專利名稱：光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜及其制法和用途的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于膠體光子晶體膜的應用領域，尤其涉及大尺寸光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜在保溫或保暖涂層方面的用途。
背景技術：
膠體光子晶體材料以單分散乳膠粒規(guī)整排列所形成的周期結構對光的折射或衍射作用實現(xiàn)對光的特殊調控。根據(jù)周期排列的尺寸不同，所調控光的波長不同。相應所制備的膠體晶體的應用領域不同。在通常的專利文獻中，膠體光子晶體膜主要應用在濾波器(如CN01105105.1，CN98110990.X)，光電開光(CN0310004.4，CN02160207.7)，光波導(CN02804125.9，CN99810798，CN01132293.4，CN02811132.X)，光纖(CN00803964.X，CN00803960.7，CN03127694.6)等方面，而很少報道將光子晶體膜應用在涂料領域，尤其是應用保溫涂層方面。
本發(fā)明基于本發(fā)明人在前專利申請(專利申請?zhí)朇N200510011219.2，CN200510012021.6，CN200610011452.5，CN200510012047.0，CN200510012021.6，CN200610011451.0)的簡單制備單分散乳膠粒，及大面積快速制備可見、紫外、近紅外區(qū)的膠體光子晶體膜，并將其應用在裝飾涂料，預防紫外線的涂層、化妝品及增強光致發(fā)光器件、高反射率漫反射膜等方面的基礎，制備了光子帶隙在中紅外區(qū)的光子晶體，并嘗試應用在保溫或保暖涂層方面。
通常的保溫材料，主要是對熱散失的方式傳導、對流、輻射，針對性地進行避免。為了減少熱的傳導功能，一般在保溫層中引入導熱系數(shù)小的空心材料(CN02145516.3，CN02132991.5，CN02133287.8，CN90105780)象發(fā)泡聚合物，天然無機孔隙材料，如，膨脹珍珠巖，云母粉，細小的陶瓷微粒等，該方法的缺點主要是工藝處理周期長，材料與墻體之間粘結力差，抗沖擊能力弱，干燥收縮大等。也有采用反射隔熱涂層，將涂層涂裝在鋁基表面，或選擇合適的樹脂，金屬，取得高發(fā)射率涂層，來達到隔熱的效果。但該方法成本較高。也有采用輻射隔熱涂料(CN03145447.1)，即通過輻射的方式將吸收的光線和熱量散射出去，其關鍵是制備具有高熱發(fā)射率的涂料組分，多種金屬氧化物，如MnO2，CO2O3，CuO，F(xiàn)e2O3等具有反型尖晶石結構的摻雜型物質具有熱發(fā)射率高的特點。如上三個方式的共同特點是必須采用具體的特定材料才能實現(xiàn)其所謂的隔熱保溫功能。
區(qū)別于以前的保溫或保暖材料的特點，本發(fā)明通過采用光子帶隙接近人體熱紅外輻射波段(8～12um)的光子晶體膜作為夾層材料，利用光子晶體的特點，將人體輻射的熱紅外波阻擋，以起到保暖或保溫的效果。同時，該材料采用環(huán)保的聚合物材料制備，對人體無危害；該材料具有納米級的孔隙，可起到透氣的作用；該材料成本低，可以大量生產(chǎn)和制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供大尺寸光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜，且膠體光子晶體膜成本低廉。
本發(fā)明的目的之二是提供光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜的制備方法。
本發(fā)明的目的之三是提供光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜的用途，將光子帶隙在中紅外區(qū)域的聚合物膠體光子晶體膜用于工業(yè)化生產(chǎn)，尤其應用在保溫或保暖涂層方面。
本發(fā)明的光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜，是由單分散大粒徑聚合物乳膠粒以面心立方堆砌而成的周期性排列有序的三維光子晶體膜，該單分散大粒徑聚合物乳膠粒由若干個硬核-軟殼結構的乳膠粒在聚合過程中聚并而成；單分散大粒徑聚合物乳膠粒的粒徑范圍為2～5μm，多分散指數(shù)小于或等于0.005。
所述的膠體光子晶體膜的光子帶隙涉及中紅外區(qū)的特定波段，主要是與人體溫相一致的波段8～12μm。
所述的單分散聚合物乳膠粒可采用專利申請?zhí)?00610011452.5所公開的制備方法得到
