塑料环，利用磁子的搅拌或小型吹气装置使水面上产生一个稳定的漩涡，然后将单分散性聚苯乙烯微球乳液利用微量注射器滴加到涡旋水面上，在空心特氟隆塑料环内形成一层致密微球层时，停止滴加并将涡旋液面还原成水平面，将液面下浑浊液体排出并注入超纯水；最后将基片浸入液面后利用提拉设备将基片拉出，８０℃干燥即得有序微球模板。将干燥后的一次阵列镀膜样品再次浸入液面进行第二次阵列镀膜，获得双层阵列结构，如此反复可得多层的微球阵列。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种二维有序微球模板的制备方法，具体涉及一种液面漩涡 法组装大面积有序微球模板的制备方法。
技术介绍
二维有序模板由于其特有的结构而具有很高的应用价值，已广泛应用到催化、光电子信息技术等领域，目前的模板技术主要包括AAO模板、光刻 技术、电子束刻蚀技术以及微球模板技术等。微球模板技术是近十年来发展 起来的一种相对经济、方便且实用的模版技术，模板的线宽仅与所使用微球 的粒径有关，可以达到纳米级。报道用来获得二维有序聚合物模板的制备方 法主要包括重力沉降法、垂直沉积法、物理强制法以及界面成膜等方法。(1) 重力沉降法重力场作用下的沉积作用实现胶体微球排列是最筒 单方便的微球模板制备方法。它从本质上包含了重力场下的沉淀、扩散运动(布朗运动)和结晶(成核和核生长过程)等相对复杂的过程。其关键的控 制因素是调节胶体微球的尺寸、密度以及沉积速率等。在一般情况下，只要 胶体微球尺寸和密度足够大就能在重力作用下排列成胶体晶体。由于在重力 场作用下的沉积过程要足够慢，微球才会沉积出来并且完成从无序到有序的 相转变而形成最终的有序阵列。因而该方法制备胶体晶体的时间一般较长， 通常需要数周乃至数月才能将亚微米级的胶体微粒完全沉淀下来形成有序 的胶体晶体。而当胶体微球尺寸较小(小于0.5 fim)或密度与分散剂接近 时体系有分散与沉积的平衡态，会导致形成胶体晶体更困难或时间更长。(2) 垂直沉积法这种方法利用溶剂挥发和毛细作用(或表面张力) 使胶体微球形成有序的胶体晶体，制备的胶体晶体膜厚能从一层到几十层且 可以通过微球浓度和膜形成速度(或提拉速度)来控制。这种方法制备的胶 体晶体的(lll)晶面与基底平行，并且单晶区可以延伸到厘米，因此垂直沉积法是一种制备高质量，均匀的大面积胶体晶体的常用方法。然而由于微 球粒径更大时，胶体粒子的沉降过程快于溶剂的挥发过程，因此这种方法被认为只适用于4交轻且粒径小于400nm的孩i球。不V又如此，该方法对环境因 素影响十分敏感，环境温度和湿度都将直接影响溶剂的蒸发速率(即膜的形 成速率)，因此该方法不是一种稳定可控便捷的微球排列方法。(3) 物理强制法Xia等人利用物理限制方法制备了高质量的胶体晶 体，在超声条件下胶体微粒的液相分散体系被注入到一个液样池中，该池是 由两个玻璃基底和在一个基底上用光刻胶而制得模板框架构成。框架的一边 有光刻的通道使溶剂可以流出而限制微球流出。由于球的直径大于槽的高 度，微球被留在池中并在N2流作用和超声作用下驱^f吏形成(111)面平行于 玻璃基质表面FCC型立方密堆积结构。该方法的优点是过程相对较快，样 品规整、致密、有序性好；晶体自组装层数可以自由控制；适用的粒子直径 大小范围宽(10nm~10pm);不管胶体粒子的化学构成和表面性质如何， 对各种胶体粒子都适用，但该方法涉及了高成本、较高精度要求的光刻技术。(4) 界面成膜法在研究利用微球之间表面张力使微球在平面基底表 面上形成二维胶体晶体时，Goldenberg等巧妙地在水/烷烃的界面上得到了 胶体粒子有序排列单层膜，并实现了向固体表面的转移。这种液体界面组装 方法方便并且不受胶体粒子粒径大小的限制。仅仅根据Goldenberg等人的 研究，在水溶液液面滴膜和移膜很难获得大面积的较致密的有序微球阵列， 特别是对于粒径较大的孩i球颗粒，当其乳液滴在水面上时，大颗粒迟緩的流 动性将导致液面颗粒排布的不均匀性，并且简单的薄膜转移技术很容易造成 液面膜层的破裂。现有的二维有序模板的制备方法，过程复杂，制备时间较长，难度大， 方便、可控地制备特定结构的二维有序微球模板，迄今为止仍具有困难。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种液面漩涡法组5装大面积有序微球模板的制备方法。本专利技术的技术解决方案是 一种液面漩涡法组装大面积有序微球模板的 制备技术，包括以下步骤(1) 在一个敞口容器中注入一定量的超纯水，并在水面上放置一个洁净的 空心特氟隆塑料环。