一種顏色可調(diào)的凝膠光子晶體膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種顏色可調(diào)的凝膠光子晶體膜的制備方法。該方法通過嚴(yán)格控制PS微球濃度以及和前驅(qū)液的體積比，在較低溫度下，調(diào)控了PS微球的自組裝速率和前驅(qū)液聚合速率的匹配，達(dá)到了在PS微球自組裝成為結(jié)構(gòu)有序膠體晶體的同時(shí)，前驅(qū)液聚合形成的水凝膠顆粒由氫鍵作用填充于膠體晶體的空隙中，形成蛋白石結(jié)構(gòu)的膠體晶體-水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)，除去PS以后，形成了顏色可調(diào)的反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜。該類共沉積法制備的反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜具有結(jié)構(gòu)規(guī)整呈三維有序排列的特點(diǎn)。
【專利說明】—種顏色可調(diào)的凝膠光子晶體膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種顏色可調(diào)的凝膠光子晶體膜的制備方法，屬于光子晶體和水凝膠【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體是由具有不同折射率的材料在空間交替構(gòu)成的一種周期性結(jié)構(gòu)，其根本的特征是具有光子禁帶，即落在禁帶中的光是被禁止傳播的，由于光子禁帶的存在，可以通過改變禁帶實(shí)現(xiàn)對(duì)各種波長(zhǎng)的光進(jìn)行控制。眾所周知，水凝膠受溫度、1)?、離子強(qiáng)度等刺激時(shí)，其結(jié)構(gòu)、能量狀態(tài)發(fā)生變化，表現(xiàn)為溶脹或收縮。近年來，將光子晶體特性與智能水凝膠的溶脹交聯(lián)等特性相結(jié)合的一系列新型材料凝膠光子晶體在光學(xué)開關(guān)、傳感器以及離子探針等領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，而且具有重大的應(yīng)用前景。當(dāng)凝膠光子晶體受到外界刺激時(shí)，光學(xué)特性的變化很明顯，能通過肉眼觀察到材料顏色的變化，可以把環(huán)境刺激的響應(yīng)性轉(zhuǎn)變成光學(xué)信號(hào)的變化。由水凝膠構(gòu)建的凝膠光子晶體，如反蛋白石結(jié)構(gòu)，由于其具有多孔特點(diǎn)，更有利于快速傳感。目前對(duì)于反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體的制備方法有毛細(xì)管力法、三明治法、流動(dòng)細(xì)胞法等方法，例如，中國(guó)專利21200910067522.2報(bào)道了一種具有雜化結(jié)構(gòu)的反蛋白石水凝膠光子晶體的制備方法，首先以單分散的二氧化硅微球?yàn)槟０?，制備蛋白石結(jié)構(gòu)的二氧化硅膠體晶體模板，然后將該模板垂直插入由丙烯酸單體及其交聯(lián)劑、引發(fā)劑組成的前驅(qū)液中，隨后將另一干凈的載玻片覆蓋在其表面構(gòu)成由基底、蛋白石膠體晶體和載玻片形成的三明治結(jié)構(gòu)，進(jìn)行紫外光聚合；進(jìn)一步地，將該三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)入丙烯酰胺及其交聯(lián)劑和引發(fā)劑中，進(jìn)行二次光聚合，最后，去除二氧化硅蛋白石膠體晶體得到反蛋白石的結(jié)構(gòu)的水凝膠光子晶體。以上方法首先需要制備結(jié)構(gòu)規(guī)整的膠體晶體模板接著進(jìn)行單體的填充，引發(fā)聚合，除去模板，實(shí)驗(yàn)過程所需步驟繁瑣且每一步驟要求較高。而且，制備的凝膠光子晶體很容易形成裂縫，不利于制備大面積的凝膠光子晶體。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種簡(jiǎn)便高效且可大面積制備、顏色可調(diào)的反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜的方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0005]一種顏色可調(diào)的凝膠光子晶體膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0006](1)聚苯乙烯微球的制備
[0007]以苯乙烯為主單體，丙烯酸為交聯(lián)單體，過硫酸銨為引發(fā)劑，二次蒸餾水為溶劑，采用無皂乳液聚合法，制備出分散系數(shù)為0.005聚苯乙烯-丙烯酸微球乳液(以下簡(jiǎn)稱為乳液)，取出一定量配制成固含量1 %?4%的？3乳液，超聲震蕩分散均勻后備用。
[0008](2)前驅(qū)液的配制