將親水性依次增加的單體1，單體2，單體3混合分散在含有pH緩沖劑和用于調節(jié)單分散大粒徑聚合物乳膠粒粒徑的電解質水溶液中；將所得到的乳液聚合體系在轉速為200～500rpm，優(yōu)選為350rpm的轉速下攪拌混合，并加熱到65～85℃(優(yōu)選溫度為70℃)，加入引發(fā)劑總量3/5的引發(fā)劑使反應開始進行，反應2～4.5小時后再加入引發(fā)劑總量1/5的引發(fā)劑，其余的引發(fā)劑在繼續(xù)反應2～4.5小時后加入，所述的引發(fā)劑總用量相當單體總重量的0.5wt％～2wt％，優(yōu)選為1wt％。反應隨后持續(xù)1～3小時結束，得到單分散指數(shù)小于或等于0.005，粒徑范圍為2～5μm的單分散大粒徑聚合物乳膠粒。隨著聚合體系中調節(jié)單分散大粒徑聚合物乳膠粒粒徑的電解質溶液的引入，在聚合初期由均相成核形成的具有硬核-軟殼結構的乳膠粒會發(fā)生聚并，并且隨著電解質溶液引入量的增多，乳膠粒聚并的程度增大，最終得到由若干個硬核-軟殼結構的乳膠粒在聚合過程中聚并而形成的單分散大粒徑聚合物乳膠粒。
其中，單體1的用量為乳液聚合體系中單體總重量的90～95wt％，單體2為3～6wt％，單體3為0～6wt％，pH緩沖劑在乳液聚合體系中的濃度為0～0.99wt％，電解質在乳液聚合體系中的濃度為0～0.7wt％。
體系的反應時間為5～12小時，優(yōu)選反應時間為8～10小時。
所述的反應單體為分子中含有至少一個烯鍵的化合物，其親水性依次增加，單體1為親水性較差的反應單體，如苯乙烯、甲基苯乙烯或它們的混合物；而單體2為親水性相對較好的單體，如丙烯酸酯類、醋酸乙烯酯或它們的混合物等，所述的丙烯酸酯類是甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸異丁酯或它們的任意混合物；單體3為親水性很強的水溶性反應單體，如丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯氰或它們的任意混合物。微量水溶性反應單體3的引入是為了增加體系的穩(wěn)定性。
所述的引發(fā)劑是堿金屬過硫酸鹽、過硫酸銨或它們的混合物。其中引發(fā)劑是以水溶液的形式引入到聚合體系中，其溶液濃度為2～5wt％。
所述的堿金屬是鉀或鈉。
所述的調節(jié)最終所得乳膠粒的粒徑大小的電解質選自氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣等中的一種或一種以上的混合物。
所述的pH緩沖劑選自碳酸氫銨、碳酸氫鈉、磷酸氫鈉等中的一種或一種以上的混合物。
本發(fā)明的光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜的制備方法包括以下步驟(1)室溫下先將單分散大粒徑聚合物乳膠粒分散在水中，然后將所得到的單分散大粒徑聚合物乳膠粒乳液均勻覆蓋在平整基材上，其中單分散大粒徑聚合物乳膠粒乳液的濃度為5～30wt％。
(2)常溫常壓下使步驟(1)分散單分散大粒徑聚合物乳膠粒的溶劑水揮發(fā)，單分散大粒徑聚合物乳膠粒在基材上以面心立方堆砌，且形成周期性排列有序的三維光子晶體膜，當涂膜干燥后，從基材上剝離，可以得到光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜。
所述的單分散大粒徑聚合物乳膠粒的單分散指數(shù)小于或等于0.005，粒徑范圍為2～5μm。
所述的基材包括玻璃、硅片、紙張或不銹鋼板等。
本發(fā)明的光子帶隙在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜主要針對中紅外區(qū)的波段，尤其是接近人體溫度的熱紅外波段具有防輻射功能；應用于保溫或保暖材料。
根據(jù)膠體光子晶體成膜基材的不同，所得到的聚合物膠體光子晶體膜可以應用在不同基材上。
本發(fā)明的光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜與其它材料混合應用于保溫或保暖材料。
本發(fā)明的膠體光子晶體膜的自組裝制備，采用一種簡單的方法實現(xiàn)將一定濃度的單分散大粒徑聚合物乳膠粒均勻覆蓋在平整基材上，待其中的分散液揮發(fā)干后，便形成周期性排列有序的三維光子晶體膜，光子晶體有序程度優(yōu)良。本發(fā)明方法簡單易行，所需設備簡單，有利于實現(xiàn)光子晶體膜的大規(guī)模制備。
本發(fā)明是通過利用光子帶隙在中紅外區(qū)的光子晶體對人體輻射的熱紅外波的防止輻射實現(xiàn)保溫效果，該方法成本低，容易實現(xiàn)。
本發(fā)明方法制備得到的乳晶膜由于為聚合物膜，在使用過程中對人體無毒害，可廣泛應用在保溫或保暖材料。
本發(fā)明所采用的聚合物光子晶體膜所得到的用于保暖或保溫材料具有如下優(yōu)點1)對材料沒有特定選擇性，采用一般的涂料基材，如苯丙乳液；尤其可根據(jù)需要選擇對人體無危害的材料；2)可以有效的實現(xiàn)保溫功能。該光子晶體膜利用光子帶隙對人體輻射的熱紅外波的調控，可以有效防止人體溫度受外界溫度的影響。同時利用膜本身的納米級孔隙結構有效的防止熱傳導，并起到透氣效果；3)該方法簡單，成本低，容易實現(xiàn)。
以下結合附圖并通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。


圖1.本發(fā)明實施例1的三維周期性排列長程有序膠乳光子晶體膜的SEM照片(粒徑為3μm)。
