[发明专利]一种无机纳米晶掺杂高分子微球调控折射率及光子晶体颜色的方法

说明书

本发明公开了属于纳米光学复合材料技术领域的一种无机纳米晶掺杂高分子微球调控折射率及光子晶体结构色的新方法。本发明采用乳液聚合技术，将油溶性无机纳米颗粒包覆到聚合物中，得到了水溶性好、单分散的聚合物包覆纳米颗粒的复合纳米球。通过掺杂无机纳米晶，有效调节了聚合物光子晶体微球的折射率及光子晶体反射颜色。本发明得到的复合纳米球的粒径可在150‑400nm、折射率可在1.6‑2.1范围内精确调控，组装后的结构色波长可在450‑690nm范围内有效调控。其粒径分布均匀，能在水中长期稳定，亲水性强。这种复合纳米球有望应用于绿色印刷、分析传感等领域，并且合成成本低廉。

技术领域

本发明属于纳米光学复合材料技术领域，特别涉及一种无机纳米晶掺杂高分子微球调控折射率及光子晶体颜色的方法。

背景技术

光子晶体(Photonic crystals)最初是在二十世纪八十年代提出的，由于其具有许多突出的特性，大量的研究人员投身于光子晶体的理论与应用研究，使得光子晶体学科取得了不断发展。根据布拉格衍射定律可知，胶体光子晶体结构色(光在光子晶体表面反射颜色)与胶体微球尺寸、微球折射率和入射光角度有关。在入射角都为零时，微球尺寸越大，反射光波长越长。微球折射率越大，反射波长越长。

现有研究表明，常用的人工胶体光子晶体微球主要是聚苯乙烯或二氧化硅微球。现有调节胶体光子晶体微球反射颜色的方法是通过调控微球尺寸实现的，而微球尺寸的精确调控难度大，结构色调控困难。迄今为止，尚未见报道在聚苯乙烯微球中掺杂高折射率的无机纳米颗粒，合成无机-有机复合纳米微球，通过调控无机纳米颗粒的掺杂量，进而调节复合微球折射率和胶体光子晶体的结构色。以前有用聚合物包覆无机纳米粒子，改善无机纳米颗粒水溶性和荧光性质的报道，通常是把高分子制备好或用购买来的高分子嫁接到无机纳米颗粒表面，但无法有效控制无机-有机复合微球的形貌和尺寸均一性，也没有将其用于折射率和胶体光子晶体结构色的调控研究。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种无机纳米晶掺杂高分子微球调控折射率及光子晶体颜色的方法：利用乳液聚合技术，在合成聚苯乙烯微球的过程中，将油溶性二氧化钛纳米颗粒分散在苯乙烯单体中，随着聚苯乙烯聚合的而将TiO₂包覆于聚苯乙烯微球中，合成无机纳米晶掺杂的高分子微球。

进一步的，所述无机纳米晶掺杂高分子微球调控折射率及光子晶体颜色的方法，得到的无机纳米晶掺杂的高分子微球的粒径范围为150-400nm、折射率范围为1.6-2.1，组装后的结构色波长范围为450-690nm。

进一步的，所述无机纳米晶掺杂高分子微球调控折射率及光子晶体颜色的方法，包括以下步骤：

a.将油酸包裹的油相纳米颗粒均匀分散在10-15mL的苯乙烯中得到纳米颗粒溶液，其中纳米颗粒为0.5-2mmol；

b.将1.2-1.5g数均分子量为10000-58000的聚乙烯吡咯烷酮加入80-90mL超纯水中充分溶解，加入10-15mL步骤a得到的纳米颗粒溶液，同时加入100-150μL二乙烯基苯为交联剂，搅拌均匀后加入含0.1-0.15g过硫酸铵的10-15mL过硫酸铵的水溶液，搅拌条件下70-75℃反应5-6h；反应结束后取出乳液，加过量乙醇洗涤离心2-5次，最后将产物稳定分散在去离子水中，得到无机纳米晶掺杂高分子微球。

进一步的，所述的纳米颗粒为油溶性的TiO₂。

进一步的，所述的油酸包裹的油相纳米颗粒的制备方法为：将0.3-0.35g NaOH、4-5mL H₂O、4-5mL油酸、20-25mL乙醇混合均匀并缓慢搅拌10-20min，逐滴加入100-120μL四氯化钛，搅拌10-20min后装入40mL反应釜中，180-190℃下加热12-16h；自然冷却至室温，倒去上清液，将底部沉淀用4-5mL环己烷溶解，加过量乙醇洗涤离心，得到表面被油酸包裹的油相纳米颗粒。