整个装置置于一个磁力搅拌器上，磁子的搅拌使水面上 产生一个稳定的漩涡；或整个装置附加一小型吹气装置，采用机械泵提供压 缩气体，调节吹气管的角度吹向水面产生一个稳定的漩涡。(2) 将超声分散均匀的单分散性聚苯乙烯微球乳液利用微量注射器滴加 到涡旋水面上，当聚苯乙烯微球布满空心特氟隆塑料环，并形成一层致密的 单颗粒层时停止滴加乳液，并且緩慢降低磁子转速直至停止。(3) 当涡旋的漏斗形液面还原成水平面时，用水管将液面下的浑浊液体排 出并且注入超纯水，最后将基片浸入液面后，利用提拉设备将基片拉出，80°C 干燥即得到单层有序微球模板。(4) 将步骤(3)干燥后的一次阵列镀膜的样品再次浸入液面以下，釆用 步骤(1)和(2)进行第二次阵列镀膜，获得双层阵列结构；如此反复即可 获得多层的微球阵列。其中，所述的单分散性聚苯乙烯微球乳液，采用分散聚合法制备以苯 乙烯为单体，偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂，聚乙烯基吡咯烷酮(PVP) 为分散剂，无水乙醇与水的混合物为分散介质，制备单分散聚苯乙烯微球。 合成基本步骤是将PVP溶于分散介质中，并放入250ml三口烧瓶搅拌。 通氮气保护，然后将搅拌均勻的苯乙烯和AIBN的混合溶液加入到三口烧瓶 内聚合反应，在70。C下反应24h，将悬浊液离心，去除上层清液，然后加入 无水乙醇超声分散，再离心，再分散，如此重复三次获得纯净均匀的乙醇分 散聚苯乙烯微球乳液。其中，上述各组分所占的质量百分比为分散介质 65% 90%,苯乙烯10% 35%,分散介质中乙醇/水比例4%~50%; PVP 2.0%~5.0% (相对于单体量)，AIBN 0.5%~4.0% (相对于单体量)。上述方法中所述单分散性聚苯乙烯微球粒径范围为600nm~7|iim,通过 调节配比及单体引入方式得到不同粒径的微球，其中单体引入方式分为两 种 一次性倾倒方式，即苯乙烯和AIBN的混合溶液一次性倒入三口瓶中； 滴加速率调节方式，即苯乙烯和AIBN的混合溶液先倒入20mL进液控制管， 利用阀控调节滴加速率。上述方法中所用的提拉设备为自组装设备，由市售的高精度脉宽调速装 置和改装的调速拉端两部分组成，两者通过电线相连接。其中调速拉端4的 改装部分为金属杆末端附加了自制方形金属架1,金属架内部设计安装一金 属横梁2，用铜丝3将拉端转轴5部分和金属横梁一端相连，使得金属横梁 在金属架内上下滑动，金属横梁的外端固定一金属铁夹，该金属铁夹用来固 定基片，如图2所示。上述方法中所用的提拉速度由调速装置调控，转速范围为0~200rpm, 对应才是4立线速度为0 ~ 0.12mm/s。本专利技术，其优点及 功效在于模板制备过程简单，易于操作，而且所用的原料来源广泛，该方 法稳定可控，适合作为制备大面积高品质微球模板的新型技术加以推广，有 较高的应用j介值。 附图说明图1涡旋液面组装法制备大面积微球有序阵列图2微球模板制备装置示意图图3微球模板阵列的表面SEM形貌以及截面形貌。图中具体标号如下1、金属架 2、金属横梁3、铜丝 4、调速拉端5、转轴 6、高精度脉宽调速装置具体实施例方式具体实施例方式下面结合具体实施方式及附图对本专利技术进行详细说明，请参阅图1及图3所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液面漩涡法组装大面积有序微球模板的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：　（１）、在敞口容器中注入一定量的超纯水，并在水面上放置一个洁净的空心特氟隆塑料环，使水面上产生一个稳定的漩涡；　（２）、将超声分散均匀的单分散性聚 苯乙烯微球乳液利用微量注射器滴加到涡旋水面上，当聚苯乙烯微球布满空心特氟隆塑料环，并形成一层致密的单颗粒层时停止滴加乳液，并且缓慢降低磁子转速直至停止；　（３）、当涡旋的漏斗形液面还原成水平面时，用水管将液面下的浑浊液体排出并且注入超 纯水，最后将基片浸入液面后，利用提拉设备将基片拉出，８０℃干燥即得到单层有序微球模板；　（４）、将步骤（３）干燥后的一次阵列镀膜的样品再次浸入液面以下，采用步骤（１）和（２）进行第二次阵列镀膜，获得双层阵列结构；如此反复即可获得多层的 微球阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王天民，朱海玲，张俊英，潘锋，祁洪飞，郝维昌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]