專利名稱：一種大面積無裂縫二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大面積無裂縫二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，屬于無機納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由二氧化硅微球組成的膠體晶體薄膜，展現(xiàn)出非常有用的功能，在許多應(yīng)用領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景，例如能源轉(zhuǎn)換與存儲，藥物輸送，和生物傳感等領(lǐng)域。通常，這些功能只有在二氧化硅薄膜不存在裂縫等缺陷時才會存在。在二氧化硅薄膜生長的過程中，由于溶劑的界面張力等作用而產(chǎn)生了裂縫。目前，為了避免干燥膠體膜存在裂縫，技術(shù)研究把目標指向膜形成過程中的三個影響因素:(I)調(diào)整懸浮化學(xué)過程；(2)控制干燥機制；(3)定制基底性能。通過在懸浮液中添加聚合物粘合劑，表面活性劑，或溶膠-凝膠前體等，改變懸浮化學(xué)但同時增加了薄膜強度。通過潮濕或超臨界干燥方法控制干燥機理減小溶劑-空氣界面張力形成的膠體網(wǎng)的壓力。通過使用可變形的或特殊表面紋路的基底，或者通過改變基底的膜界面，可以定制基底的機械性能，從而誘導(dǎo)微球-基底間的滑動，解除了干燥膠體陣列上溶劑-空氣界面產(chǎn)生的壓力。這些方法都已經(jīng)得到了很好的證實。但是，這些方法使得薄膜的制備復(fù)雜化，并且在無形中導(dǎo)致薄膜良好功能的喪失。因此，只有不引入額外的復(fù)雜性而形成的無裂縫膠體膜，才能不損害膜的性能。我們結(jié)合前人的工作，預(yù)先將二氧化硅微球粉體進行高溫煅燒后再組裝，避免了因復(fù)雜的制備過程而損害了二氧化硅膠體晶體薄膜的性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技 術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種大面積無裂縫二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法。一種大面積無裂縫二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:I)采用Stober法制備粒徑單分散的二氧化硅微球，典型的制備方法如下:將正硅酸乙酯和無水乙醇充分混合，正硅酸乙酯和無水乙醇的體積比為1:20.4 ;另將去離子水、濃氨水(濃度為25wt%)和無水乙醇充分混合,去離子水、濃氨水和無水乙醇的體積比為1:3.5:16.8 ;將上述兩組溶液于20-35° C的恒溫條件下磁力攪拌混合，繼續(xù)攪拌反應(yīng)20-24h ;反應(yīng)結(jié)束后，多次用無水乙醇清洗；2)將步驟I)獲得的二氧化硅微球進行煅燒，煅燒條件為:從室溫升到650-900°C(優(yōu)選7000C )，并在650-9000C (優(yōu)選700°C )恒溫保持8-15小時，優(yōu)選10小時.
3)將步驟2)得到的粒徑單分散的二氧化硅微球分散到無水乙醇中制得粒徑單分散的二氧化硅微球分散液，使得二氧化硅微球體積為粒徑單分散的二氧化硅微球分散液體積的0.1-0.8%，然后插入載玻片，于30-60°C的恒溫條件下生長3-5天，完成后在載玻片上形成無裂縫二氧化硅膠體晶體薄膜；取出載玻片，用無水乙醇清洗除去表面附著的二氧化硅溶液，得到樣品。產(chǎn)物的形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)照片顯示，采用日本日立公司S-4700型電子掃描電鏡。所制得的二氧化硅膠體晶體薄膜，在幾百個微米范圍內(nèi)形貌良好，不存在裂縫，呈面心立方排列，且排列有序。本發(fā)明技術(shù)方案設(shè)計新穎合理，適用范圍廣，操作簡單，重復(fù)性好，無毒，無污染，安全性好。


圖1為對比例I所制的二氧化硅單分散微球的掃描電鏡圖；圖2為對比例I所制的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖；圖3為對比例2所制的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖；圖4為對比例3所制的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖；圖5為對比例4所制的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖；圖6為本發(fā)明之實施例1所制的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡
圖7為本發(fā)明之實施例1所制的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖。
具體實施例方式下面實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。以下實施例制備的二氧化硅膠體晶體薄膜的形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)顯不，米用日本日立公司S-4700型掃描電鏡。對比例1:二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，步驟如下:I)采用Stober法制備粒徑單分散的二氧化硅微球，典型的制備方法如下:將正硅酸乙酯和無水乙醇混合，正硅酸乙酯和無水乙醇的體積比為1:20.4;另將去離子水、濃氨水(濃度為25wt%)和無水乙醇混合,去離子水、濃氨水和無水乙醇的體積比為1:3.5:16.8。2)將步驟I)兩組溶液分別充分混合后，于20° C的恒溫條件下磁力攪拌混合，繼續(xù)攪拌反應(yīng)20h。3)反應(yīng)結(jié)束后，多次用無水乙醇清洗，得到粒徑單分散的二氧化硅微球分散液，分散劑為無水乙醇。4)將粒徑單分散的二氧化硅微球分散液配制成體積比為0.5%的溶液(二氧化硅和溶液的體積比)，插入載玻片，于35° C的恒溫條件下生長4天，完成后在載玻片上形成三維有序的二氧化硅膠體晶體薄膜。