一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料及其制备方法
一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳材料制造及复合的智能材料制备领域，具体涉及一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]现代加工工艺的快速发展，带动了其他产业的发展。在信息化时代的今天，器件的功能集成化已经成了人们的日常需求。在这样的背景下，开发多功能、环保、节能材料是人类可持续发展的客观条件。光能以其节能环保的能源特性而备受关注。光学薄膜材料通过分层介质的传播方式实现光能的重新分配。更重要的是，柔性光学薄膜材料具备易修饰改性，易加工、易组装的特性。柔性智能薄膜材料还具有更为广阔的应用空间，例如柔性智能薄膜材料可被应用于光学数据存储、微流体过滤、传感器、催化、电极等领域。
[0003]目前，关于光学柔性智能材料的研究主要停留在利用多腔结构对外界条件的响应，引发腔体形变而诱发其机械性能。有研究者从电能驱动薄膜开始，制作了具有反蛋白石结构的聚吡咯驱动器，在电场的驱动下LiClO4溶液中实现了90°弯曲，但是利用电能驱动存在能源消耗高的问题。还有研究者提出了利用化学能驱动薄膜的思想，利用化学能驱动薄膜不存在电能消耗的问题，现有研究中也取得了一定的进展，如有的学者利用PI制备了具有多孔结构的柔性薄膜，并且在丙酮的气氛下所述多孔结构的柔性薄膜具有不错的机械性能;还有学者研究多腔结构的PDMS/PU薄膜，利用其在不同溶剂中溶胀特性实现了薄膜的弯曲、扭转等机械特性。但是上述利用化学能驱动薄膜的研究中仍然存在薄膜响应速度不可控，驱动方向可控性差以及溶剂检验定性难的问题。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明提供了一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料及其制备方法，通过光子晶体模板组装步骤、聚合物填充光子晶体模板步骤、光子晶体模板去除步骤以及后处理步骤，制备获得具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料。本发明制备的柔性智能薄膜材料兼备了光子晶体和聚合物的特性，突破了传统材料性能单一的不足，具备对光传播路径的调控与化学能驱动薄膜的双重特质，并解决了柔性薄膜驱动方向可控性差、响应速度不可控的问题。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，所述制备方法首先以球型颗粒为原料，通过组装获得光子晶体模板，再依次用同一种聚合物的低浓度聚合物溶液以及高浓度聚合物溶液填充所述光子晶体模板，经过固化处理，获得固化后聚合物填充的光子晶体模板，然后利用能够溶解所述球型颗粒的溶液去除所述光子晶体模板，获得去除光子晶体模板的薄膜，再经过清洗、干燥，即获得柔性智能薄膜材料。
[0006]进一步地，获得的所述光子晶体模板中所述球型颗粒呈周期性排列，并所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构;所述制备方法包括光子晶体模板组装步骤、聚合物填充光子晶体模板步骤、光子晶体模板去除步骤以及后处理步骤，制备获得柔性智能薄膜材料。
[0007]进一步地，所述制备方法具体包括以下步骤:
(1)光子晶体模板组装步骤:首先将球型颗粒分散在非溶解性溶剂中形成悬浊液，所述球型颗粒的体积百分比浓度为0.001%-0.05%，将衬底置于所述悬浊液中，放置所述衬底时，所述衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为30-80°，然后在真空干燥箱中蒸发所述非溶解性溶剂，待所述溶剂蒸发完全后，所述球型颗粒在所述衬底上规则排列，获得所述球型颗粒呈周期性排列的光子晶体模板；
(2)聚合物填充光子晶体模板步骤:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置同一种聚合物的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中聚合物的质量百分比浓度为7-15wt%，所述低浓度聚合物溶液中聚合物的质量百分比浓度为l-3wt%;
往步骤(I)制备获得的所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶体模板的滴加量不高于lyL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶体模板的滴加量不低于2yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充的光子晶体模板；
(3)光子晶体模板去除步骤:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充的光子晶体模板置于能够溶解步骤(I)中所述球型颗粒的溶液中浸泡，直至所述球型颗粒完全溶解，即完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜；
(4)后处理步骤:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得柔性智能薄膜材料。
[0008]进一步地，步骤(I)中，所述球型颗粒具有单分散性且粒径均匀，所述非溶解性溶剂为不与所述球型颗粒发生化学反应的易挥发性试剂。
[0009]进一步地，步骤(I)中，所述球型颗粒是二氧化娃微球，步骤(3)中能够溶解步骤
(I)中所述球型颗粒的溶液是质量百分数为20%的氢氟酸溶液。
[0010]进一步地，在步骤(2)中，所述聚合物为酰亚胺、四氟乙烯、偏氟乙烯、偏氟乙烯、六氟丙烯中的任意一种的聚合物或者任意两种形成的共聚物。
[0011]进一步地，在步骤(2)中，所述聚合物可以溶于N，N-二甲基甲酰胺。
[0012]进一步地，在步骤(I)中，所述真空干燥箱的真空度不低于0.2mkPa。
[0013]一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料，根据所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法制备获得，其特征在于，所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，并所述柔性智能薄膜材料具有溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能。
[0014]进一步地，所述柔性智能薄膜材料具有结构色，所述结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径；当使用粒径为150nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为紫色，当使用粒径为250nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为红色，当使用粒径为350nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为蓝色。