[0009]稱取丙烯酰胺，過硫酸銨，I V -亞甲基雙丙烯酰胺和二次蒸餾水，在磁力攪拌器上溶解混合均勻。
[0010](3) PS乳液與前驅(qū)液的混合
[0011]在燒杯中，將步驟(I)制備的PS乳液與步驟(2)配制的前驅(qū)液按體積比10:1?4: I混合，并進(jìn)一步超聲震蕩分散混合均勻。
[0012](4)膠體晶體-水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備
[0013]將經(jīng)過親水處理過的載玻片，垂直放入盛有步驟(3)制備的混合液中，在恒溫恒濕箱中，于溫度40°C、濕度70%下，進(jìn)行PS膠體晶體自組裝和水凝膠單體聚合，50小時(shí)時(shí)間后取出，然后在100°C下燒結(jié)20min以增加其強(qiáng)度。
[0014](5)反蛋白石凝膠光子晶體膜的制備
[0015]將由步驟(4)得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)，浸泡在二甲苯中，經(jīng)過48h后取出，肉眼可以觀察到鮮艷的顏色。
[0016]進(jìn)一步地，通過控制主單體、引發(fā)劑和水的加入量，可以得到不同粒徑的單分散PS微球；
[0017]進(jìn)一步地，用不同粒徑的單分散PS微球乳液，可以得到不同顏色的凝膠光子晶體膜。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019](I)本發(fā)明通過嚴(yán)格控制PS微球濃度以及和前驅(qū)液的體積比，在較低溫度下，調(diào)控了 PS微球的自組裝速率和前驅(qū)液聚合速率的匹配，達(dá)到了在PS微球自組裝成為結(jié)構(gòu)有序膠體晶體的同時(shí)，前驅(qū)液聚合形成的水凝膠顆粒由氫鍵作用填充于膠體晶體的空隙中，形成蛋白石結(jié)構(gòu)的膠體晶體-水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)，除去PS以后，形成了顏色可調(diào)的反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜。
[0020](2)現(xiàn)有反蛋白石凝膠光子晶體制備中，需要首先制備膠體晶體，再在膠體晶體空隙中填充水凝膠前驅(qū)液，然后熱引發(fā)或光引發(fā)前驅(qū)液的聚合，最后除去膠體晶體。這一多步驟的分步過程帶來的困難是:前驅(qū)液的填充難以控制，膠體晶體經(jīng)過前驅(qū)液浸入和多次熱處理過程很容易導(dǎo)致有序結(jié)構(gòu)的破壞以及凝膠光子晶體膜很容易出現(xiàn)裂縫。本發(fā)明的制備簡(jiǎn)化了反蛋白石凝膠光子晶體的制備過程，有利于得到結(jié)構(gòu)規(guī)整、無裂縫的反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜。
[0021](3)采用不同粒徑的PS微球，可以得到不同顏色的反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是實(shí)施例1制備的丙烯酰胺反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜的宏觀顏色，所用PS微球粒徑為181nm，其宏觀顏色為藍(lán)色。
[0023]圖2是實(shí)施例2制備的丙烯酰胺反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜的宏觀顏色，所用PS微球粒徑為270nm，其宏觀顏色為綠色。
[0024]圖3是實(shí)施例3制備的丙烯酰胺反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜的宏觀顏色，所用PS微球粒徑為325nm，其宏觀顏色為紅色。
[0025]圖4是實(shí)施例2制備的丙烯酰胺反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜的表面SEM照片。從照片中可以看出，該凝膠光子晶體膜呈有序規(guī)整排列。
[0026]圖5是實(shí)施例3制備的丙烯酰胺反蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠光子晶體膜的截面SEM照片。 從照片中可以看出，該凝膠光子晶體膜呈三維有序規(guī)整排列。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于下述實(shí)施例。
[0028]實(shí)施例1:
[0029]1.前驅(qū)液的配制
[0030]取丙烯酰胺5.08，過硫酸銨0.050^, I V -亞甲基雙丙烯酰胺0.518，二次水30“，在磁力攪拌器上溶解混合均勻。
[0031〕 2.？8乳液與前驅(qū)液的混合
[0032]將單分散系數(shù)為0.005的乳液(固含量1.5%，粒徑181^)與前驅(qū)液按體積比10: 1混合，并進(jìn)一步超聲分散。
[0033]3.膠晶模板與聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備
