[发明专利]一种高对比度无裂纹胶体光子晶体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高对比度无裂纹胶体光子晶体及其制备方法。该方法将单体、引发剂和水混合，搅拌形成均匀溶液，通氮气除去体系中的氧气，置于60～100℃水浴中引发聚合反应，在搅拌条件下反应，制得单分散乳胶粒；将单分散乳胶粒超声分散于溶剂中，形成单分散乳液。将功能性辅助成膜物质分散于溶剂中，形成稳定的分散液；将单分散乳液与分散液混合均匀，滴涂至基材上，自组装制备大面积高对比度且表面无裂纹的胶体光子晶体。本发明制得的胶体光子晶体具有对比度高、无裂纹、大面积等优点；且制作方法简单快捷，成本低廉；功能性辅助成膜物质对环境无毒无害、无污染，是一种高效、快捷制备高对比度、无裂纹胶体光子晶体的方法。

技术领域

本发明涉及胶体光子晶体领域，特别是涉及一种高对比度、无裂纹胶体光子晶体及其制备方法。

背景技术

“光子晶体”这一概念于1987年被首次提出。光子晶体是由周期性介电结构或者它们的反向结构在二维或者三维方向上有序排列构成的，由于这种在光波尺度上的周期性介电材料拥有可以控制光波的能力，非常类似于晶体对电子的控制，因此被称为光子晶体。利用光子晶体能够反射光波的性质，可以对其结构进行设计，使其反射可见光范围内相应波长的光线，表现出绚丽的颜色，这种颜色的产生不需要颜料及染料，反射率高，永不褪色，是一种因结构产生的颜色，因此被称为结构色。自然界中，孔雀的羽毛、蝴蝶的翅膀、绚丽的蛋白石等呈现的均为结构色。

近年来，通过乳胶粒自组装制备胶体光子晶体的方法，由于其操作过程简单且价格低廉，引起了研究人员的兴趣。但是，在乳胶粒自组装过程中，由于溶剂挥发，乳胶粒之间产生相互运动从而在基材表面发生位移，基材与乳胶粒之间的摩擦力又会阻止乳胶粒的移动，在胶体光子晶体内部产生一定拉伸应力，最终导致制备的胶体光子晶体表面产生裂纹。裂纹的产生会严重影响制备得到的胶体光子晶体的光学质量、机械强度、外观色泽，极大的制约了其在显色涂料、纺织、陶瓷等方面的应用研究。

目前制备无裂纹胶体光子晶体的方法主要分为两大类，一类是通过模板控制法制备无裂纹胶体光子晶体，但此方法需要高精密度模板，设备昂贵，成本耗资高，不适合大量生产；另一类则是通过向乳胶粒中添加增强相互作用力的功能性物质，进而自组装制备无裂纹胶体光子晶体。中国发明专利201610389101.1公开了一种大面积无裂纹光子晶体的制备方法，将金属离子化合物配置成溶液，加入含有功能基团的单分散微球溶液中，自组装得到大面积无裂纹光子晶体。但微球表面功能基团与金属离子之间的络合作用强度较弱，不足以消除裂纹、从而制备大面积无裂纹光子晶体，且重金属粒子会污染环境。

中国发明专利201110071195.5公开了一种无裂纹光子晶体的制备方法，采用旋涂、喷涂或喷墨打印的方法，将单分散乳胶粒、水溶性聚合物单体、交联剂、引发剂及水混合后得到的混合物乳液均匀涂覆或打印到亲水柔性基材表面，热引发混合物乳液中在单分散乳胶粒之间的水溶性聚合物单体聚合成聚合物，得到以单分散乳胶粒为骨架，在单分散乳胶粒骨架的空隙中填充有聚合物的无裂纹光子晶体。该方法所需设备苛刻，操作复杂、实施过程难以掌握；且添加了其他的水溶性聚合物单体、交联剂等物质，成分复杂，引入的额外成分影响自组装过程，造成消光现象，使得制备的光子晶体对比度下降等。

采用自组装方法制备出来的胶体光子晶体，通常颜色对比度不高，色彩暗淡，而且在自组装过程中由于粒子之间会产生的应力收缩，导致开裂问题而使得制备的光子晶体的质量大大下降。因此在不破坏胶体光子晶体结构的前提下，如何提高胶体光子晶体结构色的色彩对比度是胶体光子晶体研究的一个重要方向。张等人将单分散聚苯乙烯乳胶粒与乌贼汁混合，制备高对比度无定型光子晶体(Yafeng Zhang,Biqin Dong,Ang Chen,XiaohanLiu,Lei Shi,Jian Zi,Advanced Materials.2015,27:4719-4724)。但乌贼汁也是颗粒形态，无法增强单分散乳胶粒之间的相互作用力，也无法解决粒子之间的应力收缩导致的开裂问题，因此乌贼汁的加入，虽然增加了色彩对比度，却无法制备大面积无裂纹光子晶体。

发明内容