[0015]本发明的有益技术效果: 1.本发明通过光子晶体模板组装以及后续的光子晶体模板去除步骤，使获得的柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，从而使所述柔性智能薄膜材料兼备了光子晶体和聚合物的特性;这两种特性使得本发明的柔性智能薄膜材料突破了传统材料性能单一的不足，实现了对光传播路径的调控与化学能驱动薄膜的双重特质。
[0016]2.本发明制备的柔性智能薄膜材料具有易剪裁的特性，可以通过调整薄膜的剪裁方向来解决传统技术驱动方向可控性差的问题。
[0017]3.通过控制挥发性溶剂的使用量以及选用不同沸点的溶剂解决了调控驱动响应速度的问题。
[0018]4.所述柔性智能薄膜材料特有的周期性排列的多腔结构能够有效地控制光子活动范围，形成光子能带结构，利用空气和填充材料之间折射率差，致使材料选择吸收一定波长的光，实现了对光传播路径的调控。
[0019]5.所述柔性智能薄膜材料除了上述具有易剪裁、吸收特定波长可见光的特性，同时还具有可调控的疏水性、韧性、形状记忆功能、形状存储功能、溶剂驱动功能。
【附图说明】
[0020]图1为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料的截面扫描电镜照片。
[0021]图2为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料的表面的高倍扫描电镜照片。
[0022]图3为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料在挥发性溶剂驱动薄膜自回复过程的光学照片。
[0023]图4为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料在挥发性溶剂驱动薄膜自回复原理的光学照片。
[0024]图5为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料形状存储功能的显微镜照片。
[0025]图6为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料形状记忆功能的照片。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及 优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0028]实施例1
一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤:
(I)光子晶体模板组装:首先将具有单分散性且粒径为250nm的二氧化硅微粒分散在无水乙醇中，所述二氧化硅微粒的体积百分比浓度为0.001%，将清洗后的玻璃衬底置于所述悬浊液中，放置玻璃衬底时，控制所述玻璃衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为30-80°，然后真空干燥箱中蒸发所述无水乙醇，真空干燥箱的为真空度为0.3KMpa。待所述无水乙醇完全后，所述二氧化硅微粒在所述玻璃衬底上规则排列，获得所述二氧化硅微粒呈周期性排列的光子晶体模板；
(2)聚合物填充光子晶体模板:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量百分比浓度为7wt%，所述低浓度聚合物溶液中偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量百分比浓度为1^%;选用的所述聚合物具有成膜性，并利用所述聚合物制备的薄膜具有可形变性；
当步骤(I)所述光子晶体模板的表面积为2cm2时，先往所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，滴加量为2yL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，滴加量为4yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充后的光子晶体模板；
(3)光子晶体模板去除:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充后的光子晶体模板置于中质量百分数为20%的氢氟酸溶液中浸泡，直至所述二氧化硅微球完全溶解，完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜；
(4)后处理:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料。
[0029]所述光子晶体模板组装改进了传统的溶剂蒸发法，将质量密度比较大的二氧化硅微球作为组装材料，获得光子晶体模板，用所述光子晶体模板获得具有周期性排列的多腔结构的柔性智能薄膜。所述柔性智能薄膜在化学能驱动方向及响应速度方面取得了良好效果O
[0030]—种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料，根据上述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法制备获得，所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，所述柔性智能薄膜材料具有溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能;如图1图2分别为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料的截面扫描电镜照片以及所述柔性智能薄膜材料的表面的高倍扫描电镜照片，如图可见，所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列多腔结构，所述周期性排列多腔结构能够有效地控制光子活动范围，形成光子能带，上述多腔结构的周期性排列以及多腔结构中腔体的形状(球型)是能够形成光子能带的关键;利用空气和填充材料之间折射率差，致使材料选择吸收一定波长的光，实现了对光传播路径的调控。并且基于上述原因，所述柔性智能薄膜材料具有不可漂洗的结构色。
[0031]现有薄膜材料中的多腔结构不规则，存在响应速度差，驱动方向不可控的技术问题;本发明制备获得的柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，解决了上述问题，并且制备工艺简便、可复制。
[0032]所述柔性智能薄膜材料具有的结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径;本实施例使用粒径为250nm的二氧化硅微粒组装所述光子晶体模板，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为红色。
[0033]本实施所制备的所述柔性智能薄膜材料的溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能的研究:
