胶体颗粒薄膜的制备方法与流程

本发明涉及材料领域，特别是涉及一种胶体颗粒薄膜的制备方法。

背景技术：

胶体颗粒是单分散的、尺度在纳米、亚微米级别的有机或无机颗粒。纳米、亚微米尺度材料在光、电、磁、力等方面具有许多独特性质，胶体颗粒在人们生活中的很多方面也扮演着越来越重要的角色。将胶体颗粒在基底表面形成单层或多层胶体颗粒薄膜，不仅可以实现对基底的保护还可以使整体表现出胶体颗粒所不具备的性质，可以用于防腐蚀、催化、光电器件、传感器和生物医学等领域。

胶体颗粒薄膜的制备主要是通过胶体颗粒自组装的方式，即利用胶体颗粒与胶体颗粒之间及胶体颗粒与基底表面之间的相互作用力(库仑力、范德华力和疏水作用力等)，使胶体颗粒在这些作用下朝着自由能减小的方向运动，当体系能量达到最小时形成稳定的单层或多层胶体颗粒薄膜。通常，制备胶体颗粒薄膜的自组装方法有旋涂法、对流法、提拉法和静电力法等方法，其中旋涂法、对流法和提拉法都是利用胶体溶液在基底表面上的润湿而形成的薄膜效应，静电力法是使胶体颗粒在静电引力作用下组装到基底表面。

然而，旋涂法无法在曲面上形成均一的单层或多层胶体颗粒薄膜，对流法的操作方法较为复杂，且所需控制参数较多。静电力法虽然适用于曲面，但通常需要对基底进行改性，较难控制胶体颗粒的层数。提拉法是利用胶体溶液的液面在与基底接触的地方形成弯月面，该区域溶液的蒸发诱导产生了溶液的对流，胶体颗粒在此作用下移动到弯月面顶端，随着弯月面的减薄颗粒析出并吸附在基底上，同时控制胶体溶液的液面与基底进行缓慢的相对移动，从而不断在基底表面的不同位置形成新的弯月面并吸附新的胶体颗粒，最终在基底表面形成胶体颗粒薄膜。这种方法形成胶体颗粒薄膜的时间较长，效率低下，且应用在曲面基底上时，在相对移动过程中，由于曲面基底与液面形成的弯月面的形状是不断变化的，从而导致得不到均一的胶体颗粒薄膜。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种简单高效、对不同的基底具有广泛的适用性且能够形成均一的胶体颗粒薄膜的制备方法。

一种胶体颗粒的自组装方法，包括：

提供基底和胶体溶液，所述胶体溶液包括第一液体和分散于所述第一液体中的胶体颗粒；

提供第二液体，所述第二液体与所述第一液体互溶，且所述第二液体的表面张力小于所述第一液体的表面张力，用所述第二液体在所述基底表面形成一液膜；以及

将所述液膜与所述胶体溶液接触，从而在所述基底表面形成胶体颗粒薄膜。

在其中一个实施例中，所述将所述液膜与所述胶体溶液接触的方法包括：将形成有所述液膜的所述基底放入所述胶体溶液中，使所述液膜与所述胶体溶液接触；所述胶体颗粒薄膜的制备方法进一步包括：将形成有所述胶体颗粒薄膜的所述基底从所述胶体溶液中提拉出来。

在其中一个实施例中，所述第二液体的表面张力小于或等于所述第一液体的表面张力的1/2。

在其中一个实施例中，用于形成所述液膜的基底表面为平面或曲面。

在其中一个实施例中，用于形成所述液膜的基底表面为连续表面或不连续表面。

在其中一个实施例中，所述第一液体为水，所述第二液体为乙醇、丙酮、乙酸和甲醇中的至少一种。

在其中一个实施例中，将所述基底从所述胶体溶液提拉出来的过程中，使形成有所述胶体颗粒薄膜的所述基底表面与所述胶体溶液的液面的夹角大于45°且小于135°。

在其中一个实施例中，将所述基底从所述胶体溶液中提拉出来的速度小于5mm/s。

在其中一个实施例中，将所述基底从所述胶体溶液中提拉出来的速度大于2mm/s。

在其中一个实施例中，在将所述基底从所述胶体溶液中提拉出来之后，进一步包括干燥所述基底的步骤。

本发明提供的胶体颗粒薄膜的制备方法，当所述液膜与所述胶体溶液接触时，所述第二液体向所述第一液体进行扩散，并形成一离所述基底的表面距离越近，所述第二液体的浓度越高的浓度梯度。由于所述第二液体的表面张力小于所述第一液体的表面张力，从而可形成一离所述基底的表面距离越近，界面张力越小的界面张力梯度。在所述界面张力梯度的作用下，所述胶体颗粒向界面张力降低的方向运动直到与所述基底的表面接触，并在范德华引力的作用下被吸附在所述基底的表面形成所述胶体颗粒薄膜。

