[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101260194A [43]公开日2008年9月10日
[21]申请号200710064245.0[22]申请日2007.03.07
[21]申请号200710064245.0
[71]申请人中国科学院化学研究所
地址100080北京市海淀区中关村北一街2号
[72]发明人王京霞 张佑专 宋延林 江雷 [74]专利代理机构上海智信专利代理有限公司代理人李柏
[51]Int.CI.C08J 5/18 (2006.01)G02B 1/02 (2006.01)
权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 4 页
[54]发明名称
[57]摘要
本发明属于胶体光子晶体膜的制备及应用技术
领域，尤其涉及使用喷涂方法简单，快速，大面积
制备聚合物胶体光子晶体膜的方法。常温下将具有
然后将所得到的单分散聚合物乳胶粒分散液装于带
有常规空气喷的容器中，将喷对准所选定的平
整基材进行喷涂，待单分散聚合物乳胶粒的水分在
体气体的作用下挥发后，得到单分散聚合物乳胶
粒在基材表面上以面心立方堆砌而形成的胶体光子
晶体膜；涂膜干燥后，可以得到大面积具有光子带
隙在可见或紫外区的聚合物胶体光子晶体膜。
200710064245.0权 利 要 求 书第1/1页 1. 一种使用喷涂方法制备聚合物胶体光子晶体膜的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
(1)将具有硬核-软壳结构的单分散聚合物乳胶粒分散在水中，然后将所得到的单分散聚合物乳胶粒分散液装于带有常规空气喷的容器中，将喷对准所选定的平整基材进行喷涂，待单分散聚合物乳胶粒分散液的水分在体气体的作用下挥发后，得到单分散聚合物乳胶粒在基材表面上以面心立方堆砌而形成的胶体光子晶体膜；
(2)当步骤(1)得到的涂膜干燥后，可以得到具有光子带隙在可见或紫外区的可控浸润性的聚合物胶体光子晶体膜。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的单分散聚合物乳胶粒在分散液中的浓度为10～19wt％。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的基材包括纸板、硅片、玻璃、不锈钢板或塑料板。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的胶体光子晶体膜的光子带隙分布在200～800nm的紫外或可见区域；随着单分散聚合物乳胶粒粒径由大到小变化，所得到的胶体光子晶体膜的反射光谱的峰值位置发生蓝移。
5. 根据权利要求1、2或4所述的方法，其特征是：所述的单分散聚合物乳胶粒的壳层厚20～50nm，乳胶粒粒径范围为100～400nm，多分散指数小于或等于0.005。
200710064245.0说 明 书第1/7页使用喷涂方法制备聚合物胶体光子晶体膜的方法
技术领域
本发明属于胶体光子晶体膜的制备及应用技术领域，尤其涉及使用喷涂方法简单，快速，大面积制备聚合物胶体光子晶体膜的方法。
背景技术
胶体光子晶体材料以单分散乳胶粒规整排列所形成的周期结构对光的折射或衍射作用实现对光的特殊调控。根据周期排列的尺寸不同，所调控光的波长不同。相应所制备的胶体光子晶体膜的应用领域不
同。在通常的专利文献中，胶体光子晶体膜主要应用在滤波器(如C N：01105105.1，C N：98110990.X)，光开关(CN：02160207.7)，光波导(CN：02804125.9，CN：99810798，CN：01132293.4，CN：02811132.X)，光纤(CN：00803964.X，CN：00803960.7，CN：03127694.6)等方面。
目前限制光子晶体膜应用的最主要的问题是膜的大面积制备。1987年，光子晶体概念提出后，人们尝试通过从上到下的微加工方法来完成，但该方法成本高，尤其是亚微米尺度的难以实现；随后，人们又提出由下到上的自组装方法，包括，真空条件下自组装，静电自组装等，其中江朋教授提出的竖直沉积方法受到人们的广泛关注，但该方法由于所耗时间长(几十个小时)，尺寸有限(仅限于厘米级)；2004年，江朋教授又提出了加速光子晶体应用的组装方法，旋转涂层法，该方法将制备时间缩短到几分钟，所制备膜的尺寸也相应增大。但该方法对于真正的实际应用还是有所限制。
本发明基于前面的文献基础，发展了一种更为简单实用的制备聚合物光子晶体的方法。该方法不仅可以在短时间内完成，且制备膜的尺寸几乎不受限制。制备膜的基材也不受限制。