1.溶剂驱动功能:
将二氯乙烷滴加到所述柔性智能薄膜材料的表面，二氯乙烷迅速在柔性智能薄膜表面铺展，并浸没到腔体中。随着薄膜表层二氯乙烷的挥发，薄膜受力不均失去自支撑作用发生了弯曲，当腔体中二氯乙烷挥发后，薄膜受力趋于平衡而回复到初始状态。其过程如图3所示，其原理如图4所示，如此反复几十次，薄膜均能发生弯曲而没有明显的疲劳现象。柔性薄膜的多腔结构具有可控性，因此添加驱动性挥发溶剂时，其含量和溶剂的挥发速率均是控制薄膜响应速度的物理参数。解决了柔性薄膜响应速度可调的技术问题。其二，剪裁方向将规则排列的多腔结构划分为不同的排列形式，当填充到多腔中的挥发性溶剂挥发时，不同排列形式的多腔结构控制了溶剂的挥发速度，实现了柔性薄膜驱动方向可控。
[0034]2.形状存储功能:
对所述柔性智能薄膜材料施加外力，薄膜表面的多腔结构发生形状变化从而改变了薄膜表面对光的传播路径，由于受力不均导致薄膜表层呈现不同颜色，结果如图5所示，从而实现了形状的存储。
[0035]由于该薄膜具有一定疏水性，发生形变的薄膜可以在水中储存，在有机溶剂中回复。
[0036]在双层结构中聚合物体积比重远大于多腔结构，因此施加外力后，表层多腔结构的孔径迅速发生改变，从而改变了光的传播路径引发了薄膜表面颜色的变化。形成多腔结构骨架的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物具有疏水的特性，所以柔性智能薄膜表面的形变在水中不会发生改变。当共聚物与乙醇共存时，形变得以恢复。
[0037]3.形状记忆功能:
将所述柔性智能薄膜材料造型并置于80°干燥箱中1min完成柔性薄膜形状固定过程。由于聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物具有疏水性，将柔性薄膜置于水中即刻铺展，而置于空气中重新恢复之前的形状。上述过程如图6所示，如此反复几十次，所述柔性薄膜均能发生弯曲而没有明显的疲劳现象。因此，所述柔性智能薄膜材料具有形状记忆功能。聚偏氟乙烯_六氟丙烯共聚物具有形状记忆特性，经过本发明的工艺条件制备的柔性薄膜保留了其原有的特性，并且，由于多腔规整结构的引入，使其在发生形状改变的同时兼备了颜色变化。因而在溶剂鉴定等方面起到了指示的效果。
[0038]实施例2
一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤:
(1)光子晶体模板组装:首先将具有单分散性且粒径为150nm的二氧化硅微粒分散在无水乙醇中，所述二氧化硅微粒的体积百分比浓度为0.05%，将清洗后的玻璃衬底置于所述悬浊液中，放置玻璃衬底时，控制所述玻璃衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为80°，然后真空干燥箱中蒸发所述无水乙醇，待所述无水乙醇完全挥发后，所述二氧化硅微粒在所述玻璃衬底上规则排列，获得所述二氧化硅微粒呈周期性排列的光子晶体模板；
(2)聚合物填充光子晶体模板:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置聚偏氟乙烯的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中聚偏氟乙烯的质量百分比浓度为15wt%，所述低浓度聚合物溶液中聚偏氟乙稀的质量百分比浓度为3wt%;当步骤
(I)所述光子晶体模板的表面积为4cm2时，先往所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，滴加量为2-4yL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，滴加量为8-10yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充后的光子晶体模板；
(3)光子晶体模板去除:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充后的光子晶体模板置于中质量百分数为20%的氢氟酸溶液中浸泡，直至所述二氧化硅微粒完全溶解，完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜；
(4)后处理:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料。
[0039]所述柔性智能薄膜材料具 有的结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径;本实施例使用粒径为150nm的二氧化硅微粒组装所述光子晶体模板，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为紫色。
[0040]本实施所制备的所述柔性智能薄膜材料的溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能的研究同实施例1，研究结果也表明，本实施例制备获得的柔性智能薄膜材料也具有溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能。
[0041 ] 实施例3
一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤:
(1)光子晶体模板组装:首先将具有单分散性且粒径为350nm的二氧化硅微粒分散在无水乙醇中，形成悬浊液，所述二氧化硅微粒的体积百分比浓度为0.08%，将清洗后的玻璃衬底置于所述悬浊液中，放置玻璃衬底时，控制所述玻璃衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为60°，然后真空干燥箱中蒸发所述无水乙醇，待所述无水乙醇完全挥发后，所述二氧化硅微粒在所述玻璃衬底上规则排列，获得所述二氧化硅微粒呈周期性排列的光子晶体模板；
(2)聚合物填充光子晶体模板:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置聚酰亚胺的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中聚酰亚胺的质量百分比浓度为10wt%，所述低浓度聚合物溶液中聚酰亚胺的质量百分比浓度为2wt%;当步骤(I)所述光子晶体模板的表面积为Scm2时，先往所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，滴加量为6yL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，滴加量为20yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充后的光子晶体模板；
(3)光子晶体模板去除:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充后的光子晶体模板置于中质量百分数为20%的氢氟酸溶液中浸泡，直至所述二氧化硅微粒完全溶解，完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜；