本发明利用第一液体和第二液体形成的界面张力梯度即可快速地实现所述胶体颗粒的自组装和所述胶体颗粒薄膜的制备，且在不同的基底上均可形成均一的所述胶体颗粒薄膜，制备效率高、操作简单、易于控制且成本较低，有利于大面积工业化制备。

附图说明

图1为本发明提供的胶体颗粒薄膜的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例1提供的胶体颗粒薄膜的扫描电镜照片；

图3为本发明实施例2提供的胶体颗粒薄膜的扫描电镜照片；

图4为本发明实施例3提供的胶体颗粒薄膜的扫描电镜照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明第一实施方式提供一种胶体颗粒的自组装方法，包括：

s1，提供基底和胶体溶液，所述胶体溶液包括第一液体和分散于所述第一液体中的胶体颗粒；

s2，提供第二液体，所述第二液体与所述第一液体互溶，且所述第二液体的表面张力小于所述第一液体的表面张力，用所述第二液体在所述基底表面形成一液膜；以及

s3，使所述液膜与所述胶体溶液接触，从而将所述胶体颗粒组装在所述基底表面形成胶体颗粒薄膜。

在步骤s1中，所述基底的材料和种类不限，可以根据实际需要进行选择。所述基底用于形成所述液膜的表面可以是平面，也可以是曲面。所述基底用于形成所述液膜的表面可以是连续表面，也可以是不连续表面，例如网状面。所述基底可以由有机材料、无机材料和金属材料中的至少一种制备而成。所述基底还可以是纤维状基底。

所述胶体颗粒和所述第一液体的种类不限，只要能够形成所述胶体溶液即可。所述第一液体可以是有机溶剂和无机溶剂中的至少一种，例如所述第一液体可以是水。所述胶体颗粒可以是无机颗粒(例如纳米银颗粒)或有机颗粒(例如聚四氟乙烯胶囊状颗粒，ptfe)。所述胶体颗粒形状可以是球形或胶囊状。

在步骤s2中，所述第二液体的种类不限，只要能够润湿所述基底从而形成所述液膜即可。优选地，所述第二液体本身即具有较小的表面张力，以便在所述基底上形成所述液膜。所述第二液体可以是乙醇、丙酮、乙酸和甲醇中的至少一种。

用所述第二液体在所述基底上形成所述液膜的方法不限。在一实施例中，用所述第二液体在所述基底上形成所述液膜的方法包括：将所述基底全部浸入所述第二液体中，然后将所述基底从所述第二液体中提拉出来，从而在所述基底上形成所述液膜。采用提拉法可以简单快速地获得较为均匀的所述液膜。优选地，可将所述基底从所述第二液体中竖直地提拉出来。

进一步地，在所述基底上形成所述液膜之前，还可包括对所述基底进行清洗的步骤，用以去除所述基底表面残留的污渍。可采用丙酮、乙醇和去离子水中的至少一种对所述基底进行清洗。清洗完毕后，将所述基底的表面吹干后再形成所述液膜。

在步骤s3中，当所述液膜与所述胶体溶液接触时，所述第二液体向所述第一液体进行扩散，并形成一离所述基底的表面距离越近，所述第二液体的浓度越高的浓度梯度。由于所述第二液体的表面张力小于所述第一液体的表面张力，从而可形成一离所述基底的表面距离越近，界面张力越小的界面张力梯度。在所述界面张力梯度的作用下，所述胶体颗粒向界面张力降低的方向运动直到与所述基底的表面接触，并在范德华引力的作用下被吸附在所述基底的表面形成所述胶体颗粒薄膜。

本发明提供的胶体颗粒薄膜的制备方法，利用第一液体和第二液体形成的界面张力梯度即可快速地实现所述胶体颗粒的自组装，操作简单高效，容易实现，控制参数较少，且对不同的基底具有普适性。另外，无论采用何种基底，所述胶体颗粒的自组装条件均相同，因此，均可得到均一的所述胶体颗粒薄膜。

