一種具有光子能帶結(jié)構(gòu)的柔性智能薄膜材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納材料制造及復(fù)合的智能材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種具有光子能帶結(jié)構(gòu)的柔性智能薄膜材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代加工工藝的快速發(fā)展，帶動了其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在信息化時代的今天，器件的功能集成化已經(jīng)成了人們的日常需求。在這樣的背景下，開發(fā)多功能、環(huán)保、節(jié)能材料是人類可持續(xù)發(fā)展的客觀條件。光能以其節(jié)能環(huán)保的能源特性而備受關(guān)注。光學(xué)薄膜材料通過分層介質(zhì)的傳播方式實現(xiàn)光能的重新分配。更重要的是，柔性光學(xué)薄膜材料具備易修飾改性，易加工、易組裝的特性。柔性智能薄膜材料還具有更為廣闊的應(yīng)用空間，例如柔性智能薄膜材料可被應(yīng)用于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、微流體過濾、傳感器、催化、電極等領(lǐng)域。
[0003]目前，關(guān)于光學(xué)柔性智能材料的研究主要停留在利用多腔結(jié)構(gòu)對外界條件的響應(yīng)，引發(fā)腔體形變而誘發(fā)其機械性能。有研究者從電能驅(qū)動薄膜開始，制作了具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的聚吡咯驅(qū)動器，在電場的驅(qū)動下LiClO4溶液中實現(xiàn)了90°彎曲，但是利用電能驅(qū)動存在能源消耗高的問題。還有研究者提出了利用化學(xué)能驅(qū)動薄膜的思想，利用化學(xué)能驅(qū)動薄膜不存在電能消耗的問題，現(xiàn)有研究中也取得了一定的進展，如有的學(xué)者利用PI制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的柔性薄膜，并且在丙酮的氣氛下所述多孔結(jié)構(gòu)的柔性薄膜具有不錯的機械性能;還有學(xué)者研究多腔結(jié)構(gòu)的PDMS/PU薄膜，利用其在不同溶劑中溶脹特性實現(xiàn)了薄膜的彎曲、扭轉(zhuǎn)等機械特性。但是上述利用化學(xué)能驅(qū)動薄膜的研究中仍然存在薄膜響應(yīng)速度不可控，驅(qū)動方向可控性差以及溶劑檢驗定性難的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明提供了一種具有光子能帶結(jié)構(gòu)的柔性智能薄膜材料及其制備方法，通過光子晶體模板組裝步驟、聚合物填充光子晶體模板步驟、光子晶體模板去除步驟以及后處理步驟，制備獲得具有光子能帶結(jié)構(gòu)的柔性智能薄膜材料。本發(fā)明制備的柔性智能薄膜材料兼?zhèn)淞斯庾泳w和聚合物的特性，突破了傳統(tǒng)材料性能單一的不足，具備對光傳播路徑的調(diào)控與化學(xué)能驅(qū)動薄膜的雙重特質(zhì)，并解決了柔性薄膜驅(qū)動方向可控性差、響應(yīng)速度不可控的問題。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種具有光子能帶結(jié)構(gòu)的柔性智能薄膜材料的制備方法，所述制備方法首先以球型顆粒為原料，通過組裝獲得光子晶體模板，再依次用同一種聚合物的低濃度聚合物溶液以及高濃度聚合物溶液填充所述光子晶體模板，經(jīng)過固化處理，獲得固化后聚合物填充的光子晶體模板，然后利用能夠溶解所述球型顆粒的溶液去除所述光子晶體模板，獲得去除光子晶體模板的薄膜，再經(jīng)過清洗、干燥，即獲得柔性智能薄膜材料。
[0006]進一步地，獲得的所述光子晶體模板中所述球型顆粒呈周期性排列，并所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔結(jié)構(gòu);所述制備方法包括光子晶體模板組裝步驟、聚合物填充光子晶體模板步驟、光子晶體模板去除步驟以及后處理步驟，制備獲得柔性智能薄膜材料。
[0007]進一步地，所述制備方法具體包括以下步驟:
(1)光子晶體模板組裝步驟:首先將球型顆粒分散在非溶解性溶劑中形成懸濁液，所述球型顆粒的體積百分比濃度為0.001%-0.05%，將襯底置于所述懸濁液中，放置所述襯底時，所述襯底與盛放所述懸濁液的容器的底部呈一定角度，所述角度的范圍為30-80°，然后在真空干燥箱中蒸發(fā)所述非溶解性溶劑，待所述溶劑蒸發(fā)完全后，所述球型顆粒在所述襯底上規(guī)則排列，獲得所述球型顆粒呈周期性排列的光子晶體模板；
