专利名称：一种大面积无裂缝二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种大面积无裂缝二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，属于无机纳米材料制备技术领域。
背景技术：
由二氧化硅微球组成的胶体晶体薄膜，展现出非常有用的功能，在许多应用领域有着非常广泛的应用前景，例如能源转换与存储，药物输送，和生物传感等领域。通常，这些功能只有在二氧化硅薄膜不存在裂缝等缺陷时才会存在。在二氧化硅薄膜生长的过程中，由于溶剂的界面张力等作用而产生了裂缝。目前，为了避免干燥胶体膜存在裂缝，技术研究把目标指向膜形成过程中的三个影响因素:(I)调整悬浮化学过程；(2)控制干燥机制；(3)定制基底性能。通过在悬浮液中添加聚合物粘合剂，表面活性剂，或溶胶-凝胶前体等，改变悬浮化学但同时增加了薄膜强度。通过潮湿或超临界干燥方法控制干燥机理减小溶剂-空气界面张力形成的胶体网的压力。通过使用可变形的或特殊表面纹路的基底，或者通过改变基底的膜界面，可以定制基底的机械性能，从而诱导微球-基底间的滑动，解除了干燥胶体阵列上溶剂-空气界面产生的压力。这些方法都已经得到了很好的证实。但是，这些方法使得薄膜的制备复杂化，并且在无形中导致薄膜良好功能的丧失。因此，只有不引入额外的复杂性而形成的无裂缝胶体膜，才能不损害膜的性能。我们结合前人的工作，预先将二氧化硅微球粉体进行高温煅烧后再组装，避免了因复杂的制备过程而损害了二氧化硅胶体晶体薄膜的性能。
发明内容
针对现有技 术的不足，本发明提供一种大面积无裂缝二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法。一种大面积无裂缝二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:I)采用Stober法制备粒径单分散的二氧化硅微球，典型的制备方法如下:将正硅酸乙酯和无水乙醇充分混合，正硅酸乙酯和无水乙醇的体积比为1:20.4 ;另将去离子水、浓氨水(浓度为25wt%)和无水乙醇充分混合,去离子水、浓氨水和无水乙醇的体积比为1:3.5:16.8 ;将上述两组溶液于20-35° C的恒温条件下磁力搅拌混合，继续搅拌反应20-24h ;反应结束后，多次用无水乙醇清洗；2)将步骤I)获得的二氧化硅微球进行煅烧，煅烧条件为:从室温升到650-900°C(优选7000C )，并在650-9000C (优选700°C )恒温保持8-15小时，优选10小时.
3)将步骤2)得到的粒径单分散的二氧化硅微球分散到无水乙醇中制得粒径单分散的二氧化硅微球分散液，使得二氧化硅微球体积为粒径单分散的二氧化硅微球分散液体积的0.1-0.8%，然后插入载玻片，于30-60°C的恒温条件下生长3-5天，完成后在载玻片上形成无裂缝二氧化硅胶体晶体薄膜；取出载玻片，用无水乙醇清洗除去表面附着的二氧化硅溶液，得到样品。产物的形貌通过扫描电子显微镜(SEM)照片显示，采用日本日立公司S-4700型电子扫描电镜。所制得的二氧化硅胶体晶体薄膜，在几百个微米范围内形貌良好，不存在裂缝，呈面心立方排列，且排列有序。本发明技术方案设计新颖合理，适用范围广，操作简单，重复性好，无毒，无污染，安全性好。
图1为对比例I所制的二氧化硅单分散微球的扫描电镜图；图2为对比例I所制的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图；图3为对比例2所制的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图；图4为对比例3所制的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图；图5为对比例4所制的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图；图6为本发明之实施例1所制的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜
图7为本发明之实施例1所制的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图。
具体实施例方式下面实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。以下实施例制备的二氧化硅胶体晶体薄膜的形貌通过扫描电子显微镜(SEM)显不，米用日本日立公司S-4700型扫描电镜。对比例1:二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，步骤如下:I)采用Stober法制备粒径单分散的二氧化硅微球，典型的制备方法如下:将正硅酸乙酯和无水乙醇混合，正硅酸乙酯和无水乙醇的体积比为1:20.4;另将去离子水、浓氨水(浓度为25wt%)和无水乙醇混合,去离子水、浓氨水和无水乙醇的体积比为1:3.5:16.8。2)将步骤I)两组溶液分别充分混合后，于20° C的恒温条件下磁力搅拌混合，继续搅拌反应20h。3)反应结束后，多次用无水乙醇清洗，得到粒径单分散的二氧化硅微球分散液，分散剂为无水乙醇。4)将粒径单分散的二氧化硅微球分散液配制成体积比为0.5%的溶液(二氧化硅和溶液的体积比)，插入载玻片，于35° C的恒温条件下生长4天，完成后在载玻片上形成三维有序的二氧化硅胶体晶体薄膜。取出载玻片，用无水乙醇清洗除去表面附着的二氧化硅溶液，得到样品。图1所示为本对比例制得330nm的二氧化硅微球的扫描电镜图，从图中可以看出二氧化硅微球大小均匀，单分散性良好。