一种制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法
【专利摘要】本发明公开一种制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法，先在烧杯内依次加入乙醇、水和亚微米尺度聚苯乙烯微球，配置成亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液；然后将烧杯置于超声波清洗器内，令悬浮液内的亚微米尺度聚苯乙烯微球均匀分散；最后将烧杯放置在恒温干燥箱内干燥加热，在烧杯内悬浮液的气-液界面处生成亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体。本发明可通过调整醇水比例精确地控制单层聚苯乙烯胶粒晶体的组装，能够实现大面积单层聚苯乙烯胶粒晶体的快速组装，简便、快速、高效，对设备要求低，常规的实验室设备即可完成组装。
【专利说明】一种制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备亚微米尺度聚苯乙烯胶粒晶体的新方法，尤其是一种制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法。
【背景技术】
[0002]一、相关术语解释:
胶粒晶体:由一定尺度的胶体微球采用一定的方法制备(或自组装)而成的有序组装体。
[0003]单层胶粒晶体:仅由一层胶体微球组装而成的胶粒晶体。
聚苯乙烯胶体微球:以苯乙烯为单体采用一定的聚合方法聚合而成的球形粒子，用于胶粒晶体组装的胶体微球粒径相对标准偏差应〈5%。
[0004]亚微米尺度:是指在100~1000nm的尺度范围。
[0005]醇水比:乙醇和水的质量比，用K表示。
[0006]二、【背景技术】介绍:
近10年来,亚微米尺度聚 苯乙烯(PS)微球组装的胶粒晶体(colloidal crystals)越来越引起人们的关注。作为一类新型有序材料，PS胶粒晶体可潜在地用于具有带隙的光子晶体、光学滤波器、光开关、高密度电磁数据存储器以及化学和生物化学传感器。同时，利用胶粒晶体作为模板制备的有序大孔材料可用于催化、光敏太阳能电池、分离技术以及吸附材料等等。目前，单层亚微米尺度PS胶粒晶体以其良好的滤光性逐渐成为带隙光学材料研究的重点。
[0007]通常，PS胶粒晶体是采用单分散的PS胶体颗粒的有序组装来实现。胶粒晶体由一种或多种单分散胶体粒子组装并规整排列而成的二维或三维有序结构体。胶粒晶体的自组装方法很多，如重力沉积法、垂直沉积法、室温快速组装法、旋涂法、浸涂法、气-液界面组装法以及其他方法。根据上述不同方法的特点，可分别适合组装不同材质、不同粒度或表面特点的胶体微球。其中适合组装亚微米尺度PS微球胶体晶体的方法包括重力沉积法、垂直沉积法、室温快速组装法以及水介质气-液界面组装法等，但这几种方法均难以有效控制薄膜晶体的层数，故无法得到单层的PS胶粒晶体。采用旋涂法和浸涂法可获得单层PS胶粒晶体，但需要依赖较为复杂的仪器设备，且晶体中PS微球排列的有序度较差。
[0008]文献调研发现，韩国人Im等人在2002年在德国的《先进材料》期刊上最先报道了一种气-液界面组装亚微米PS胶体晶体的方法。该方法是在以水为分散介质的PS胶体微球悬浮液表面组装PS胶粒晶体有与本发明相近的技术方案，但该方法组装的PS胶粒晶体均为三维组装体(即多层组装体)，无法实现单层PS胶粒晶体的组装。
[0009]因此，现有绝大部分组装方法仅能够组装三维PS胶粒晶体，无法实现单层PS胶粒晶体的组装。即使悬浮法和浸涂法可实现单层PS微球的单层组装，但对组装所使用的设备要求较高，而且组装周期(时间)较长，组装的单层PS胶粒晶体的质量较差。
【发明内容】
[0010]本发明针对单层PS胶粒晶体的有序自组装，提出了一种在醇水混合介质的气-液界面组装单层聚苯乙烯胶粒晶体的简便方法，采用该方法可以实现大面积单层聚苯乙烯胶粒晶体的快速组装。本方法具有设备简单，条件要求低，组装效率高等特点。
[0011]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:
一种制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法，包括以下步骤:
Si:在烧杯内依次加入乙醇、水和亚微米尺度聚苯乙烯微球，配置成亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液；
S2:将烧杯置于超声波清洗器内超声分散3min，令悬浮液内的亚微米尺度聚苯乙烯微球均匀分散；
