[发明专利]自支撑的胶体光子晶体膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于胶体光子晶体的制备及应用技术领域，尤其涉及通过共交联自组装的方法制备大面积、自支撑的胶体光子晶体的方法。

背景技术

自从1987年光子晶体的概念提出后，光子晶体以其特殊的光调控性能在光学器件、传感器件及催化体系中都具有非常重要的应用，因而光子晶体材料的制备和应用备受关注。而高质量、大面积光子晶体的制备一直是影响光子晶体应用的非常关键的因素。目前光子晶体的制备方法主要有两种：一种是自上而下的微加工方法，该方法工艺复杂、成本高，且亚微米尺度的光子晶体难以制备；另一种是由下而上的自组装方法，该方法相对简单、廉价，但膜很难避免缺陷。这两种方法存在的问题限制了光子晶体的实际应用。

为解决光子晶体制备中存在的问题，我们在以前的专利申请中(CN：200810115540.9，CN：200910243197.0)，通过普通的市售喷墨打印机制备得到了大面积、图案化的单带隙及复合单带隙的光子晶体，但所制备得到的光子晶体膜还存在一定的缺陷。为解决该问题，我们在本发明中采用弹性材料为组装基底，通过乳胶粒与其它可聚合单体共交联自组装的方法，最终制备得到了大面积、自支撑的聚合物胶体光子晶体。这种通过采用弹性基底及可聚合单体共交联自组装方法制备高强度的光子晶体的方法简单、实用，能有效的拓展光子晶体的应用。该方面目前未见文献及专利报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种大面积、自支撑的胶体光子晶体膜的简单制备方法。

本发明以弹性材料作为组装基底，同时将一定浓度的单分散乳胶粒的水乳液、可聚合单体、引发剂及交联剂以一定比例混合，将混合物滴涂或辊涂在弹性水凝胶基底上进行共交联自组装，在组装过程中，可聚合单体及交联剂在单分散乳胶粒间隙中聚合，水蒸发干燥后，就可形成自支撑的周期性排列的三维胶体光子晶体膜。本发明的自支撑的胶体光子晶体膜具有良好的光学性能，在光学器件，集成光路，传感器件等方面具有潜在的应用前景。

本发明的自支撑的胶体光子晶体膜的制备方法包括以下步骤：

(1)弹性水凝胶基底的制备

将可聚合单体、引发剂、交联剂及水的混合溶液均匀涂布在基底上，经光照和/或加热引发可聚合单体聚合后，得到弹性水凝胶基底；

(2)自支撑的胶体光子晶体膜的制备

将含可聚合单体、引发剂及交联剂的单分散乳胶粒的水乳液均匀涂布在步骤(1)得到的弹性水凝胶基底上，在光照和/或加热条件下进行单分散乳胶粒与可聚合单体及交联剂的共交联自组装，得到自支撑的胶体光子晶体膜。

所述的加热的温度为30～90℃。

所述的光照的条件是用波长为200nm～400nm的紫外灯作为光源，光照强度为1mW/cm²～2W/cm²。

步骤(2)所述的共交联自组装的空气相对湿度为30～90RH％。

所述的涂布方法为滴涂、旋涂或辊涂中的一种。

所述的滴涂优选过程是：将所述的混合溶液或所述的水乳液滴在基底上，所述的混合溶液或所述的水乳液自然铺展成膜。

所述的旋涂优选过程是：将所述的混合溶液或所述的水乳液滴在基底上，然后以一定速度(500～2000rpm)旋涂成膜。

所述的辊涂优选过程是：将以上所述的混合溶液或所述的水乳液滴在基底上，然后用玻璃棒辊涂成膜。

步骤(1)用于涂布混合溶液的基底为聚合物薄膜、金属、玻璃、硅片、陶瓷等中的任意一种。

所述的可聚合单体、引发剂、交联剂及水的混合溶液中的可聚合单体的含量为1～40wt％、引发剂的含量为0.1～5wt％、交联剂的含量为0.1～5wt％、余量为水。

所述的含可聚合单体、引发剂及交联剂的单分散乳胶粒的水乳液中的可聚合单体的含量为1～20wt％、引发剂的含量为0.1～5wt％、交联剂的含量为0.1～5wt％、单分散乳胶粒的含量为0.5～40wt％、余量为水。

所述的可聚合单体为丙烯酸、丙烯酸衍生物或它们的混合物。

所述的丙烯酸衍生物选自甲基丙烯酸、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、N-甲基异丙基丙烯酰胺等所组成的组中的至少一种。

所述的引发剂为光引发剂和/或热引发剂。

所述的光引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、2，4，6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、1-羟基环己基苯基甲酮等中的一种。

所述的热引发剂为水溶性的过硫酸铵、水溶性的过硫酸钾、水溶性的过氧化氢等中的一种；或者是偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐等水溶性的偶氮类引发剂等中的一种。