[0034]將經(jīng)過親水處理過的載玻片，垂直放入盛有步驟(2)制備的混合液中，在恒溫恒濕箱中，于溫度401、濕度70%下，進(jìn)行膠體晶體自組裝和水凝膠單體聚合，50小時(shí)時(shí)間后取出，然后在1001下燒結(jié)20-11以增加其強(qiáng)度。
[0035]4.反蛋白石凝膠光子晶體膜的制備
[0036]將由步驟⑶得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)，浸泡在二甲苯中，經(jīng)過481！后取出，肉眼可以觀察到鮮艷的藍(lán)色。
[0037]實(shí)施例2:
[0038]1.前驅(qū)液的配制
[0039]取丙烯酰胺5.08，過硫酸銨0.050^, I V -亞甲基雙丙烯酰胺0.518，二次水30“，在磁力攪拌器上溶解混合均勻。
[0040]2.？8乳液與前驅(qū)液的混合
[0041]將單分散系數(shù)為0.005的乳液(固含量2.8%，粒徑270=111)與前驅(qū)液按體積比
6: 1混合，并進(jìn)一步超聲分散。
[0042]3.膠晶模板與聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備
[0043]將經(jīng)過親水處理過的載玻片，垂直放入盛有步驟(2)制備的混合液中，在恒溫恒濕箱中，于溫度401、濕度70%下，進(jìn)行膠體晶體自組裝和水凝膠單體聚合，50小時(shí)時(shí)間后取出，然后在1001下燒結(jié)20-11以增加其強(qiáng)度。
[0044]4.反蛋白石凝膠光子晶體膜的制備
[0045]將由步驟⑶得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)，浸泡在二甲苯中，經(jīng)過481！后取出，肉眼可以觀察到鮮艷的綠色。
[0046]實(shí)施例3:
[0047]1.前驅(qū)液的配制
[0048]取丙烯酰胺5.08，過硫酸銨0.050^, I V -亞甲基雙丙烯酰胺0.518，二次水30“，在磁力攪拌器上溶解混合均勻。
[0049]2.？8乳液與前驅(qū)液的混合
[0050]將單分散系數(shù)為0.005的乳液(固含量3.7%，粒徑325=111)與前驅(qū)液按體積比4: I混合，并進(jìn)一步超聲分散。
[0051]3.膠晶模板與聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備
[0052]將經(jīng)過親水處理過的載玻片，垂直放入盛有步驟(2)制備的混合液中，在恒溫恒濕箱中，于溫度40°C、濕度70%下，進(jìn)行PS膠體晶體自組裝和水凝膠單體聚合，50小時(shí)時(shí)間后取出，然后在100°C下燒結(jié)20min以增加其強(qiáng)度。
[0053]4.反蛋白石凝膠光子晶體膜的制備
[0054]將由步驟(3)得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)，浸泡在二甲苯中，經(jīng)過48h后取出，肉眼可以觀察到鮮艷的紅色。
【權(quán)利要求】
1.一種顏色可調(diào)的凝膠光子晶體膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)聚苯乙烯微球的制備 以苯乙烯為主單體，丙烯酸為交聯(lián)單體，過硫酸銨為引發(fā)劑，二次蒸餾水為溶劑，采用無皂乳液聚合法，制備出分散系數(shù)為0.005聚苯乙烯-丙烯酸微球乳液(以下簡(jiǎn)稱為？3乳液)，取出一定量配制成固含量1%?4%的？3乳液，超聲震蕩分散均勻后備用； (2)前驅(qū)液的配制 稱取丙烯酰胺，過硫酸銨，I V -亞甲基雙丙烯酰胺和二次蒸餾水，在磁力攪拌器上溶解混合均勻； (3)^8乳液與前驅(qū)液的混合 在燒杯中，將步驟(1)制備的？3乳液與步驟(2)配制的前驅(qū)液按體積比10: 1?4: 1混合，并進(jìn)一步超聲震蕩分散混合均勻； (4)膠體晶體-水凝膠復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備 將經(jīng)過親水處理過的載玻片，垂直放入盛有步驟(3)制備的混合液中，在恒溫恒濕箱中，于溫度401、濕度70%下，進(jìn)行膠體晶體自組裝和水凝膠單體聚合，50小時(shí)時(shí)間后取出，然后在1001下燒結(jié)20-11以增加其強(qiáng)度； (5)反蛋白石凝膠光子晶體膜的制備 將由步驟(4)得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)，浸泡在二甲苯中，經(jīng)過48卜后取出，肉眼可以觀察到鮮艷的顏色； 進(jìn)一步地，通過控制主單體、引發(fā)劑和水的加入量，可以得到不同粒徑的單分散？3微球； 進(jìn)一步地，用不同粒徑的單分散？3微球乳液，可以得到不同顏色的凝膠光子晶體膜。
【文檔編號(hào)】C08F220/56GK104389024SQ201410592493
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】劉士榮, 劉緩緩, 倪忠斌, 陳明清 申請(qǐng)人:江南大學(xué)