本發(fā)明涉及圖案化的方法，特別涉及一種纖維素光子晶體圖案化的方法。

背景技術(shù)：

光子晶體具有周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)和特殊的光子帶隙特征，因其可以實現(xiàn)對特定波長電磁波的光學(xué)調(diào)制，在光學(xué)器件、生物編碼以及傳感等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，采用納微米尺寸的單分散膠體微球(如二氧化硅微球、聚苯乙烯微球等)構(gòu)筑單元自組裝制備光子晶體是一類成本低、可控性好、操作方便的方法。但是，近來隨著大眾對納米粉體毒性的擔(dān)憂以及材料的環(huán)保性、可持續(xù)性的關(guān)注，研究者迫切需要找尋環(huán)境友好的光子晶體構(gòu)筑單元，以期替代傳統(tǒng)粉體材料。

纖維素納米晶是近年來發(fā)現(xiàn)的一類新型光子晶體構(gòu)筑基材，以往的研究證明，這類纖維素納米晶呈短棒狀規(guī)整結(jié)構(gòu)，在特定條件能夠自發(fā)組織形成穩(wěn)定的周期性手性排列結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。采用纖維素納米晶替代傳統(tǒng)的微球型構(gòu)筑單元，可以減少納米微球的使用，大大降低了潛在的風(fēng)險；此外，纖維素作為一種自然界中最豐富的可再生天然高分子材料，對環(huán)境污染及能源危機等問題的改善具有重要意義。

盡管纖維素光子晶體的研究已經(jīng)取得一定進展，但是目前還缺乏一種有效的可實現(xiàn)纖維素光子晶體圖案化的方法，極大限制了其在光學(xué)、傳感、顯示等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用。當(dāng)前，對自組裝形成的光子晶體圖案化的方法集中在噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、3d打印等方面。噴墨印刷構(gòu)筑圖案化光子晶體具有快速高效的特點，但其制備過程對墨水性質(zhì)要求苛刻，通常要求墨水粘度小且表面張力大，因而不適于纖維素高分子水溶液(粘度大)或以有機溶劑作為分散液的纖維素溶液(表面張力小)；絲網(wǎng)印刷可以借助預(yù)先設(shè)計的孔版將纖維素納米晶分散液轉(zhuǎn)移到承印物上的特定位置，從而實現(xiàn)圖案化，該方法具有操作方便、成本低廉以及適應(yīng)性強的特點，但其對承印物表面性質(zhì)以及油墨濃度均有嚴(yán)格要求；3d打印是一種較為新穎的制備具有三維網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)光子晶體的手段，但目前可打印的材料種類有限，且缺乏相應(yīng)的研究以解決纖維素納米晶在打印材料基體中的分散問題以及后續(xù)的有序化自組織問題。

中國專利cn2014101303232記載了一種基于蠟的刮涂圖案化的方法，對塑料片表面用進行親水處理，用作基底；將設(shè)計好的圖案用蠟打印在基底上；用酸解后的微晶纖維素懸液刮涂，使酸解后的微晶纖維素懸液灌注于沒有蠟的中空區(qū)域,從而實現(xiàn)纖維素的圖案化；但該方法需要噴蠟打印機根據(jù)所需圖案對基底進行大范圍地打蠟覆蓋，影響了其生產(chǎn)經(jīng)濟性和圖案化效率；此外，該策略實施步驟較多且分散，無法實現(xiàn)連續(xù)、大規(guī)模的生產(chǎn)操作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，提供一種纖維素光子晶體圖案化的方法。

為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種纖維素光子晶體圖案化的方法，

以纖維素納米晶作為光子晶體的構(gòu)筑單元；

以表面具有親水圖案的材料作為沉積基底；

將所述纖維素納米晶配置成纖維素納米晶分散液，在所述沉積基底上刮涂，并揮發(fā)組裝，纖維素納米晶分散液沉積在所述沉積基底的親水圖案區(qū)域，制得具有可見光區(qū)域結(jié)構(gòu)色的圖案化纖維素光子晶體。

優(yōu)選地，所述沉積基底的親水圖案是通過等離子體處理、激光表面處理或軟圖章法的表面處理方法得到。

(1)等離子體法(如圖1a所示)；該方法的具體實施過程是，首先選用合適的掩膜將疏水性基底進行覆蓋，然后進行等離子體處理，這樣就在基底的未保護區(qū)域則會由憎水轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水。

(2)激光表面處理法(如圖1b所示)；具體地，該方法是利用激光束快速、局部地?zé)剖杷曰祝柚砻娴母邷匮趸磻?yīng)，快速實現(xiàn)處理部位從疏水到親水的轉(zhuǎn)變。

