一种快速制备大面积二维胶体晶体的方法

xiaoxiao2020-09-10  1

专利名称:一种快速制备大面积二维胶体晶体的方法
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域的一种胶体晶体的制备方法,尤其涉及一种快速制备大面积二维胶体晶体的方法。
背景技术
胶体晶体是单一分散度的胶体粒子以有序的方式排列形成的材料,由于其在光子晶体、模板合成大孔材料以及制备纳米结构方面的应用,已经吸引了广泛的关注。传统的胶体晶体制备方法,例如重力沉降法(参见"Phase behaviour ofconcentrated suspensions of nearly hard colloidal spheres,P. N. Pusey,,,《Nature》,320 (1986),340-342),电泳沉禾只法(参见"Electrophoretic deposition of latex_based3D colloidal photonic crystals :A technique for rapid production of high-qualityopals",((Chem. Mater.)), 12 O000) ,2721-27 ),溶剂蒸发法(参见 “Single-CrystalColloidal Multilayers of Controlled Thickness”,《Chem. Mater.》,11 (1999),2132-2140)等,得到的多是三维的胶体晶体。但是,在表面上制备纳米结构的有序阵列,例如纳米球光刻技术、胶体光刻技术和掩模刻蚀等技术,却要求使用二维胶体晶体作为模板。当前通常采用对流自组织的方法制备二维胶体晶体(参见“Mechanism offormation of two-dimensional crystals from latex particles on substrates", 〈〈Langmuir》8(1992)3183-3190,和发明专利CN 101717994 —种大面积单畴二维胶体晶体的制备方法),但是这种方法要求基底是亲水的;另一类方法包括限域自组织法 (参见“Assembly of Mesoscale Particles over Large Areas and ItsApplication in Fabricating Tunable Optical Filters,,,〈〈Langmuir〉〉,15 (1999),266-273)、 旋涂 法(参见“Two-dimensional nonclose-packed colloidal crystalsformed by spincoating”,((App 1. Phys. Lett.》,89 (2006),011908)等,但这类方法也受可操作性及材料选择性的限制。又一类方法是水汽界面组织过程制备二维胶体晶体,其中最常用的是 Langmuir-Blodgett 技术(参见"Effects of the SurfacePressure on the Formation of Langmuir-Blodgett Monolayer of Nanoparticles”,《Langmuir》,2(^2004),2274—2276), 但是这个制备过程要求精密贵重的仪器,而且效率较低;而另一种界面悬浮自组织过程法(参见“Macroscopic Arrays ofMagnetic Nanostructures from Self-Assembled Nanosphere Templates", ((Langmuir)), 23 (2007),1057-1060)虽然不需要贵重仪器,方便快捷,但经该过程制备的二维胶体晶体的质量以及面积等都有限,妨碍了二维胶体晶体的应用。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提出一种制备大面积二维胶体晶体的方法,其具有简便、快速、成本低廉等特点。为了实现上述发明目的,本发明采用了如下技术方案
一种快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,它包括以下步骤(1)将胶体粒子均勻分散于水和醇的混合物中,形成胶体粒子的分散液,所述水和醇的混合物中醇含量为"98v% (体积百分比),所述醇为烷基碳原子数< 3的醇,所述胶体粒子的分散液中胶体粒子的含量> IOwt% ;(2)将胶体粒子分散液缓慢加到水面,形成二维胶体晶体。具体而言,所述胶体粒子为聚合物粒子,粒子直径在100nm-20 μ m之间。所述聚合物采用聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。 所述聚合物粒子是通过乳液聚合法或悬浮聚合法制备的。在以乳液聚合法制备所述聚合物粒子的过程中,所采用的乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或两种以上的任意组合。在以悬浮聚合法制备所述聚合物粒子的过程中,所采用的稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮。该方法还包括如下步骤(3)将形成的二维胶体晶体静置至少5min后转移到基片表面。步骤C3)具体为在形成二维胶体晶体的水面上加入表面活性剂,再静置至少 5min后转移到基片表面。该方法中是采用提拉法将二维胶体晶体转移到基片表面的。所述基片采用平面或曲面基片,如玻璃片等。与现有技术相比,本发明的优点在于利用高浓度的聚合物粒子在水汽界面的快速自组织,可以很快获得大面积的二维胶体晶体,而且胶体晶体中聚合物粒子为六角形的紧密排列形式,该二维胶体晶体可很容易地被转移到固体基底上。本发明方法具有简便、快速、成本低廉的特点,有益于扩大二维胶体晶体在纳米材料领域的应用。


