无裂纹光子晶体的制备方法技术

本发明专利技术涉及无裂纹光子晶体的超快速制备方法，本发明专利技术采用旋涂、喷涂或喷墨打印的方法，将单分散乳胶粒、水溶性聚合物单体、交联剂、引发剂及水混合后得到的混合物乳液均匀涂覆或打印到亲水柔性基材表面，然后热引发混合物乳液中在单分散乳胶粒之间的水溶性聚合物单体聚合成聚合物，得到以单分散乳胶粒为骨架，在单分散乳胶粒骨架的空隙中填充有聚合物的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体或无裂纹且大面积图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体。进一步用溶剂溶解掉所述的复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散乳胶粒后，便可以得到无裂纹大面积反蛋白石结构光子晶体及无裂纹且大面积图案化的复合带隙的反蛋白石结构光子晶体。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用旋涂、喷涂或喷墨打印制备高性能、无裂纹光子晶体的超快速制备方法，特别涉及无裂纹复合蛋白石结构光子晶体、无裂纹反蛋白石结构光子晶体、无裂纹且图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体，以及无裂纹且图案化的复合带隙的反蛋白石结构光子晶体的超快速制备方法。
技术介绍
光子晶体自1987年问世以来，由于其特殊的光调控性能，在光学、电子学，化学、生物化学等领域有着广泛的应用前景。利用化学自组装方法制备光子晶体具有成本低、操作简单等优点，从而吸引了科研工作者的研究兴趣。但是，在用化学自组装方法制备光子晶体的过程中，胶体微球子会在最后干燥过程中收缩，而胶体微球子与基材之间的粘滞力又防止其收缩，因此所产生的拉伸应力会造成所制备的光子晶体膜中存在严重的裂纹。这些不可避免的裂纹的产生限制了光子晶体在实际中的应用。为了解决此问题，科学家们已经开展了一定的前期工作，如通过采用模板辅助自组装(C. J. Jin, N. P. Johnson, NanoLett. 2005，5，2646-2650)、在自组装前将胶体微球高温预收缩(D. J. Norris, Appl. Phys.Lett.2004,84,3573-3575)及避免干燥(T. Sawada, Adv. Funct. Mater. 2005, 25 ;Τ· Sawada,Langmuir 2009,13315)等方法完全防止胶体微球收缩来避免裂纹的产生；或通过采用在液体表面自组装(Zentel R.，Chem. Mater. 2002，14，4023-402)、特殊物质诱导的向低堆积密度晶面转变(B. Hatton, L. Mishchenko, S. Davis, K. H. Sandhage, J. Aizenberg, PNAS, 107,23,10355)及在柔性基材上共组装聚合(CN :201010299208.x)的方法使胶体微球各向同性收缩，来避免了光子晶体在制备过程中导致裂纹产生的问题。另ー方面，传统的化学自组装制备光子晶体的方法，如重力沉积、竖直沉积，往往消耗数小时，甚至数天的时间，也不利于光子晶体的实际应用。为了解决光子晶体制备过程耗时过长的问题，科学家们发展了在数分钟内制备大面积光子晶体的方法，如旋涂(P. Jiang, J. Am. Chem. Soc. 2004，126，13778)、喷涂(L. Y. Cui, Macromol. Rapid Commun. 2009，30，598-603)及喷墨打印(L. Y. Cui,J. Mater. Chem. 2009，19，5499-5502)等。但超快速制备高质量、无裂纹光子晶体的方法还未见报道。本专利技术的方法速度超快、成本低廉、操作简单、緑色环保、普适性好，对推动光子晶体的实际应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供ー种超快速、成本低廉、操作简单、緑色环保、普适性好的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体、无裂纹大面积反蛋白石结构光子晶体、无裂纹且大面积图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体，以及无裂纹且大面积图案化的复合带隙的反蛋白石结构光子晶体的超快速制备方法。本专利技术的是采用旋涂、喷涂或喷墨打印(与计算机相结合，可以在计算机中设计图案)的方法，将单分散乳胶粒、水溶性聚合物単体、交联剂、引发剂及水混合后得到的混合物乳液均匀涂覆或打印到亲水柔性基材表面，然后在温度为50 85°C、相対湿度为50% 85%的条件下，使得上述单分散乳胶粒自组装在亲水柔性基材的表面，同时在上述温度和湿度条件下热引发混合物乳液中在单分散乳胶粒之间的水溶性聚合物单体聚合成聚合物，在上述单分散乳胶粒自组装在亲水柔性基材的表面的同吋，得到以单分散乳胶粒为骨架，在单分散乳胶粒骨架的空隙中填充有聚合物的无裂纹光子晶体。所述的无裂纹光子晶体是无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体或无裂纹且大面积图案化(具有计算机设计的图案)的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体。上述方法是利用填隙聚合物来减少单分散乳胶粒的收缩，由此减少干燥过程中产生的拉伸应力，而残余的拉伸应力又进ー步通过亲水柔性基材的形变释放出去，从而得到以单分散乳胶粒为骨架，在单分散乳胶粒骨架的空隙中均匀充分填充有聚合物的无裂纹光子晶体。上述方法不但可以在数分钟内实现无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体及无裂 纹且大面积图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体的制备，而且进ー步用合适的溶剂溶解掉所述的复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散乳胶粒后，便可以得到无裂纹大面积反蛋白石结构光子晶体及无裂纹且大面积图案化(具有计算机设计的图案)的复合带隙的反蛋白石结构光子晶体。