圖2.本發(fā)明實施例1的膠體光子晶體膜的反射光譜圖，其光子帶隙位置涉及人體溫輻射的熱紅外波段6～12μm，其峰位在10～11μm。
圖3.本發(fā)明實施例2的膠體光子晶體膜的反射光譜圖，其光子帶隙位置涉及人體溫輻射的熱紅外波段6～12μm，其峰位在8.5μm。
圖4.本發(fā)明實施例2的膠體光子晶體膜的反射光譜圖，其光子帶隙位置涉及人體溫輻射的熱紅外波段8～12μm，其峰位在9.0μm。
具體實施例方式
實施例1光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜的制備在室溫下將濃度為5wt％的單分散粒徑為3μm的聚(苯乙烯-甲基丙烯酸酯-丙烯酸)三元共聚物乳膠粒乳液，分別均勻覆蓋在清潔的玻璃、硅片或不銹鋼板基材上，常溫(15～30℃)常壓下待其中的分散液水分揮發(fā)干后，單分散大粒徑聚合物乳膠粒在基材上以面心立方堆砌，且形成周期性排列有序的三維光子晶體膜。制備得到的膠體光子晶體膜的光子帶隙位置涉及6～12μm(如圖2所示)。SEM照片如圖1所示。
實施例2光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜的制備按照實施例1方法將濃度為30wt％的單分散粒徑為2.5μm的聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸)三元共聚物乳膠粒乳液組裝成光子晶體膜。制備得到的膠體光子晶體膜的光子帶隙位置涉及6～12μm(如圖3所示)。
實施例3光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜的制備按照實施例1方法將濃度為15wt％的單分散粒徑為2.8μm的聚(甲基苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸)三元共聚物乳膠粒乳液組裝成光子晶體膜。制備得到的膠體光子晶體膜的光子帶隙位置涉及8～12μm(如圖4所示)。
實施例4用作保溫涂層的保溫材料將實施例1，2或3制備得到的膠體光子晶體膜粉碎到微米級大小，作為保溫涂層材料，該膜可以對接近人體熱紅外波段防止輻射，從而起到保溫或保暖效果。
實施例3用作防輻射保溫涂層將用實施例1，2或3制備得到膠體光子晶體膜分別從玻璃基材上剝離(用量為10wt％)，粉碎到微米級大小，分別與丙烯酸清漆(60wt％)及一定量乙醇(30wt％)相混合使用，可得到防輻射保溫涂層。
權利要求
1.一種光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜，其特征是所述的聚合物膠體光子晶體膜是由單分散大粒徑聚合物乳膠粒以面心立方堆砌而成的周期性排列有序的三維光子晶體膜，該單分散大粒徑聚合物乳膠粒由若干個硬核-軟殼結構的乳膠粒在聚合過程中聚并而成；單分散聚合物乳膠粒的粒徑為2～5μm，多分散指數(shù)小于或等于0.005。
2.根據(jù)權利要求1所述的光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜，其特征是所述的膠體光子晶體膜的光子帶隙涉及中紅外區(qū)的波段是6～12μm。
3.一種根據(jù)權利要求1～2任一項所述的光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜的制備方法，其特征是，該方法包括以下步驟(1)室溫下先將單分散大粒徑聚合物乳膠粒分散在水中，然后將所得到的單分散大粒徑聚合物乳膠粒乳液均勻覆蓋在平整基材上，其中單分散大粒徑聚合物乳膠粒乳液的濃度為5～30wt％；(2)常溫常壓下使步驟(1)分散單分散大粒徑聚合物乳膠粒的溶劑水揮發(fā)，單分散大粒徑聚合物乳膠粒在基材上以面心立方堆砌，且形成周期性排列有序的三維光子晶體膜，當涂膜干燥后，從基材上剝離，得到光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜。
4.一種根據(jù)權利要求1～2任一項所述的光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜的用途，其特征是所述的光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜作為保溫或保暖材料使用。
全文摘要
本發(fā)明屬于膠體光子晶體膜的應用領域，尤其涉及大尺寸光子帶隙位置在中紅外區(qū)的聚合物膠體光子晶體膜在保溫或保暖涂層方面的用途。將單分散大粒徑聚合物乳膠粒乳液均勻覆蓋在平整基材上，待分散溶劑水揮發(fā)后，得到由單分散大粒徑聚合物乳膠粒以面心立方堆砌而成的周期性排列有序的三維光子晶體膜。由于所用的單分散聚合物乳膠粒的粒徑為2～5μm，本發(fā)明所得乳膠光子晶體膜的光子帶隙分布在人體熱紅外輻射波段，6～12μm。乳膠光子晶體膜可用作保溫或保暖材料等。
文檔編號C09D5/18GK101062982SQ20061001182
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權日2006年4月28日
發(fā)明者王京霞, 宋延林, 江雷 申請人:中國科學院化學研究所