图1是聚苯乙烯胶体粒子的二维胶体晶体的扫描电镜照片。图2是聚甲基丙烯酸甲酯胶体粒子的二维胶体晶体的扫描电镜照片。
具体实施例方式针对现有二维胶体晶体制备工艺的不足,本案发明人经长期研究和实践,提出了本发明的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其包括以下步骤(1)配制高浓度的胶体粒子水醇的分散液;(2)将高浓度的胶体粒子分散液加到水面形成二维胶体晶体。其中,所述胶体粒子优选为聚合物粒子,首选是聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯这两种最常见聚合物,其可通过乳液聚合或悬浮聚合方法制备,制备时可以加入交联剂如对二乙烯基苯,从而获得交联的聚合物粒子;对于乳液聚合工艺,其乳化剂首选十二烷基硫酸钠,十二烷基磺酸钠,十二烷基苯磺酸钠或上述乳化剂的任意比例的混合物,分散聚合的稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮;进一步的,所制备的聚合物粒子至少要经过一个分离、洗涤、再分散的处理步骤, 洗涤液为水,醇或水醇的任意比例混合液。
步骤(1)中粒子分散液优选采用水和醇的混合物,且醇是碳原子数不大于3的低元醇,其在混合物中的体积百分比在-98%之间;前述胶体粒子的浓溶液指胶体粒子在分散液中的质量分数不小于10%。步骤O)中将胶体粒子分散液加到水面后,胶体粒子自组织形成二维胶体晶体; 如果要将此二维胶体晶体膜转移到固体基底上,要在粒子形成二维胶体晶体后静置至少5 分钟,以使得进入到水中的粒子充分地扩散到水中,这样粒子膜在转移到基底上时才不至于将进入到水中的粒子带到基底上。在静置处理之前,还可在形成二维胶体晶的水面上滴加少量表面活性剂溶液使之固化。前述二维胶体晶体膜可通过直接提拉法等转移到玻璃片等基片上。以下结合附图及若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。实施例1该快速制备大面积二维胶体晶体的方法具体为用十二烷基磺酸钠做乳化剂,制备聚苯乙烯粒子,制备的粒子经过一次离心、 1 1的水乙醇洗涤和再分散,形成质量浓度30%的粒子分散液,将粒子分散液缓慢加到纯水表面,在水面上形成粒子膜(二维胶体晶体),然后向水面滴加一滴十二烷基磺酸钠的水溶液,静置5分钟,而后用玻璃片直接提拉,使该二维胶体晶体转移到玻璃片表面,其形态如图1的扫描电镜照片所示。实施例2该快速制备大面积二维胶体晶体的方法具体为用十二烷基硫酸钠做乳化剂,制备聚甲基丙烯酸甲酯粒子;制备的粒子经过一次离心、1 1的水乙醇洗涤和再分散,形成质量浓度25%的粒子分散液,将粒子分散液缓慢加到纯水表面,在水面上形成粒子膜(二维胶体晶体),然后向水面滴加一滴十二烷基硫酸钠的水溶液,静置5分钟,而后用玻璃片直接提拉,使该二维胶体晶体转移到玻璃片表面,其形态如图2的扫描电镜照片所示。以上仅是本发明的较佳应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案,均落在本发明权利保护范围之内。
权利要求
1.一种快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,它包括以下步骤(1)将胶体粒子均勻分散于水和醇的混合物中,形成胶体粒子的分散液,所述水和醇的混合物中醇含量为-98v%,所述醇为烷基碳原子数< 3的醇,所述胶体粒子的分散液中胶体粒子的含量> IOwt% ;(2)将胶体粒子分散液缓慢加到水面,形成二维胶体晶体。
2.根据权利要求1所述的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,所述胶体粒子为粒径在100nm-20 μ m之间的聚合物粒子。
3.根据权利要求2所述的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,所述聚合物采用聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
4.根据权利要求2所述的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,所述聚合物粒子是通过乳液聚合法或悬浮聚合法制备的。
5.根据权利要求4所述的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,在以乳液聚合法制备所述聚合物粒子的过程中,所采用的乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或两种以上的任意组合。
6.根据权利要求4所述的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,在以悬浮聚合法制备所述聚合物粒子的过程中,所采用的稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮。
7.根据权利要求1所述的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,该方法还包括如下步骤(3)将形成的二维胶体晶体静置至少5min后转移到基片表面。
8.根据权利要求7所述的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,步骤(3) 具体为在形成二维胶体晶体的水面上加入表面活性剂,再静置至少5min后转移到基片表
9.根据权利要求7或8所述的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,该方法中是采用提拉法将二维胶体晶体转移到基片表面的。
10.根据权利要求9所述的快速制备大面积二维胶体晶体的方法,其特征在于,所述基片采用平面基片或曲面基片。
全文摘要
本发明涉及一种快速制备大面积二维胶体晶体的方法,包括以下步骤将胶体粒子均匀分散于水和醇的混合物中,形成胶体粒子的分散液,该水和醇的混合物中醇含量为1v%-98v%,该醇为烷基碳原子数≤3的醇,该胶体粒子的分散液中胶体粒子的含量≥10wt%;将胶体粒子分散液缓慢加到水面,形成二维胶体晶体。本发明利用高浓度的聚合物粒子在水汽界面的快速自组织,可以很快获得大面积的二维胶体晶体,而且胶体晶体中聚合物粒子为六角形的紧密排列形式,该二维胶体晶体可很容易地被转移到固体基底上。本发明方法具有简便、快速、成本低廉的特点,有益于扩大二维胶体晶体在纳米材料领域的应用。
文档编号C30B29/64GK102162136SQ201110046810
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者吕志成, 周明 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

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