(2)聚合物填充光子晶體模板步驟:首先以N，N-二甲基甲酰胺為溶劑，分別配置同一種聚合物的高濃度聚合物溶液與低濃度聚合物溶液，所述高濃度聚合物溶液中聚合物的質(zhì)量百分比濃度為7-15wt%，所述低濃度聚合物溶液中聚合物的質(zhì)量百分比濃度為l-3wt%;
往步驟(I)制備獲得的所述光子晶體模板上滴加所述低濃度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶體模板的滴加量不高于lyL，室溫下，等待1-1Omin;再往所述光子晶體模板上滴加所述高濃度聚合物溶液，每平方厘米所述光子晶體模板的滴加量不低于2yL，置于干燥箱中干燥，即得到固化后聚合物填充的光子晶體模板；
(3)光子晶體模板去除步驟:將步驟(2)得到的所述固化后聚合物填充的光子晶體模板置于能夠溶解步驟(I)中所述球型顆粒的溶液中浸泡，直至所述球型顆粒完全溶解，即完成光子晶體模板的去除，獲得去除光子晶體模板的薄膜；
(4)后處理步驟:將步驟(3)獲得的所述去除光子晶體模板的薄膜在去離子水中清洗后取出，放入干燥箱中干燥，即獲得柔性智能薄膜材料。
[0008]進一步地，步驟(I)中，所述球型顆粒具有單分散性且粒徑均勻，所述非溶解性溶劑為不與所述球型顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的易揮發(fā)性試劑。
[0009]進一步地，步驟(I)中，所述球型顆粒是二氧化娃微球，步驟(3)中能夠溶解步驟
(I)中所述球型顆粒的溶液是質(zhì)量百分數(shù)為20%的氫氟酸溶液。
[0010]進一步地，在步驟(2)中，所述聚合物為酰亞胺、四氟乙烯、偏氟乙烯、偏氟乙烯、六氟丙烯中的任意一種的聚合物或者任意兩種形成的共聚物。
[0011]進一步地，在步驟(2)中，所述聚合物可以溶于N，N-二甲基甲酰胺。
[0012]進一步地，在步驟(I)中，所述真空干燥箱的真空度不低于0.2mkPa。
[0013]一種具有光子能帶結(jié)構(gòu)的柔性智能薄膜材料，根據(jù)所述一種具有光子能帶結(jié)構(gòu)的柔性智能薄膜材料的制備方法制備獲得，其特征在于，所述柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔結(jié)構(gòu)，并所述柔性智能薄膜材料具有溶劑驅(qū)動功能、形狀存儲功能以及形狀記憶功能。
[0014]進一步地，所述柔性智能薄膜材料具有結(jié)構(gòu)色，所述結(jié)構(gòu)色取決于光子晶體模板組裝過程中使用的球型顆粒的粒徑；當使用粒徑為150nm的球型顆粒組裝所述光子晶體模板時，制備獲得的所述柔性智能薄膜材料的結(jié)構(gòu)色為紫色，當使用粒徑為250nm的球型顆粒組裝所述光子晶體模板時，制備獲得的所述柔性智能薄膜材料的結(jié)構(gòu)色為紅色，當使用粒徑為350nm的球型顆粒組裝所述光子晶體模板時，制備獲得的所述柔性智能薄膜材料的結(jié)構(gòu)色為藍色。
[0015]本發(fā)明的有益技術(shù)效果: 1.本發(fā)明通過光子晶體模板組裝以及后續(xù)的光子晶體模板去除步驟，使獲得的柔性智能薄膜材料具有周期性排列的多腔結(jié)構(gòu)，從而使所述柔性智能薄膜材料兼?zhèn)淞斯庾泳w和聚合物的特性;這兩種特性使得本發(fā)明的柔性智能薄膜材料突破了傳統(tǒng)材料性能單一的不足，實現(xiàn)了對光傳播路徑的調(diào)控與化學(xué)能驅(qū)動薄膜的雙重特質(zhì)。
[0016]2.本發(fā)明制備的柔性智能薄膜材料具有易剪裁的特性，可以通過調(diào)整薄膜的剪裁方向來解決傳統(tǒng)技術(shù)驅(qū)動方向可控性差的問題。
[0017]3.通過控制揮發(fā)性溶劑的使用量以及選用不同沸點的溶劑解決了調(diào)控驅(qū)動響應(yīng)速度的問題。
[0018]4.所述柔性智能薄膜材料特有的周期性排列的多腔結(jié)構(gòu)能夠有效地控制光子活動范圍，形成光子能帶結(jié)構(gòu)，利用空氣和填充材料之間折射率差，致使材料選擇吸收一定波長的光，實現(xiàn)了對光傳播路徑的調(diào)控。
[0019]5.所述柔性智能薄膜材料除了上述具有易剪裁、吸收特定波長可見光的特性，同時還具有可調(diào)控的疏水性、韌性、形狀記憶功能、形狀存儲功能、溶劑驅(qū)動功能。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明制備獲得的柔性智能薄膜材料的截面掃描電鏡照片。
[0021]圖2為本發(fā)明制備獲得的柔性智能薄膜材料的表面的高倍掃描電鏡照片。
[0022]圖3為本發(fā)明制備獲得的柔性智能薄膜材料在揮發(fā)性溶劑驅(qū)動薄膜自回復(fù)過程的光學(xué)照片。
[0023]圖4為本發(fā)明制備獲得的柔性智能薄膜材料在揮發(fā)性溶劑驅(qū)動薄膜自回復(fù)原理的光學(xué)照片。
[0024]圖5為本發(fā)明制備獲得的柔性智能薄膜材料形狀存儲功能的顯微鏡照片。
[0025]圖6為本發(fā)明制備獲得的柔性智能薄膜材料形狀記憶功能的照片。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及