(3)軟圖章法(如圖1c所示)；該方法是先對玻璃或者硅片表面做親水處理，使之含有羥基，然后在圖案化的印章(如聚甲基硅氧烷，橡膠等)上面涂覆一層含氟基團的或者有長烷基鏈的試劑，最后把該試劑轉(zhuǎn)移到玻璃表面；接觸了圖案的部分實現(xiàn)疏水改性，沒有接觸到的部分保持親水特征。

通過這些方法實現(xiàn)基底表面親水圖案區(qū)域特征的可控構(gòu)造，從而在纖維素納米晶分散液在沉積基底上刮涂過程中，實現(xiàn)對親水圖案區(qū)域液滴大小，形狀，數(shù)目及分布的控制。

優(yōu)選地，所用沉積基底的材料本體為塑料、聚二甲基硅氧烷(pdms)或疏水改性的玻璃、金屬、陶瓷或硅片。

優(yōu)選地，所述纖維素納米晶分散液中纖維素納米晶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1-30wt％。

優(yōu)選地，所述纖維素納米晶分散液中含電解質(zhì)；更優(yōu)選地，所述電解質(zhì)選擇nacl、kcl、k2so4中的一種或幾種；更優(yōu)選地，所述電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％-1％。

優(yōu)選地，所述纖維素納米晶分散液的溶劑為水或水和其他溶劑(如甲醇、乙醇或乙二醇等中任意一種或幾種)的混合物。

優(yōu)選地，所述揮發(fā)組裝過程中在沉積基地表面覆蓋一層油膜；更優(yōu)選地，所述油膜為氟油、甲基硅油、石蠟油、正十六烷中任意一種。

優(yōu)選地，所述揮發(fā)組裝溫度為20-50℃。

優(yōu)選地，所述纖維素納米晶是通過硫酸水解漂白的木漿或濾紙得到的。這類纖維素納米晶尺寸均一，多呈短棒狀；當(dāng)其在溶液中的濃度上升到一定程度時，隨機分散的纖維素納米晶將自發(fā)組織形成穩(wěn)定的手性排列形成周期性有序微結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。

具體地，纖維素納米晶的制備方法為：

在加熱攪拌條件下，將漂白的木漿或濾紙溶解于硫酸溶液中，水解一定時間后，用水稀釋，離心純化。

纖維素納米晶的制備方法的優(yōu)選條件為：

加熱溫度范圍選擇20-75℃；

漂白軟木或濾紙與硫酸溶液的質(zhì)量比為1:3-1:20；

硫酸質(zhì)量百分比濃度在30-70wt％；

水解時間為10-360min。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點如下，

本發(fā)明提供了一種新型的光子晶體構(gòu)筑單元-纖維素納米晶；采用纖維素納米晶替代傳統(tǒng)的微球型構(gòu)筑單元，避免了納米粉體的使用，大大降低了潛在的風(fēng)險；此外，纖維素作為一種自然界中最豐富的可再生天然高分子材料，其替代傳統(tǒng)的構(gòu)筑單元能夠有效減少各類有機單體的使用，對環(huán)境污染及能源危機等問題的改善具有重要意義。

本發(fā)明提供了一種光子晶體圖案化的新方法；相較于傳統(tǒng)的光子晶體圖案化方法，本發(fā)明提出的基于沉積基底表面潤濕性差異誘導(dǎo)“墨水”——纖維素納米晶選擇性沉積的方法，對于中高粘度墨水同樣可行，具有適用性廣并且簡單高效的特點，必將能夠作為光子晶體圖案化手段的重要補充。

本發(fā)明利用等離子束、激光束或印章的方法在基底表面直接引入親水性圖案，然后使用納米晶纖維素分散液進行刮涂即可圖案化，無需額外的打印涂覆過程，具有簡單高效的特點；通過掩膜(等離子體束法)、電腦程序(激光直寫法)或印章形狀(軟圖章法)進行靈活控制；可實現(xiàn)連續(xù)、大規(guī)模的生產(chǎn)。

本發(fā)明制備的圖案化纖維素納米晶的結(jié)構(gòu)色可調(diào)；通過分散液中電解質(zhì)濃度，可以實現(xiàn)對纖維素納米晶組裝行為的調(diào)控，從而改變其結(jié)構(gòu)色，實現(xiàn)多彩顯示。