(4)后处理:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料。
[0042]所述柔性智能薄膜材料具有的结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径;本实施例使用粒径为350nm的二氧化硅微粒组装所述光子晶体模板，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为蓝色。
[0043]本实施例所制备的所述柔性智能薄膜材料的溶剂驱动功能研究同实施例1，研究结果也表明，本实施例制备获得的柔性智能薄膜材料也具有溶剂驱动功能。
【主权项】
1.一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法首先以球型颗粒为原料，通过组装获得光子晶体模板，再依次用同一种聚合物的低浓度聚合物溶液以及高浓度聚合物溶液填充所述光子晶体模板，经过固化处理，获得固化后聚合物填充的光子晶体模板，然后利用能够溶解所述球型颗粒的溶液去除所述光子晶体模板，获得去除光子晶体模板的薄膜，再经过清洗、干燥，即获得柔性智能薄膜材料。2.根据权利要求1所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，获得的所述光子晶体模板中所述球型颗粒呈周期性排列，并所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构;所述制备方法包括光子晶体模板组装步骤、聚合物填充光子晶体模板步骤、光子晶体模板去除步骤以及后处理步骤，制备获得柔性智能薄膜材料。3.根据权利要求2所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤: (1)光子晶体模板组装步骤:首先将球型颗粒分散在非溶解性溶剂中形成悬浊液，所述球型颗粒的体积百分比浓度为0.001%-0.05%，将衬底置于所述悬浊液中，放置所述衬底时，所述衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为30-80°，然后在真空干燥箱中蒸发所述非溶解性溶剂，待所述溶剂蒸发完全后，所述球型颗粒在所述衬底上规则排列，获得所述球型颗粒呈周期性排列的光子晶体模板； (2)聚合物填充光子晶体模板步骤:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置同一种聚合物的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中聚合物的质量百分比浓度为7-15wt%，所述低浓度聚合物溶液中聚合物的质量百分比浓度为l-3wt%; 往步骤(I)制备获得的所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶体模板的滴加量不高于lyL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶体模板的滴加量不低于2yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充的光子晶体模板； (3)光子晶体模板去除步骤:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充的光子晶体模板置于能够溶解步骤(I)中所述球型颗粒的溶液中浸泡，直至所述球型颗粒完全溶解，即完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜； (4)后处理步骤:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得柔性智能薄膜材料。4.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)中，所述球型颗粒具有单分散性且粒径均匀，所述非溶解性溶剂为不与所述球型颗粒发生化学反应的易挥发性试剂。5.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)中，所述球型颗粒是二氧化硅微球，步骤(3)中能够溶解步骤(I)中所述球型颗粒的溶液是质量百分数为20%的氢氟酸溶液。6.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述聚合物为酰亚胺、四氟乙烯、偏氟乙烯、偏氟乙烯、六氟丙烯中的任意一种的聚合物或者任意两种形成的共聚物。7.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述聚合物可以溶于N，N-二甲基甲酰胺。8.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，在步骤(I)中，所述真空干燥箱的真空度不低于0.2mkPa。9.一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料，根据权利要求1-8之一所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法制备获得，其特征在于，所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，并所述柔性智能薄膜材料具有溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能。10.根据权利要求9所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料，其特征在于，所述柔性智能薄膜材料具有结构色，所述结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径；当使用粒径为150nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为紫色，当使用粒径为250nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为红色，当使用粒径为350nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为蓝色。
【专利摘要】本发明公开了一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料及其制备方法。所述制备方法首先以球型颗粒为原料通过组装获得光子晶体模板，再依次用同一种聚合物的低浓度聚合物溶液以及高浓度聚合物溶液填充所述光子晶体模板，经过固化处理，获得固化后聚合物填充的光子晶体模板，然后利用能够溶解所述球型颗粒的溶液浸泡所述固化后聚合物填充的光子晶体模板，获得去除光子晶体模板的薄膜，再经过清洗、干燥步骤，即获得柔性智能薄膜材料。本发明制备的柔性智能薄膜材料兼备了光子晶体和聚合物的特性，具备对光传播路径的调控与化学能驱动薄膜的双重特质，突破了传统材料性能单一的不足，并通过改变薄膜剪裁方向解决了驱动方向可控的问题。
【IPC分类】C08J5/18, C08J9/26
【公开号】CN105504318
【申请号】CN201510886292
【发明人】权茂华, 于海峰, 王京霞