取出載玻片，用無水乙醇清洗除去表面附著的二氧化硅溶液，得到樣品。圖1所示為本對比例制得330nm的二氧化硅微球的掃描電鏡圖，從圖中可以看出二氧化硅微球大小均勻，單分散性良好。圖2所示為對比例制得的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，但是該膠體晶體薄膜存在許多裂縫。對比例2:二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，步驟如下:I)采用Stober法制備粒徑單分散的二氧化硅微球，典型的制備方法如下:將正硅酸乙酯和無水乙醇混合，正硅酸乙酯和無水乙醇的體積比為1:20.4;另將去離子水、濃氨水(濃度為25wt%)和無水乙醇混合,去離子水、濃氨水和無水乙醇的體積比為1:3.5:16.8。2)將步驟I)兩組溶液分別充分混合后，于20° C的恒溫條件下磁力攪拌混合，繼續(xù)攪拌反應(yīng)20h。3)反應(yīng)結(jié)束后，多次用無水乙醇清洗，得到粒徑單分散的二氧化硅微球分散液，分散劑為無水乙醇。4)將二氧化娃微球自然沉降,待分散劑揮發(fā)掉后,將獲得的二氧化娃微球粉末進行400° C煅燒10h，之后將其分散到分散劑中，配制成體積比為0.5%的溶液，插入載玻片，于35° C的恒溫條件下生長4天，完成后在載玻片上形成三維有序的二氧化硅膠體晶體薄膜。取出載玻片，用無水乙醇清洗除去表面附著的二氧化硅溶液，得到樣品。圖3所示為本對比例制得的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，圖中裂縫變窄，較對比例I有所改善。對比例3二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，步驟同對比例2，不同之處是，二氧化硅微球粉末的煅燒溫度為500° C。圖4所示為本實例制得的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，圖中裂縫變窄，較對比例2有所改善。對比例4二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，步驟同對比例2，不同之處是，二氧化硅微球粉末的煅燒溫度為600° C。`圖5所示為本對比例制得的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，圖中裂縫變得更窄，較對比例3有所改善。實施例1二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，步驟同實施例2，不同之處是，二氧化硅微球粉末的煅燒溫度為700° C。圖6、7所示為本實例制得的二氧化硅膠體晶體薄膜的掃描電鏡圖，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，圖中裂縫變無，得到大面積范圍內(nèi)完整、無裂縫缺陷的二氧化硅膠體晶體薄膜。實施例2二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，步驟同實施例1，不同之處是，兩組溶液混合反應(yīng)溫度為30 Co實施例3二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，步驟同實施例1，不同之處是，二氧化硅溶液自組裝的體積濃度為0.3%。實施例4二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，步驟同實施例1，不同之處是，二氧化硅溶液自組裝的體積濃度為0.7%。上述實施例2-4所制備的二氧化硅膠體晶體薄膜同實施例1 一樣，二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，無裂縫，得到大面積范圍內(nèi)完整、無裂縫缺陷的二氧化硅膠體晶體薄膜。
權(quán)利要求
1.一種大面積無裂縫二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)采用Stober法制備粒徑單分散的二氧化硅微球； 2)將步驟I)獲得的二氧化硅微球進行煅燒，煅燒條件為:從室溫升到650-900°C，并在650-900°C恒溫保持8-15小時； 3)將步驟2)得到的粒徑單分散的二氧化硅微球分散到無水乙醇中制得粒徑單分散的二氧化硅微球分散液，使得二氧化硅微球體積為粒徑單分散的二氧化硅微球分散液體積的0.1-0.8%，然后插入載玻片，于30-60°C的恒溫條件下生長3-5天，完成后在載玻片上形成無裂縫二氧化硅膠體晶體薄膜；取出載玻片，用無水乙醇清洗除去表面附著的二氧化硅溶液，得到樣品。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，Stober法制備粒徑單分散的二氧化硅微球的方法，包括以下步驟:將正硅酸乙酯和無水乙醇充分混合，正硅酸乙酯和無水乙醇的體積比為1:20.4 ;另將去離子水、濃氨水(濃度為25wt%)和無水乙醇充分混合，去離子水、濃氨水和無水乙醇的體積比為1:3.5:16.8 ;將上述兩組溶液于20-35° C的恒溫條件下磁力攪拌混合,繼續(xù)攪拌反應(yīng)20-24h ;反應(yīng)結(jié)束后，多次用無水乙醇清洗。
3.按照 權(quán)利要求1的方法，其特征在于，煅燒條件為:從室溫升到700°C，并在700°C恒溫保持10小時。
全文摘要
一種大面積無裂縫二氧化硅膠體晶體薄膜的制備方法，屬于無機納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。通過Stober法制備粒徑單分散的二氧化硅微球，將二氧化硅微球預(yù)先高溫煅燒處理后經(jīng)過垂直自組裝法生長獲得高質(zhì)量的二氧化硅膠體晶體薄膜。所制得的二氧化硅膠體晶體薄膜，在幾百個微米范圍內(nèi)形貌良好，不存在裂縫，呈面心立方排列，且排列有序。本發(fā)明技術(shù)方案設(shè)計新穎合理，適用范圍廣，操作簡單，重復(fù)性好，無毒，無污染，安全性好。
文檔編號C01B33/14GK103145134SQ20131009795
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者徐聯(lián)賓, 符玲娜, 陳建峰, 張程偉 申請人:北京化工大學(xué)