图2所示为对比例制得的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，但是该胶体晶体薄膜存在许多裂缝。对比例2:二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，步骤如下:I)采用Stober法制备粒径单分散的二氧化硅微球，典型的制备方法如下:将正硅酸乙酯和无水乙醇混合，正硅酸乙酯和无水乙醇的体积比为1:20.4;另将去离子水、浓氨水(浓度为25wt%)和无水乙醇混合,去离子水、浓氨水和无水乙醇的体积比为1:3.5:16.8。2)将步骤I)两组溶液分别充分混合后，于20° C的恒温条件下磁力搅拌混合，继续搅拌反应20h。3)反应结束后，多次用无水乙醇清洗，得到粒径单分散的二氧化硅微球分散液，分散剂为无水乙醇。4)将二氧化娃微球自然沉降,待分散剂挥发掉后,将获得的二氧化娃微球粉末进行400° C煅烧10h，之后将其分散到分散剂中，配制成体积比为0.5%的溶液，插入载玻片，于35° C的恒温条件下生长4天，完成后在载玻片上形成三维有序的二氧化硅胶体晶体薄膜。取出载玻片，用无水乙醇清洗除去表面附着的二氧化硅溶液，得到样品。图3所示为本对比例制得的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，图中裂缝变窄，较对比例I有所改善。对比例3二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，步骤同对比例2，不同之处是，二氧化硅微球粉末的煅烧温度为500° C。图4所示为本实例制得的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，图中裂缝变窄，较对比例2有所改善。对比例4二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，步骤同对比例2，不同之处是，二氧化硅微球粉末的煅烧温度为600° C。`图5所示为本对比例制得的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，图中裂缝变得更窄，较对比例3有所改善。实施例1二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，步骤同实施例2，不同之处是，二氧化硅微球粉末的煅烧温度为700° C。图6、7所示为本实例制得的二氧化硅胶体晶体薄膜的扫描电镜图，可以看出二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，图中裂缝变无，得到大面积范围内完整、无裂缝缺陷的二氧化硅胶体晶体薄膜。实施例2二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，步骤同实施例1，不同之处是，两组溶液混合反应温度为30 Co实施例3二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，步骤同实施例1，不同之处是，二氧化硅溶液自组装的体积浓度为0.3%。实施例4二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，步骤同实施例1，不同之处是，二氧化硅溶液自组装的体积浓度为0.7%。上述实施例2-4所制备的二氧化硅胶体晶体薄膜同实施例1 一样，二氧化硅微球呈面心立方排列，排列有序，无裂缝，得到大面积范围内完整、无裂缝缺陷的二氧化硅胶体晶体薄膜。
权利要求
1.一种大面积无裂缝二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)采用Stober法制备粒径单分散的二氧化硅微球； 2)将步骤I)获得的二氧化硅微球进行煅烧，煅烧条件为:从室温升到650-900°C，并在650-900°C恒温保持8-15小时； 3)将步骤2)得到的粒径单分散的二氧化硅微球分散到无水乙醇中制得粒径单分散的二氧化硅微球分散液，使得二氧化硅微球体积为粒径单分散的二氧化硅微球分散液体积的0.1-0.8%，然后插入载玻片，于30-60°C的恒温条件下生长3-5天，完成后在载玻片上形成无裂缝二氧化硅胶体晶体薄膜；取出载玻片，用无水乙醇清洗除去表面附着的二氧化硅溶液，得到样品。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，Stober法制备粒径单分散的二氧化硅微球的方法，包括以下步骤:将正硅酸乙酯和无水乙醇充分混合，正硅酸乙酯和无水乙醇的体积比为1:20.4 ;另将去离子水、浓氨水(浓度为25wt%)和无水乙醇充分混合，去离子水、浓氨水和无水乙醇的体积比为1:3.5:16.8 ;将上述两组溶液于20-35° C的恒温条件下磁力搅拌混合,继续搅拌反应20-24h ;反应结束后，多次用无水乙醇清洗。
3.按照 权利要求1的方法，其特征在于，煅烧条件为:从室温升到700°C，并在700°C恒温保持10小时。
全文摘要
一种大面积无裂缝二氧化硅胶体晶体薄膜的制备方法，属于无机纳米材料制备技术领域。通过Stober法制备粒径单分散的二氧化硅微球，将二氧化硅微球预先高温煅烧处理后经过垂直自组装法生长获得高质量的二氧化硅胶体晶体薄膜。所制得的二氧化硅胶体晶体薄膜，在几百个微米范围内形貌良好，不存在裂缝，呈面心立方排列，且排列有序。本发明技术方案设计新颖合理，适用范围广，操作简单，重复性好，无毒，无污染，安全性好。
文档编号C01B33/14GK103145134SQ20131009795
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者徐联宾, 符玲娜, 陈建峰, 张程伟 申请人:北京化工大学