【申请人】北京科技大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月4日
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳材料制造及复合的智能材料制备领域，具体涉及一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]现代加工工艺的快速发展，带动了其他产业的发展。在信息化时代的今天，器件的功能集成化已经成了人们的日常需求。在这样的背景下，开发多功能、环保、节能材料是人类可持续发展的客观条件。光能以其节能环保的能源特性而备受关注。光学薄膜材料通过分层介质的传播方式实现光能的重新分配。更重要的是，柔性光学薄膜材料具备易修饰改性，易加工、易组装的特性。柔性智能薄膜材料还具有更为广阔的应用空间，例如柔性智能薄膜材料可被应用于光学数据存储、微流体过滤、传感器、催化、电极等领域。
[0003]目前，关于光学柔性智能材料的研究主要停留在利用多腔结构对外界条件的响应，引发腔体形变而诱发其机械性能。有研究者从电能驱动薄膜开始，制作了具有反蛋白石结构的聚吡咯驱动器，在电场的驱动下LiClO4溶液中实现了90°弯曲，但是利用电能驱动存在能源消耗高的问题。还有研究者提出了利用化学能驱动薄膜的思想，利用化学能驱动薄膜不存在电能消耗的问题，现有研究中也取得了一定的进展，如有的学者利用PI制备了具有多孔结构的柔性薄膜，并且在丙酮的气氛下所述多孔结构的柔性薄膜具有不错的机械性能;还有学者研究多腔结构的PDMS/PU薄膜，利用其在不同溶剂中溶胀特性实现了薄膜的弯曲、扭转等机械特性。但是上述利用化学能驱动薄膜的研究中仍然存在薄膜响应速度不可控，驱动方向可控性差以及溶剂检验定性难的问题。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明提供了一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料及其制备方法，通过光子晶体模板组装步骤、聚合物填充光子晶体模板步骤、光子晶体模板去除步骤以及后处理步骤，制备获得具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料。本发明制备的柔性智能薄膜材料兼备了光子晶体和聚合物的特性，突破了传统材料性能单一的不足，具备对光传播路径的调控与化学能驱动薄膜的双重特质，并解决了柔性薄膜驱动方向可控性差、响应速度不可控的问题。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，所述制备方法首先以球型颗粒为原料，通过组装获得光子晶体模板，再依次用同一种聚合物的低浓度聚合物溶液以及高浓度聚合物溶液填充所述光子晶体模板，经过固化处理，获得固化后聚合物填充的光子晶体模板，然后利用能够溶解所述球型颗粒的溶液去除所述光子晶体模板，获得去除光子晶体模板的薄膜，再经过清洗、干燥，即获得柔性智能薄膜材料。
[0006]进一步地，获得的所述光子晶体模板中所述球型颗粒呈周期性排列，并所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构;所述制备方法包括光子晶体模板组装步骤、聚合物填充光子晶体模板步骤、光子晶体模板去除步骤以及后处理步骤，制备获得柔性智能薄膜材料。
[0007]进一步地，所述制备方法具体包括以下步骤:
(1)光子晶体模板组装步骤:首先将球型颗粒分散在非溶解性溶剂中形成悬浊液，所述球型颗粒的体积百分比浓度为0.001%-0.05%，将衬底置于所述悬浊液中，放置所述衬底时，所述衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为30-80°，然后在真空干燥箱中蒸发所述非溶解性溶剂，待所述溶剂蒸发完全后，所述球型颗粒在所述衬底上规则排列，获得所述球型颗粒呈周期性排列的光子晶体模板；
(2)聚合物填充光子晶体模板步骤:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置同一种聚合物的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中聚合物的质量百分比浓度为7-15wt%，所述低浓度聚合物溶液中聚合物的质量百分比浓度为l-3wt%;
往步骤(I)制备获得的所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶体模板的滴加量不高于lyL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶体模板的滴加量不低于2yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充的光子晶体模板；
(3)光子晶体模板去除步骤:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充的光子晶体模板置于能够溶解步骤(I)中所述球型颗粒的溶液中浸泡，直至所述球型颗粒完全溶解，即完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜；
(4)后处理步骤:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得柔性智能薄膜材料。
[0008]进一步地，步骤(I)中，所述球型颗粒具有单分散性且粒径均匀，所述非溶解性溶剂为不与所述球型颗粒发生化学反应的易挥发性试剂。
[0009]进一步地，步骤(I)中，所述球型颗粒是二氧化娃微球，步骤(3)中能够溶解步骤
(I)中所述球型颗粒的溶液是质量百分数为20%的氢氟酸溶液。
[0010]进一步地，在步骤(2)中，所述聚合物为酰亚胺、四氟乙烯、偏氟乙烯、偏氟乙烯、六氟丙烯中的任意一种的聚合物或者任意两种形成的共聚物。
[0011]进一步地，在步骤(2)中，所述聚合物可以溶于N，N-二甲基甲酰胺。
[0012]进一步地，在步骤(I)中，所述真空干燥箱的真空度不低于0.2mkPa。
[0013]一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料，根据所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法制备获得，其特征在于，所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，并所述柔性智能薄膜材料具有溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能。
[0014]进一步地，所述柔性智能薄膜材料具有结构色，所述结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径；当使用粒径为150nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为紫色，当使用粒径为250nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为红色，当使用粒径为350nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为蓝色。
