CN101899712A - 一种热致可逆的物理凝胶光子晶体材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热致可逆的物理凝胶光子晶体材料及其制备方法，所述物理凝胶光子晶体材料包括如下组分：作为凝胶基体的聚乙烯醇水溶液、光子晶体阵列溶液及辅助溶剂。其制备方法具有下述步骤，包括：(1)将单分散的胶体微球分散在水中，多次透析后形成光子晶体阵列溶液；(2)将聚乙烯醇在水中加热配置成浓度为50～150毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液；(3)将(1)与(2)混合，形成凝胶光子晶体前驱体溶液；(4)将加入(3)中，搅拌至充分混合；(5)将(4)加入到注射器中，注射入模具中，在-20～0℃下冷冻2～24小时，在20～25℃下解冻0.5～1小时即可脱模。本发明制备条件简单、无污染、具有优良的衍射性能机械强度、应用广泛。

Description

一种热致可逆的物理凝胶光子晶体材料及其制备方法

技术领域

本发明属于光子晶体技术领域，具体涉及一种基于物理凝胶化的热致可逆的光子晶体材料及其制备方法。

背景技术

光子晶体是一种由具有不同折射率的材料在空间交替排列构成的周期性结构。当光波在周期势场中传播时，由于受到布拉格散射会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。光波的能量落在带隙中，传播是禁止的，光子晶体的特征就是具有光子带隙，并且通过对光子带隙控制和调节实现对不同波长光的操控，在光电子学领域具有广范围应用。

在光子晶体的诸多应用中，由水凝胶构筑的光子晶体材料可以通过凝胶体积的胀缩改变内部光子晶体阵列的晶格间距，从而改变材料的光子带隙位置，因此这种光学器件可以应用于传感器、激光器及仿生材料等。

美国专利US 6,544,800公开了一种聚合的胶体晶阵列光子晶体。它是由单分散的胶体微球，如聚苯乙烯、二氧化硅等，依靠静电斥力在溶液中自组装成为具有三维周期性结构的胶体晶体阵列，而后用化学聚合的方法制备成水凝胶光子晶体。利用化学修饰的水凝胶受环境刺激产生不同的胀缩特性，用于化学传感。然而，这种光子晶体必须依靠紫外辐照引发单体或低聚物聚合，由于光子晶体阵列会受到杂离子的影响，因此所选单体或低聚物必须为非离子型材料。

采用物理交联的水凝胶作为光子晶体阵列的载体(S.A.Asher et al，Chem.Mater.2008，20，7501)，可以避免紫外辐照的污染，制备工艺简单，无需光聚合中的精密石英器皿，甚至能够在金属和塑料等不透明模具中制备。但是，此方法获得的凝胶光子晶体强度仍然不够理想。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺点，提供一种热致可逆的物理凝胶光子晶体材料及其制备方法。其特征在于以聚乙烯醇作为凝胶基体材料，通过添加辅助增塑溶剂及物理控制凝胶化，制备固定化光子晶体阵列的凝胶光子晶体材料。该方法制备的凝胶光子晶体材料较传统凝胶光子晶体强度更高，可以根据温度、pH值、拉伸应力等参数的变化改变其晶格常数、折射率等结构参数。即通过凝胶的胀缩，可以改变体系内光子晶体阵列的带隙位置，从而产生材料宏观颜色的变化。此外，物理凝胶化的光子晶体材料另一个重要优势在于其热致可逆性，可实现材料的重复制备及反复利用。

本发明的技术方案为：

本发明提供的一种热致可逆的物理凝胶光子晶体材料，其组份包括：作为凝胶基体的聚乙烯醇水溶液、光子晶体阵列溶液及辅助溶剂。

所述聚乙烯醇溶液的分子量为20,000～120,000，最好为70,000；质量浓度为50～150毫克/毫升，最好是100毫克/毫升。

所述光子晶体阵列溶液，可以是单分散的胶体微球溶液，如聚苯乙烯水溶液、聚甲基丙烯酸甲酯水溶液、二氧化硅水溶液等，质量分数为0.5～10％。

所述辅助溶剂组份是甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲基亚砜中的一种或几种的混合体。

所述热致可逆的物理凝胶光子晶体材料能衍射可见光，通过外力拉伸可以实现红色、黄色、绿色、蓝色间的可逆指示，断裂伸长率最大可达388％。该材料经85℃熔化后经下述步骤(5)可重复制备出相同材料。

本发明提供的一种物理凝胶光子晶体材料的制备方法，包括：

(1)将单分散的胶体微球分散在水中，配置成质量分数为0.5～10％的溶液，经过7～30天时间透析，形成光子晶体阵列溶液。

(2)将聚乙烯醇在水中加热至90～100℃回流2～6小时，配置浓度为50～150毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液。

(3)将(1)与(2)以体积比1∶0.5～2混合，形成凝胶光子晶体前驱体溶液。

(4)将相对(3)的前躯体溶液的质量分数为10～25％的辅助溶剂加入(3)中，搅拌至充分混合。

(5)将(4)加入到注射器中，注射入模具中，经过-20～0℃冷冻2～24小时，20～25℃解冻0.5～1小时即可脱模。

所述步骤(1)中的胶体微球粒径为110～400纳米。

所述步骤(4)中的辅助溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲基亚砜中的一种或几种的混合溶剂。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明与现有技术相比，采用非紫外光引发聚合的方法制备凝胶光子晶体，制备条件简单、无污染，所得材料具有优良的衍射性能机械强度；