本发明基于本发明人在前专利申请(专利申请号：CN：200510011219.2，CN：200510012021.6，CN：200510012047.0)的简单制备单分散乳胶粒，
及大面积快速制备可见及紫外区的胶体光子晶体膜，并将其应用在装饰涂料，预防紫外线的涂层及化
妆品及增强光致发光器件的基础，提出了通过空气喷涂的方法来实现简单，快速，大面积制备聚合物胶体光子晶体膜的方法。 与前述文献及专利报道的方法不同，本发明将传统工业涂膜的空气喷涂方法应用到聚合物胶体光子晶体膜的简单，快速，大面积制备。该方法在文献或专利中未见报道。
发明内容
本发明的目的之一是提供使用喷涂方法简单，快速，大面积制备聚合物胶体光子晶体膜的方法。
本发明的目的之二是提供一种借助传统工业涂膜的方法-空气喷涂法，快速实现聚合物胶体光子晶体在不同基材的表面成膜，所成膜基材包括，纸张，玻璃，不锈钢等。该制备聚合物胶体光子晶体膜的方法具有工艺简单，成本低廉，对设备无特殊要求等特点。
本发明基于本发明人在前专利申请(专利申请号：CN：200510011219.2，CN：200510012021.6)的基础上，首先通过在前专利申请方法采取批量法无皂乳液聚合，通过适当调整乳液聚合工艺，可以使一步法制备得到具有核-壳结构的乳胶粒，其粒径范围为100～400nm，多分散指数小于或等于0.005。所制备的胶体光子晶体膜的光子带隙分布在200～800nm，得到的乳胶粒不需任何提纯就可实现单分散指数小于或等于0.005。
本发明的光子带隙涉及紫外或可见区的胶体光子晶体膜是具有硬核-软壳结构的单分散聚合物乳胶粒堆
砌而成的；单分散聚合物乳胶粒的壳层厚20～50n m，乳胶粒粒径范围为100～400n m，多分散指数小于或等于0.005。 所述的胶体光子晶体膜的光子带隙分布在200～800n m的紫外或可见区域；随着单分散聚合物乳胶粒粒径由大到小变化，所得到的胶体光子晶体膜的反射光谱的峰值位置发生蓝移。
本发明的使用喷涂方法制备光子带隙在紫外或可见区的聚合物胶体光子晶体膜的方法包括以下步骤：
(1)室温下将具有硬核-软壳结构的单分散聚合物乳胶粒分散在水中(浓
度为10～19wt％)，然后将所得到的单分散聚合物乳胶粒分散液装于带有常规空气喷的容器中，将喷对准所选定的平整基材进行喷涂，待单分散聚合物乳胶粒分散液的水分在体气体的作用下挥发后，得到单分散聚合物乳胶粒在基材表面上以面心立方堆砌而形成的胶体光子晶体膜；
(2)当步骤(1)得到的涂膜干燥后，可以大面积得到具有光子带隙在可见或紫外区的聚合物胶体光子晶体膜。
所述的单分散聚合物乳胶粒的单分散指数小于或等于0.005，粒径范围为100～400nm。随单分散聚合物乳胶粒粒径从400到100nm减小，所得聚合物胶体光子晶体膜的光子带隙发生蓝移。
本发明具有硬核-软壳结构的单分散聚合物乳胶粒的制备是采用批量法无皂乳液聚合一步实现，所采用的典型的制备方法是：
将亲水性依次增加的单体1，单体2，单体3混合分散在含有p H缓冲剂和乳化剂的水溶液中；将所得到的乳液聚合体系在转速为300～800rpm，优选为500rpm的转速下搅拌混合，并加热到65～85℃(优选温度为78℃)，加入引发剂总量1/2的引发剂使反应开始进行，反应2～4.5小时后再加入引发剂总量1/4的引发剂，其余的引发剂在继续反应2～4.5小时后加入，所述的引发剂总用量相当单体总重量的0.2wt％～1wt％，优选为0.3wt％。反应随后持续1～3小时结束，得到单分散指数小于或等于0.005，粒径范围为100～400nm的具有硬核-软壳结构的单分散聚合物乳胶粒。
其中，单体总用量为乳液聚合体系总重量的11～17w t％(单体1的用量为乳液聚合体系中单体总重量的88～94wt％，单体2为3～6wt％，单体3为3～6wt％)，pH缓冲剂在乳液聚合体系中的浓度为0.02～0.99wt％，乳化剂在乳液聚合体系中的浓度为0～0.067wt％(乳化剂用量与聚合体系中单体总量的重量比率0～0.5wt％)，引发剂在乳液聚合体系中的浓度为0.02～0.99wt ％。
单分散聚合物乳胶粒的核壳结构的实现不需要特殊的工艺过程，只是根据聚合体系中反应单体及相应聚合物亲水性的不同，在聚合过程中亲水性基团逐步向表层迁移，而亲油基团向核层部分迁移，最终实现硬核-软壳结构。 体系的反应时间为5～12小时，优选反应时间为10～11小时。 所述的反应单体为分子中含有至少一个烯键的化合物，其亲水性依次增
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