附圖說明

圖1微液滴模板構(gòu)筑纖維素光子晶體及圖案化示意圖；

圖2為圖案化纖維素光子晶體的照片；

圖3為纖維素光子晶體的sem圖。

具體實施方式

實施例1：纖維素光子晶體圖案化

配置纖維素納米晶分散液作為沉積“墨水”，其中，分散液選用去離子水，纖維素納米晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10wt％，nacl質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3％。在pdms上方覆蓋圖案化掩膜后進行氧氣等離子體處理(如圖1a所示)，并以此作為沉積基底。將纖維素納米晶墨水在沉積基底上進行刮涂，實現(xiàn)墨水在基底上的圖案化分布，并在常溫條件下干燥，得到具有可見光區(qū)域結(jié)構(gòu)色的纖維素光子納米晶圖案。

實施例2：纖維素光子晶體圖案化

配置纖維素納米晶分散液作為沉積“墨水”，其中，分散液選用去離子水與乙醇的混合物(體積比為1:1)，纖維素納米晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30wt％，kcl質(zhì)量分?jǐn)?shù)1％。在聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)塑料片上方覆蓋圖案化掩膜后進行氧氣等離子體處理(如圖1a所示)。隨后，將纖維素納米晶墨水在此基底上進行刮涂，實現(xiàn)墨水在基底上的圖案化分布，在圖案化墨水表面覆蓋上一層正十六烷后在30℃條件下干燥，得到具有可見光區(qū)域結(jié)構(gòu)色的纖維素光子納米晶圖案。

實施例3：纖維素光子晶體圖案化

配置纖維素納米晶分散液作為沉積“墨水”，其中，分散液選用去離子水與甲醇、乙二醇的混合物(體積比為1:1:1)，纖維素納米晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1wt％，k2so4質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5％。使用氟表面改性的玻璃作為基底并進行激光刻蝕(如圖1b所示)。隨后，將纖維素納米晶墨水在此基底上進行刮涂，實現(xiàn)墨水在基底上的圖案化分布。隨后，在圖案化墨水表面覆蓋上一層十六烷，并在50℃條件下干燥，得到具有可見光區(qū)域結(jié)構(gòu)色的纖維素光子納米晶圖案。

實施例4：纖維素光子晶體圖案化

配置纖維素納米晶分散液作為沉積“墨水”，其中，分散液選用去離子水，纖維素納米晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15wt％，k2so4+kcll質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7％。通過印章法使用1h,1h,2h,2h-全氟辛基三氯硅烷對食人魚處理后的親水玻璃進行疏水改性(如圖1c所示)。隨后，將纖維素納米晶“墨水”在此改性基底上進行刮涂，實現(xiàn)墨水在基底上的圖案化分布。隨后，在圖案化墨水表面覆蓋上一層甲基硅油，并在常溫條件下干燥，得到具有可見光區(qū)域結(jié)構(gòu)色的纖維素光子納米晶圖案。

對比例1：纖維素光子晶體圖案化

保持實施例4的其他條件不變，不同的是纖維素納米晶分散液中不含電解質(zhì)，得到具有紅外區(qū)域結(jié)構(gòu)色的纖維素光子納米晶圖案。

保持實施例4的其他條件不變，不同的是纖維素納米晶分散液中電解質(zhì)含量2％，無法獲得具有結(jié)構(gòu)色的纖維素光子納米晶圖案。

實施例5：制備纖維素納米晶

在加熱攪拌條件下，將漂白的木漿溶解于硫酸溶液中，水解一定時間后，用水稀釋，離心純化。

其中，

加熱溫度選擇20℃；

漂白軟木與硫酸溶液的質(zhì)量比為1:20；

硫酸質(zhì)量百分比濃度在30wt％；

水解時間為360min。

實施例6：制備纖維素納米晶

在加熱攪拌條件下，將濾紙溶解于硫酸溶液中，水解一定時間后，用水稀釋，離心純化。

其中，

加熱溫度范圍選擇75℃；

漂白軟木或濾紙與硫酸溶液的質(zhì)量比為1:3；

硫酸質(zhì)量百分比濃度在70wt％；

水解時間為10min。

實施例7：制備纖維素納米晶

在加熱攪拌條件下，將漂白的木漿或濾紙溶解于硫酸溶液中，水解一定時間后，用水稀釋，離心純化。

其中，

加熱溫度范圍選擇45℃；

漂白軟木或濾紙與硫酸溶液的質(zhì)量比為1:12；

硫酸質(zhì)量百分比濃度在50wt％；

水解時間為120min。

需要說明的是上述實施例僅僅是本發(fā)明的較佳實施例，并沒有用來限定本發(fā)明的保護范圍，在上述基礎(chǔ)上做出的等同替換或者替代均屬于本發(fā)明的保護范圍。