[0015]本发明的有益技术效果: 1.本发明通过光子晶体模板组装以及后续的光子晶体模板去除步骤，使获得的柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，从而使所述柔性智能薄膜材料兼备了光子晶体和聚合物的特性;这两种特性使得本发明的柔性智能薄膜材料突破了传统材料性能单一的不足，实现了对光传播路径的调控与化学能驱动薄膜的双重特质。
[0016]2.本发明制备的柔性智能薄膜材料具有易剪裁的特性，可以通过调整薄膜的剪裁方向来解决传统技术驱动方向可控性差的问题。
[0017]3.通过控制挥发性溶剂的使用量以及选用不同沸点的溶剂解决了调控驱动响应速度的问题。
[0018]4.所述柔性智能薄膜材料特有的周期性排列的多腔结构能够有效地控制光子活动范围，形成光子能带结构，利用空气和填充材料之间折射率差，致使材料选择吸收一定波长的光，实现了对光传播路径的调控。
[0019]5.所述柔性智能薄膜材料除了上述具有易剪裁、吸收特定波长可见光的特性，同时还具有可调控的疏水性、韧性、形状记忆功能、形状存储功能、溶剂驱动功能。
【附图说明】
[0020]图1为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料的截面扫描电镜照片。
[0021]图2为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料的表面的高倍扫描电镜照片。
[0022]图3为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料在挥发性溶剂驱动薄膜自回复过程的光学照片。
[0023]图4为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料在挥发性溶剂驱动薄膜自回复原理的光学照片。
[0024]图5为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料形状存储功能的显微镜照片。
[0025]图6为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料形状记忆功能的照片。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及 优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0028]实施例1
一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤:
(I)光子晶体模板组装:首先将具有单分散性且粒径为250nm的二氧化硅微粒分散在无水乙醇中，所述二氧化硅微粒的体积百分比浓度为0.001%，将清洗后的玻璃衬底置于所述悬浊液中，放置玻璃衬底时，控制所述玻璃衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为30-80°，然后真空干燥箱中蒸发所述无水乙醇，真空干燥箱的为真空度为0.3KMpa。待所述无水乙醇完全后，所述二氧化硅微粒在所述玻璃衬底上规则排列，获得所述二氧化硅微粒呈周期性排列的光子晶体模板；
(2)聚合物填充光子晶体模板:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量百分比浓度为7wt%，所述低浓度聚合物溶液中偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的质量百分比浓度为1^%;选用的所述聚合物具有成膜性，并利用所述聚合物制备的薄膜具有可形变性；
当步骤(I)所述光子晶体模板的表面积为2cm2时，先往所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，滴加量为2yL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，滴加量为4yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充后的光子晶体模板；
(3)光子晶体模板去除:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充后的光子晶体模板置于中质量百分数为20%的氢氟酸溶液中浸泡，直至所述二氧化硅微球完全溶解，完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜；
(4)后处理:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料。
[0029]所述光子晶体模板组装改进了传统的溶剂蒸发法，将质量密度比较大的二氧化硅微球作为组装材料，获得光子晶体模板，用所述光子晶体模板获得具有周期性排列的多腔结构的柔性智能薄膜。所述柔性智能薄膜在化学能驱动方向及响应速度方面取得了良好效果O
[0030]—种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料，根据上述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法制备获得，所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，所述柔性智能薄膜材料具有溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能;如图1图2分别为本发明制备获得的柔性智能薄膜材料的截面扫描电镜照片以及所述柔性智能薄膜材料的表面的高倍扫描电镜照片，如图可见，所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列多腔结构，所述周期性排列多腔结构能够有效地控制光子活动范围，形成光子能带，上述多腔结构的周期性排列以及多腔结构中腔体的形状(球型)是能够形成光子能带的关键;利用空气和填充材料之间折射率差，致使材料选择吸收一定波长的光，实现了对光传播路径的调控。并且基于上述原因，所述柔性智能薄膜材料具有不可漂洗的结构色。
[0031]现有薄膜材料中的多腔结构不规则，存在响应速度差，驱动方向不可控的技术问题;本发明制备获得的柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，解决了上述问题，并且制备工艺简便、可复制。
[0032]所述柔性智能薄膜材料具有的结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径;本实施例使用粒径为250nm的二氧化硅微粒组装所述光子晶体模板，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为红色。
[0033]本实施所制备的所述柔性智能薄膜材料的溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能的研究:
1.溶剂驱动功能:
