一種利用層層吸附快速組裝膠體晶體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種膠體晶體的組裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]膠體晶體是由單分散的、直徑在微米或亞微米級別的無機(jī)或有機(jī)的膠體微球，在重力、靜電力或毛細(xì)管力等作用下組裝形成的二維或三維有序陣列結(jié)構(gòu)，其在幾個膠體微球尺寸下實現(xiàn)較好的周期性重復(fù)。由于微球尺寸可以在光波波長附近，故膠體晶體可以形成對于光的光子禁帶，這使得膠體晶體在如光計算機(jī)，傳感器等領(lǐng)域有應(yīng)用的可能，同時其高比表面積也為其在如催化、電池、吸附、分離等領(lǐng)域開辟了廣闊的應(yīng)用方向。目前已經(jīng)開發(fā)出了多種膠體晶體的制備方法，例如:重力場下自組裝，由于膠體溶液體系不穩(wěn)定，膠體微球在重力場作用下逐漸沉降至底部，只要微球沉積的足夠慢，通常認(rèn)為可以得到缺陷較少的膠體晶體。為了加速或減緩沉降速率，可以向體系中加入離心力和電場，這延伸出原理類似的兩種組裝方法；物體條件限制下的自組裝，在有物體限制的條件下，單分散膠體微球通常會自發(fā)形成高度有序的三維密堆排列，該方法可以嚴(yán)格控制樣品的表面形貌和膠體層數(shù)；膠體微球的垂直自組裝，膠體微球垂直自組裝是將基片垂直放入單分散的膠體懸浮液中，利用膠體顆粒的毛細(xì)管力和液體蒸發(fā)形成的凹液面作用達(dá)到膠體微球的有序自組裝，該方法能得到的膠體晶體缺陷少，有序性高。
[0003]以上方法所用的均為單一的膠體顆粒，膠體顆粒表面電性相同，無法相互之間形成較好的結(jié)合強(qiáng)度，這使得制的的膠體晶體顯示出較強(qiáng)的脆性，機(jī)械性能較差，并且重力場下自組裝法和垂直自組裝法消耗時間長，制樣周期通常達(dá)到2-3天，這嚴(yán)重阻礙了膠體晶體大規(guī)模應(yīng)用的可能，并且層數(shù)難以控制；而物體條件限制下的自組裝需要外加的機(jī)械限制部件有很高的加工精度，這給該方法帶來了很高的實現(xiàn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有方法制備的膠體晶體結(jié)合強(qiáng)度差，方法時間長，層數(shù)不可控的問題，提供一種利用層層吸附快速組裝膠體晶體的方法。
[0005]本發(fā)明利用層層吸附快速組裝膠體晶體的方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0006]一、取50-1000nm不同電性的帶電膠體微球，然后使用超聲法將帶電膠體微球均勻分散在溶劑中，獲得膠體微球分散液
[0007]二、對基板進(jìn)行表面處理，獲得不同電性的帶電基板，將帶電基板浸入帶有相反電荷的膠體微球分散液中，通過電荷的相互吸引使得基板表面附著上一定的厚度的膠體晶體，浸入lmin-lh，或者同時在基板表面施加1-10V的外加電場，維持電場時間與浸入時間相同；
[0008]三、對基板施外加作用力，通過外加作用力帶走基板表面附著較差的微球，使得表面留下結(jié)合力較強(qiáng)的膠體微球；所述外加作用力為反向電場、水流或氣流沖擊；所述反向電場電壓為1-10V，反向電場的維持時間為10s-30min ;水流和氣流的速度為0.l-100m/s，水流和氣流的維持時間為Is-1min ；
[0009]四、然后將基板浸入與基板相同電荷的膠體微球分散液中(即與基板表面附著的微球電荷相反)，浸入lmin-lh，或者同時在基板表面施加1-10V的外加電場，維持電場時間與浸入時間相同；
[0010]五、對基板施外加作用力，通過外加作用力帶走基板表面附著較差的微球，使得表面留下結(jié)合力較強(qiáng)的膠體微球；所述外加作用力為反向電場、水流或氣流沖擊；所述反向電場電壓為1-10V，反向電場的維持時間為10s-30min ;水流和氣流的速度為0.l-100m/s，水流和氣流的維持時間為Is-1min ；
[0011]六、重復(fù)步驟二至五直至得到所需的結(jié)構(gòu)和厚度，
[0012]按照本發(fā)明的方法得到層數(shù)可控的有序膠體晶體。
[0013]方案中在重復(fù)步驟時可以更換為同種電性不同材質(zhì)的膠體微球。
[0014]步驟一中所述表面處理的方法包括硅烷偶聯(lián)劑改性、食人魚洗液氧化、正負(fù)表面活性劑吸附、冷等離子處理等物理或化學(xué)方法。