S3:将烧杯放置在恒温干燥箱内，温度设定在70-80°C，恒温加热20-30min后，在烧杯内悬浮液的气-液界面处生成亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体。
[0012]进一步，步骤SI中所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液中，乙醇和水的混合质量比为15-20:1，亚微米尺度聚苯乙烯微球的粒径为100-550nm。
[0013]进一步，步骤SI中所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液中，乙醇和水的混合质量比为18:1，亚微米尺度聚苯乙烯微球的粒径为300nm。
[0014]进一步，所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液的质量百分比浓度为l_5wt%。
[0015]再进一步，所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液的质量百分比浓度为2wt%。
[0016]本发明的有益效果在于:本发明可以在一定比例的乙醇和水作为分散介质的PS溶胶的气-液界面处快速组装出单层PS胶粒晶体，可通过调整醇水比例精确地控制单层聚苯乙烯胶粒晶体的组装，能够实现大面积单层聚苯乙烯胶粒晶体的快速组装，本发明能够简便、快速、高效地组装单层亚微米PS胶粒晶体，对设备要求低，常规的实验室设备即可完成组装。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是组装单层PS胶粒晶体的工艺流程图；
图2是烧杯内单层PS胶粒晶体组装示意图；
图3是单层PS胶粒晶体SEM照片。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步详细描述。
[0019]组装聚苯乙烯胶粒晶体的方法有很多种，例如:重力沉积法、垂直沉积法、室温快速组装法、水介质气-液界面组装法、离心沉积法、旋涂法、浸涂法等。除后两种方法外，上述方法在制备聚苯乙烯胶粒晶体时，均不同程度地存在组装周期长，组装质量差，设备要求高，特别是无法实现单层组装的问题。旋涂法和浸涂法虽可获得单层聚苯乙烯胶粒晶体，但仍然存在设备要求高，操控难度大以及组装质量差等问题。相比较而言，本发明所提供的方法可通过醇水比例精确地控制单层聚苯乙烯胶粒晶体的组装。
[0020]具体地，一种制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法，如图1所示，包括以下步骤:Si:在烧杯内依次加入乙醇、水和亚微米尺度聚苯乙烯微球，配置成亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液；
S2:将烧杯置于超声波清洗器内超声分散3min，令悬浮液内的亚微米尺度聚苯乙烯微球均匀分散；
S3:将烧杯放置在恒温干燥箱内，温度设定在70-80°C，恒温加热20-30min后，在烧杯内悬浮液的气-液界面处生成亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体，如图2所示。
[0021]步骤SI中所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液中，乙醇和水的混合质量比为15-20:1，亚微米尺度聚苯乙烯微球的粒径尺度范围为100-550nm。优选地，乙醇和水的混合质量比为18:1，亚微米尺度聚苯乙烯微球的粒径尺度范围为300nm。
[0022]所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液的质量百分比浓度为l_5wt%，最优值为2wt%0
[0023]本发明包括两个部分的内容，一是PS微球悬浮液的配置方法，二是制备(组装)单层聚苯乙烯胶粒晶体的工艺。
[0024]在一个实施例中，PS微球悬浮液的配置方法如下:
按照质量比，将15-20份的乙醇与1份的水混合(最优值为18份乙醇与1份水混合)，再加入亚微米尺度的PS微球(粒径尺度范围在100-550nm，最优尺度为300nm)，配置成PS微球占悬浮液质量百分比浓度为l_5wt%的悬浮液(最优值为2wt%)，即得到用于组装单层PS胶粒晶体的PS微球悬浮液。具体悬浮液配置实例见表1。
[0025]表1.PS悬浮液配置及气-液界面组装实例
No|醇水比K |PS微球浓度/wt%|PS微球粒径/nm|组装温度/°C |组装时间/min —` ~15:1—4.0~ 1007020
18:1^3.5~2007520—
3~ 20:1^ 3.3~2508020—