当所述第二液体为可挥发性溶剂(例如乙醇)时，可将所述液膜快速地与所述胶体溶液接触，防止第二液体在所述液膜与所述胶体溶液接触之前挥发。

所述第二液体的表面张力与所述第一液体的表面张力差距越大，所述胶体颗粒越能够顺利快速地吸附于所述基底上从而越顺利快速地形成所述胶体颗粒薄膜。优选地，所述第二液体的表面张力小于或等于所述第一液体表面张力的1/2。

当所述胶体颗粒薄膜形成之后，即使所述第一液体与所述第二液体通过扩散作用而均匀混合，使所述界面张力梯度消失，所述胶体颗粒薄膜由于与基底之间存在范德华力等作用力，仍然能够牢固地吸附于所述基底表面。

在一实施例中，可采用将形成有所述液膜的所述基底放入所述胶体溶液的方式，来使得所述液膜与所述胶体溶液接触。由于胶体溶液中的胶体颗粒可能是大量的，除在基底表面自组装形成胶体颗粒薄膜外，可能还有部分胶体颗粒自由存在在第二液体中，所述胶体颗粒薄膜的制备方法在形成所述胶体颗粒薄膜之后可进一步包括：

s4，将形成有所述胶体颗粒薄膜的基底从所述胶体溶液中提拉出来。

在步骤s4中，将所述基底从所述胶体溶液中提拉出来具体是指在所述基底脱离所述胶体溶液的过程中，使得形成有所述胶体颗粒薄膜的所述基底表面与所述胶体溶液的液面夹角大于0°且小于180°，以防止所述基底从所述胶体溶液脱离的过程中，使含有未组装为胶体颗粒薄膜的自由的胶体颗粒的胶体溶液残留在所述胶体颗粒薄膜上而影响所述胶体颗粒薄膜的均一性。优选地，在将所述基底从所述胶体溶液中提拉出来的过程中，使得形成有所述胶体颗粒薄膜的所述基底表面与所述胶体溶液的液面的夹角大于45°且小于135°，以保证所述基底上不会残留多余的胶体溶液。

可将所述基底从所述胶体溶液中缓慢地提拉出来，以使得所述胶体溶液不会被所述基底带出，从而保证最终获得的所述胶体颗粒薄膜的均一性。优选地，将所述基底从所述胶体溶液中提拉出来的速度小于5mm/s，以保证所述胶体溶液不会被所述基底带出。更为优选地将所述基底从所述胶体溶液中提拉出来的速度大于2mm/s，以使得所述基底能够快速地脱离所述胶体溶液。

在所述步骤s4之后，还可包括干燥所述基底的步骤来去除所述基底表面的第一液体和/或第二液体。干燥所述基底的方法可以根据实际需要进行选择，例如可采用自然晾干的方法干燥所述基底。

实施例1：

将硅片依次采用丙酮、乙醇、去离子水各清洗5分钟，清洗完毕采用氩气吹干。把硅片放入无水乙醇中，竖直提拉出液面，乙醇在硅片表面铺展成薄膜。将质量分数为60％的ptfe胶体溶液用去离子水稀释成质量分数为6％的ptfe胶体溶液，超声搅拌10min，在乙醇挥发之前，将基底竖直放入质量分数为6％的ptfe胶体溶液中，再以3mm/s的速度竖直提拉出液面，将硅片放在空气中自然干燥，待水分挥发后经扫描电子显微镜表征，如图2所示，可以看出硅片被ptfe胶体颗粒薄膜覆盖，ptfe胶体颗粒薄膜是单层的且具有较好的均匀性。

实施例2：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于去离子水将ptfe胶体溶液质量分数稀释到12％。经扫描电子显微镜表征，如图3所示，硅片被ptfe胶体颗粒薄膜覆盖，ptfe薄膜胶体颗粒是双层的且均有较好的均匀性。

实施例3：

本实施例与所述实施例1基本相同，不同之处在于基底为不锈钢网。经扫描电子显微镜表征，如图4所示，不锈钢网被ptfe胶体颗粒薄膜覆盖，所述ptfe胶体颗粒薄膜具有较好的均匀性。

由以上实施例可以看出，本发明提供的胶体颗粒的自组装方法，不仅简单高效，容易实现，可以应用在平面及曲面等基底表面，具有较强的适用性，而且所述胶体颗粒薄膜中胶体颗粒的层数可以根据所述胶体溶液的浓度得到精确控制，所述胶体溶液的浓度越大，所述胶体颗粒薄膜的层数越多，从而可得到单层或多层的胶体颗粒薄膜。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。