将二氯乙烷滴加到所述柔性智能薄膜材料的表面，二氯乙烷迅速在柔性智能薄膜表面铺展，并浸没到腔体中。随着薄膜表层二氯乙烷的挥发，薄膜受力不均失去自支撑作用发生了弯曲，当腔体中二氯乙烷挥发后，薄膜受力趋于平衡而回复到初始状态。其过程如图3所示，其原理如图4所示，如此反复几十次，薄膜均能发生弯曲而没有明显的疲劳现象。柔性薄膜的多腔结构具有可控性，因此添加驱动性挥发溶剂时，其含量和溶剂的挥发速率均是控制薄膜响应速度的物理参数。解决了柔性薄膜响应速度可调的技术问题。其二，剪裁方向将规则排列的多腔结构划分为不同的排列形式，当填充到多腔中的挥发性溶剂挥发时，不同排列形式的多腔结构控制了溶剂的挥发速度，实现了柔性薄膜驱动方向可控。
[0034]2.形状存储功能:
对所述柔性智能薄膜材料施加外力，薄膜表面的多腔结构发生形状变化从而改变了薄膜表面对光的传播路径，由于受力不均导致薄膜表层呈现不同颜色，结果如图5所示，从而实现了形状的存储。
[0035]由于该薄膜具有一定疏水性，发生形变的薄膜可以在水中储存，在有机溶剂中回复。
[0036]在双层结构中聚合物体积比重远大于多腔结构，因此施加外力后，表层多腔结构的孔径迅速发生改变，从而改变了光的传播路径引发了薄膜表面颜色的变化。形成多腔结构骨架的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物具有疏水的特性，所以柔性智能薄膜表面的形变在水中不会发生改变。当共聚物与乙醇共存时，形变得以恢复。
[0037]3.形状记忆功能:
将所述柔性智能薄膜材料造型并置于80°干燥箱中1min完成柔性薄膜形状固定过程。由于聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物具有疏水性，将柔性薄膜置于水中即刻铺展，而置于空气中重新恢复之前的形状。上述过程如图6所示，如此反复几十次，所述柔性薄膜均能发生弯曲而没有明显的疲劳现象。因此，所述柔性智能薄膜材料具有形状记忆功能。聚偏氟乙烯_六氟丙烯共聚物具有形状记忆特性，经过本发明的工艺条件制备的柔性薄膜保留了其原有的特性，并且，由于多腔规整结构的引入，使其在发生形状改变的同时兼备了颜色变化。因而在溶剂鉴定等方面起到了指示的效果。
[0038]实施例2
一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤:
(1)光子晶体模板组装:首先将具有单分散性且粒径为150nm的二氧化硅微粒分散在无水乙醇中，所述二氧化硅微粒的体积百分比浓度为0.05%，将清洗后的玻璃衬底置于所述悬浊液中，放置玻璃衬底时，控制所述玻璃衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为80°，然后真空干燥箱中蒸发所述无水乙醇，待所述无水乙醇完全挥发后，所述二氧化硅微粒在所述玻璃衬底上规则排列，获得所述二氧化硅微粒呈周期性排列的光子晶体模板；
(2)聚合物填充光子晶体模板:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置聚偏氟乙烯的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中聚偏氟乙烯的质量百分比浓度为15wt%，所述低浓度聚合物溶液中聚偏氟乙稀的质量百分比浓度为3wt%;当步骤
(I)所述光子晶体模板的表面积为4cm2时，先往所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，滴加量为2-4yL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，滴加量为8-10yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充后的光子晶体模板；
(3)光子晶体模板去除:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充后的光子晶体模板置于中质量百分数为20%的氢氟酸溶液中浸泡，直至所述二氧化硅微粒完全溶解，完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜；
(4)后处理:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料。
[0039]所述柔性智能薄膜材料具 有的结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径;本实施例使用粒径为150nm的二氧化硅微粒组装所述光子晶体模板，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为紫色。
[0040]本实施所制备的所述柔性智能薄膜材料的溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能的研究同实施例1，研究结果也表明，本实施例制备获得的柔性智能薄膜材料也具有溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能。
[0041 ] 实施例3
一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤:
(1)光子晶体模板组装:首先将具有单分散性且粒径为350nm的二氧化硅微粒分散在无水乙醇中，形成悬浊液，所述二氧化硅微粒的体积百分比浓度为0.08%，将清洗后的玻璃衬底置于所述悬浊液中，放置玻璃衬底时，控制所述玻璃衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为60°，然后真空干燥箱中蒸发所述无水乙醇，待所述无水乙醇完全挥发后，所述二氧化硅微粒在所述玻璃衬底上规则排列，获得所述二氧化硅微粒呈周期性排列的光子晶体模板；
(2)聚合物填充光子晶体模板:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置聚酰亚胺的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中聚酰亚胺的质量百分比浓度为10wt%，所述低浓度聚合物溶液中聚酰亚胺的质量百分比浓度为2wt%;当步骤(I)所述光子晶体模板的表面积为Scm2时，先往所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，滴加量为6yL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，滴加量为20yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充后的光子晶体模板；
(3)光子晶体模板去除:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充后的光子晶体模板置于中质量百分数为20%的氢氟酸溶液中浸泡，直至所述二氧化硅微粒完全溶解，完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜；
(4)后处理:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料。