[0015]本發(fā)明利用微球與基板及微球與微球間的異種電荷相互吸附的作用，改變傳統(tǒng)的膠體晶體使用單一微球造成的靜電相斥，從而達(dá)到膠體晶體層與層之間結(jié)合力增強(qiáng)的效果O
[0016]本發(fā)明的有益效果:
[0017]1、本發(fā)明方法通過微球的正負(fù)電荷相互作用，加速了微球的組裝速率，同時增強(qiáng)了層與層之間的吸引力，提高了膠體晶體層的強(qiáng)度及與基板的結(jié)合力。用鉛筆法測試膠體晶體的硬度，與單種微球組裝的膠體晶體相比提高了 I?5B ;
[0018]2、由于本方法只要求微球表面電性，對于微球的材質(zhì)可以有很大的選擇范圍，故在制備過程中可以按照需要更換膠體微球，這改變了傳統(tǒng)膠體晶體由單種或多種膠體微球在晶體中均勻分布的情況，為膜系設(shè)計及薄膜多功能化帶來可能。
[0019]3、本發(fā)明方法可以通過重復(fù)步驟，以獲得所需的結(jié)構(gòu)和厚度，達(dá)到層數(shù)可控；
[0020]4、本發(fā)明方法用時較短，本發(fā)明達(dá)到附著3?4層微球一般用時I?4小時。
【附圖說明】
[0021]圖1是膠體晶體生長的示意圖；
[0022]圖2是表面處理的示意圖；
[0023]圖3是層層組裝示意圖；
[0024]圖中各附件標(biāo)記如下:1.帶有與基板相反電荷的膠體微球，2.基板，3.電場，4.電場、氣流或水流，5.帶有與基板相同電荷的膠體微球。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
[0026]【具體實施方式】一:本實施方式利用層層吸附快速組裝膠體晶體的方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0027]一、取50_1000nm不同電性的帶電膠體微球，然后使用超聲法將帶電膠體微球均勻分散在溶劑中，獲得膠體微球分散液
[0028]二、對基板進(jìn)行表面處理，獲得不同電性的帶電基板，將帶電基板浸入帶有相反電荷的膠體微球分散液中，浸入Imin-1h ；
[0029]三、對基板施外加作用力；所述外加作用力為反向電場、水流或氣流；其中所述反向電場電壓為1-10V，反向電場的維持時間為10s-30min ;水流和氣流的速度為0.1-1OOm/s，水流和氣流的維持時間為Is-1min ；
[0030]四、然后將基板浸入與基板相同電荷的膠體微球分散液中，浸入Imin-1h ；
[0031]五、對基板施外加作用力；所述外加作用力為反向電場、水流或氣流；其中所述反向電場電壓為1-10V，反向電場的維持時間為10s-30min ;水流和氣流的速度為0.1-1OOm/s，水流和氣流的維持時間為Is-1min ；
[0032]六、重復(fù)步驟二至五直至得到所需的結(jié)構(gòu)和厚度，即完成膠體晶體的層層吸附組裝方法。
[0033]所述不同電性是指帶正電或負(fù)電。
[0034]所述的膠體粒子通過如硅烷偶聯(lián)劑改性、食人魚洗液氧化、正負(fù)表面活性劑吸附、冷等離子處理等物理或化學(xué)方法制得Zeta電位的絕對值較高的不同電性的膠體微球。通過超聲法將處理后的微球均勻分散到需要的液體中。
[0035]將帶電基板浸入帶有相反電荷的膠體微球分散液中，通過微球與基板間的異種電荷相互吸附的作用，使基板附著上膠體微球，示意圖如圖1 ;然后對基板施外加作用力，可帶走基板表面附著較差的微球，使得表面留下結(jié)合力較強(qiáng)的膠體微球，示意圖如圖2 ;然后將基板浸入與基板相同電荷的膠體微球分散液中，通過微球與微球間的異種電荷相互吸附的作用，層層組裝成膠體晶體，示意圖如圖3。圖中各附件標(biāo)記如下:1.帶有與基板相反電荷的膠體微球，2.基板，3.電場，4.電場、氣流或水流，5.帶有與基板相同電荷的膠體微球。
[0036]本方法將提高膠體晶體的強(qiáng)度及膜基結(jié)合力，并實現(xiàn)對于膠體晶體層數(shù)的精準(zhǔn)可控。同時快捷低廉也是本方法一個附加特點?？梢灾频脤訑?shù)可控，力學(xué)性能良好的膠體晶體，以拓展膠體晶體應(yīng)用的空間。
[0037]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中膠體微球為的聚苯乙烯微球、酚醛樹脂微球、聚甲基丙烯酸甲醋微球、聚吡咯微球、聚苯胺微球、二氧化硅微球、氧化鋅微球、金微球、二氧化鈦微球、核殼結(jié)構(gòu)的金包二氧化硅微球、聚苯乙烯包二氧化硅微球、聚甲基丙烯酸甲酯包聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯包二氧化硅微