本专利技术的利用旋涂、喷涂或喷墨打印的制备方法得到的无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体的光子带隙在250 2600nm之间。本专利技术的利用旋涂、喷涂或喷墨打印的制备方法得到的无裂纹大面积反蛋白石结构的光子晶体的光子带隙在150 2500nm之间。本专利技术的利用喷墨打印制备方法得到的无裂纹且大面积图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体的光子带隙在250 2600nm之间。本专利技术的利用喷墨打印制备方法得到的无裂纹且大面积图案化的复合带隙的反蛋白石结构光子晶体的光子带隙在150 2500nm之间。所述的混合物乳液的浓度为O. 1102 38. 96wt%。所述的混合物乳液中的单分散乳胶粒的含量为O. I 30wt%，水溶性聚合物单体与单分散乳胶粒的质量比为O. I I 8 1，水溶性聚合物単体交联剂引发剂的质量比为I : 0.01 : O. 01 I : 0.06 : O. 06 ;余量为水。优选方案为，所述的混合物乳液中的水溶性聚合物单体的含量为O. 01 8wt%，交联剂与引发剂的含量为O. 0002 O. 96wt%。所述的亲水柔性基材的厚度在O. 01 O. 7mm之间。所述的亲水柔性基材选自锡纸、铝箔、铜箔、钛箔、镍箔等金属薄片中的ー种；或选自金属锡、铝、铜、钛、镍中的两种以上的金属合金薄片中的ー种；或者是与水的静态接触角小于90°的塑料；所述的塑料优选的选自聚丙烯酸、聚碳酸酷、聚丙烯酰胺、聚酰亚胺、空气等离子体处理过的聚ニ甲基硅氧烷和空气等离子体处理过的聚氨酯等中的ー种。所述的单分散乳胶粒是市售产品，其粒径是80 IlOOnm ;选自单分散聚苯こ烯乳胶粒、单分散聚甲基丙烯酸甲酯乳胶粒、单分散聚(苯こ烯-甲基丙烯酸甲酷-丙烯酸)乳胶粒、单分散ニ氧化硅乳胶粒中的ー种。所述的水溶性聚合物单体是市售产品，选自丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、丙烯酸、丁烯酸、丁烯醇、甲基丙烯酸ニ甲胺こ酯及甲基丙烯酸羟こ酯所组成的组中的至少ー种。所述的聚合物选自聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚丁烯酸、聚丁烯醇、聚甲基丙烯酸ニ甲胺こ酯及聚甲基丙烯酸羟こ酯所组成的组中的至少ー种。所述的交联剂为N-N’ -亚甲基双丙烯酰胺。所述的引发剂是过硫酸盐和/或偶氮ニ异丁腈；所述的过硫酸盐是过硫酸钾、过硫酸铵或它们的混合物等。所述的溶剂选自甲苯、四氢呋喃、1，4_ ニ氧六环和氢氟酸中的ー种。本专利技术在使用喷墨打印方法制备无裂纹大面积复合蛋白石结构光子晶体时，还可以制备具有复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体(其中的光子带隙在2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.ー种无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是采用旋涂、喷涂或喷墨打印的方法，将单分散乳胶粒、水溶性聚合物単体、交联剂、引发剂及水混合后得到的混合物乳液均匀涂覆或打印到亲水柔性基材表面，然后在温度为50 85°C、相対湿度为50% 85%的条件下，使得上述单分散乳胶粒自组装在亲水柔性基材的表面，同时在上述温度和湿度条件下热引发混合物乳液中在单分散乳胶粒之间的水溶性聚合物单体聚合成聚合物，在上述单分散乳胶粒自组装在亲水柔性基材的表面的同时，得到以单分散乳胶粒为骨架，在单分散乳胶粒骨架的空隙中填充有聚合物的无裂纹光子晶体； 所述的无裂纹光子晶体是无裂纹复合蛋白石结构光子晶体或无裂纹且图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体； 所述的混合物乳液中的单分散乳胶粒的含量为O. I 30wt%，水溶性聚合物单体与单分散乳胶粒的质量比为O. I I 8 1，水溶性聚合物単体交联剂引发剂的质量比为I : O. 01 : O. 01 I : O. 06 : O. 06;余量为水。2.根据权利要求I所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是在使用喷墨打印的方法制备无裂纹且图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体时，是将两种或两种以上含有不同粒径的单分散乳胶粒、水溶性聚合物単体、交联剂、引发剂及水混合后得到的混合物乳液，分别装于喷墨打印机的不同的墨盒中，其中每ー墨盒中的单分散乳胶粒的粒径相同，且每ー墨盒中的混合物乳液中的单分散乳胶粒的含量均为O. I 30wt%，水溶性聚合物単体与单分散乳胶粒的质量比为O. I I 8 1，水溶性聚合物単体交联剂引发剂的质量比为I : 0.01 O. 01 I : 0.06 0.06 ;经喷墨打印机进行图案打印并在温度为50 85°C、相対湿度为50% 85%的条件下，使上述单分散乳胶粒自组装在亲水柔性基材的表面，同时在上述温度和湿度条件下热引发乳液中在单分散乳胶粒之间的水溶性聚合物单体聚合成聚合物，得到无裂纹且图案化的复合带隙的复合蛋白石结构光子晶体。3.根据权利要求I所述的无裂纹光子晶体的制备方法，其特征是用溶剂溶解掉所述的无裂纹复合蛋白石结构光子晶体中作为骨架的单分散乳胶粒后，得到无裂纹反蛋白石结构光子晶体； 所述的无裂纹复合蛋白石结构光子晶体的光子带隙在250 2600nm之间；...

【专利技术属性】
技术研发人员：周金明，王京霞，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：