~15:1^4.5~3007025—
一:^2.6~3507525—
6~ 20:1^ 3.0~4008025—
~15:1_2.0~4507030—
8~ 18:1_1.5~5007530—
9 丨20:1 |?.8|550丨80丨30—
在另一个实施例中，制备(组装)单层聚苯乙烯胶粒晶体的工艺如下:组装工艺如图1所示。在一个干净的50mL烧杯内依次加入乙醇、水和PS微球，配置成PS微球悬浮液；将烧杯置于超声波清洗器内超声分散3min，令悬浮液内的PS微球均匀分散；再将烧杯放置在恒温干燥箱内，温度设定在70-80°C，恒温加热(即组装)20-30min,最终会在烧杯内悬浮液的气-液界面处生成单层PS胶粒晶体，如图2所示。
[0026]图3显示的是采用上述方法制备的单层PS胶粒晶体的扫描电镜(SEM)照片。悬浮液的配置条件为，醇水比K=20:1，选用的亚微米PS胶体微球的粒径dPS=230 土 I lnm, PS微球在悬浮液中质量百分比浓度为3.30wt%o组装温度为70°C，组装时间为25min。
[0027]从图3中可以清楚地看到PS胶体微球呈现单层排列，这种排列是一种单层六方密堆积的形式。尽管PS胶粒晶体中存在一些裂隙缺陷，显得晶体中PS微球排列较为疏松，但PS胶粒晶体的单层排列形式却清晰可见。上述缺陷是在PS胶粒晶体由悬浮液气-液界面转移到玻璃基片(转移目的是为了进行SEM表征测试)的过程中造成的，实际上在悬浮液气-液界面处单层PS胶粒晶体是排列非常紧密的。[0028]上述制备单层PS胶粒晶体的方法中，配置PS微球悬浮液是关键步骤。其中醇水比K的取值范围设定在15:1-20:1是最关键的，是确保PS微球单层组装成膜的必要条件之一。
[0029]本发明可以在一定比例的乙醇和水作为分散介质的PS溶胶的气-液界面处快速组装出单层PS胶粒晶体，可通过调整醇水比例精确地控制单层聚苯乙烯胶粒晶体的组装，能够实现大面积单层聚苯乙烯胶粒晶体的快速组装，本发明能够简便、快速、高效地组装单层亚微米PS胶粒晶体，对设备要求低，常规的实验室设备即可完成组装。
[0030]本发明保护范围不限于上述实施方式，凡是依据本发明技术原理所作的技术变形，均落入本发明的保护范围之内 。
【权利要求】
1.一种制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法，其特征在于，包括以下步骤: Si:在烧杯内依次加入乙醇、水和亚微米尺度聚苯乙烯微球，配置成亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液； S2:将烧杯置于超声波清洗器内超声分散3min，令悬浮液内的亚微米尺度聚苯乙烯微球均匀分散； S3:将烧杯放置在恒温干燥箱内，温度设定在70-80°C，恒温加热20-30min后，在烧杯内悬浮液的气-液界面处生成亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体。
2.根据权利要求1所述制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法，其特征在于，步骤SI中所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液中，乙醇和水的混合质量比为15-20:1，亚微米尺度聚苯乙烯微球的粒径为100-550nm。
3.根据权利要求2所述的制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法，其特征在于，步骤SI中所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液中，乙醇和水的混合质量比为18:1，亚微米尺度聚苯乙烯微球的粒径为300nm。
4.根据权利要求3所述的制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法，其特征在于，所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬浮液的质量百分比浓度为l_5wt%。
5.根据权利要求4所述的制备亚微米尺度单层聚苯乙烯胶粒晶体的新方法，其特征在于，所述亚微米尺度聚苯乙烯微球悬`浮液的质量百分比浓度为2wt%。
【文档编号】C30B29/58GK103556227SQ201310545582
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月7日 优先权日:2013年11月7日
【发明者】王晓冬, 仪桂云, 李彦伟, 孙正林, 仪云云, 王燕, 曹建亮, 孙广, 孟哈日巴拉, 张战营 申请人:河南理工大学