[0042]所述柔性智能薄膜材料具有的结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径;本实施例使用粒径为350nm的二氧化硅微粒组装所述光子晶体模板，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为蓝色。
[0043]本实施例所制备的所述柔性智能薄膜材料的溶剂驱动功能研究同实施例1，研究结果也表明，本实施例制备获得的柔性智能薄膜材料也具有溶剂驱动功能。
【主权项】
1.一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法首先以球型颗粒为原料，通过组装获得光子晶体模板，再依次用同一种聚合物的低浓度聚合物溶液以及高浓度聚合物溶液填充所述光子晶体模板，经过固化处理，获得固化后聚合物填充的光子晶体模板，然后利用能够溶解所述球型颗粒的溶液去除所述光子晶体模板，获得去除光子晶体模板的薄膜，再经过清洗、干燥，即获得柔性智能薄膜材料。2.根据权利要求1所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，获得的所述光子晶体模板中所述球型颗粒呈周期性排列，并所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构;所述制备方法包括光子晶体模板组装步骤、聚合物填充光子晶体模板步骤、光子晶体模板去除步骤以及后处理步骤，制备获得柔性智能薄膜材料。3.根据权利要求2所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤: (1)光子晶体模板组装步骤:首先将球型颗粒分散在非溶解性溶剂中形成悬浊液，所述球型颗粒的体积百分比浓度为0.001%-0.05%，将衬底置于所述悬浊液中，放置所述衬底时，所述衬底与盛放所述悬浊液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范围为30-80°，然后在真空干燥箱中蒸发所述非溶解性溶剂，待所述溶剂蒸发完全后，所述球型颗粒在所述衬底上规则排列，获得所述球型颗粒呈周期性排列的光子晶体模板； (2)聚合物填充光子晶体模板步骤:首先以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，分别配置同一种聚合物的高浓度聚合物溶液与低浓度聚合物溶液，所述高浓度聚合物溶液中聚合物的质量百分比浓度为7-15wt%，所述低浓度聚合物溶液中聚合物的质量百分比浓度为l-3wt%; 往步骤(I)制备获得的所述光子晶体模板上滴加所述低浓度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶体模板的滴加量不高于lyL，室温下，等待1-1Omin;再往所述光子晶体模板上滴加所述高浓度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶体模板的滴加量不低于2yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充的光子晶体模板； (3)光子晶体模板去除步骤:将步骤(2)得到的所述固化后聚合物填充的光子晶体模板置于能够溶解步骤(I)中所述球型颗粒的溶液中浸泡，直至所述球型颗粒完全溶解，即完成光子晶体模板的去除，获得去除光子晶体模板的薄膜； (4)后处理步骤:将步骤(3)获得的所述去除光子晶体模板的薄膜在去离子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即获得柔性智能薄膜材料。4.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)中，所述球型颗粒具有单分散性且粒径均匀，所述非溶解性溶剂为不与所述球型颗粒发生化学反应的易挥发性试剂。5.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤(I)中，所述球型颗粒是二氧化硅微球，步骤(3)中能够溶解步骤(I)中所述球型颗粒的溶液是质量百分数为20%的氢氟酸溶液。6.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述聚合物为酰亚胺、四氟乙烯、偏氟乙烯、偏氟乙烯、六氟丙烯中的任意一种的聚合物或者任意两种形成的共聚物。7.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述聚合物可以溶于N，N-二甲基甲酰胺。8.根据权利要求3所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法，其特征在于，在步骤(I)中，所述真空干燥箱的真空度不低于0.2mkPa。9.一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料，根据权利要求1-8之一所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料的制备方法制备获得，其特征在于，所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔结构，并所述柔性智能薄膜材料具有溶剂驱动功能、形状存储功能以及形状记忆功能。10.根据权利要求9所述一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料，其特征在于，所述柔性智能薄膜材料具有结构色，所述结构色取决于光子晶体模板组装过程中使用的球型颗粒的粒径；当使用粒径为150nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为紫色，当使用粒径为250nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为红色，当使用粒径为350nm的球型颗粒组装所述光子晶体模板时，制备获得的所述柔性智能薄膜材料的结构色为蓝色。
【专利摘要】本发明公开了一种具有光子能带结构的柔性智能薄膜材料及其制备方法。所述制备方法首先以球型颗粒为原料通过组装获得光子晶体模板，再依次用同一种聚合物的低浓度聚合物溶液以及高浓度聚合物溶液填充所述光子晶体模板，经过固化处理，获得固化后聚合物填充的光子晶体模板，然后利用能够溶解所述球型颗粒的溶液浸泡所述固化后聚合物填充的光子晶体模板，获得去除光子晶体模板的薄膜，再经过清洗、干燥步骤，即获得柔性智能薄膜材料。本发明制备的柔性智能薄膜材料兼备了光子晶体和聚合物的特性，具备对光传播路径的调控与化学能驱动薄膜的双重特质，突破了传统材料性能单一的不足，并通过改变薄膜剪裁方向解决了驱动方向可控的问题。
【IPC分类】C08J5/18, C08J9/26
【公开号】CN105504318
【申请号】CN201510886292
【发明人】权茂华, 于海峰, 王京霞
【申请人】北京科技大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月4日
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