(2)选择不同辅助溶剂，则本发明所制得的凝胶光子晶体具有不同的机械强度和拉伸性能，可以实现红色、黄色、绿色、蓝色之间的可逆指示；

(3)本发明制得的凝胶光子晶体，可以通过化学修饰，制备多种传感器，如pH、温度、金属离子等；

(4)本发明用来制备凝胶光子晶体的材料，同样可以通过化学交联的方法制备，如以戊二醛作为交联剂，也避免了紫外辐射需要的技术要求和因此产生的污染。

具体实施方式

下面将结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保护范围。

实施例1

步骤(1)将粒径为142nm的单分散聚苯乙烯微球分散在水中，配置成质量分数为10％的溶液，经过一周时间透析，形成光子晶体阵列溶液。

步骤(2)将分子量为77,000的聚乙烯醇在水中加热至90℃回流2小时，配置成浓度为100毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液。

步骤(3)将上述光子晶体阵列溶液和上述聚乙烯醇水溶液以体积比1∶1均匀混合，形成凝胶光子晶体前驱体溶液。

步骤(4)向所述前躯体溶液中加入相对所述前躯体溶液的质量分数为25％的乙二醇，搅拌5分钟。

步骤(5)将步骤(4)得到的溶液用微量注射器注射入模具中，将模具密封后置于-18℃下冷冻24小时，25℃下解冻1小时。

所得物理凝胶光子晶体能衍射可见光，通过外力拉伸可以实现红色、黄色、绿色、蓝色间的可逆指示，材料断裂伸长率达到357％。该材料经85℃熔化后经步骤(5)可重复制备出相同材料。

实施例2

用“粒径为246nm的单分散二氧化硅微球”取代(1)中的“粒径为142nm的单分散聚苯乙烯微球”，其余重复实施例1中的(1)～(5)步骤，同样的方法得到物理凝胶光子晶体材料，能衍射可见光，通过外力拉伸可以实现红色、黄色、绿色、蓝色间的可逆指示，断裂伸长率达到388％。该材料经85℃熔化后经步骤(5)可重复制备出相同材料。

实施例3

用“分子量为88,000的聚乙烯醇”取代(2)中的“分子量为77,000的聚乙烯醇”，用“二甲基亚砜”取代(4)中的“乙二醇”，其余重复实施例1中的(1)～(5)步骤，同样的方法得到物理凝胶光子晶体材料，能衍射可见光，通过外力拉伸可以实现红色、黄色、绿色、蓝色间的可逆指示，断裂伸长率达到223％。该材料经85℃熔化后经步骤(5)可重复制备出相同材料。

Claims (5)

1.一种热致可逆的物理凝胶光子晶体材料，其特征在于，包括如下组分：作为凝胶基体的聚乙烯醇水溶液、光子晶体阵列溶液及辅助溶剂；

所述聚乙烯醇的分子量为20,000～120,000，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为50～150毫克/毫升；

所述光子晶体阵列溶液是单分散的胶体微球溶液，质量分数为0.5～10％，所述胶体微球的粒径为110～400纳米；

所述聚乙烯醇水溶液与所述光子晶体阵列溶液的体积比为1∶0.5～2；

所述辅助溶剂是甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲基亚砜中的一两种或几种的混合体，所述辅助溶剂相对所述聚乙烯醇水溶液和所述光子晶体阵列溶液之和的质量分数为10～25％。

2.根据权利要求1所述的物理凝胶光子晶体材料，其特征在于，所述聚乙烯醇的分子量为70,000，所述聚乙烯醇水溶液的质量浓度为100毫克/毫升。

3.根据权利要求1所述的物理凝胶光子晶体材料，其特征在于，所述光子晶体阵列溶液是聚苯乙烯水溶液、聚甲基丙烯酸甲酯水溶液或二氧化硅水溶液。

4.根据权利要求1所述的物理凝胶光子晶体材料，其特征在于，所述热致可逆的物理凝胶光子晶体材料能衍射可见光，通过外力拉伸能实现红色、黄色、绿色、蓝色间的可逆指示，断裂伸长率最大可达388％。

5.权利要求1的热致可逆的物理凝胶光子晶体材料的制备方法，其特征在于，具有如下步骤，包括：

(1)将单分散的胶体微球分散在水中，配置成质量分数为0.5～10％的溶液，经过7～30天时间透析，形成光子晶体阵列溶液；

(2)将聚乙烯醇在水中加热至90～100℃并回流2～6小时，配置成浓度为50～150毫克/毫升的聚乙烯醇水溶液；

(3)将(1)与(2)以体积比1∶0.5～2混合，形成凝胶光子晶体前驱体溶液；

(4)将相对所述前躯体溶液的质量分数为10～25％的辅助溶剂加入(3)中，搅拌至充分混合；

(5)将(4)加入到注射器中，注射入模具中，在-20～0℃下冷冻2～24小时，在20～25℃下解冻0.5～1小时即可脱模；

所述步骤(1)中的胶体微球的粒径为110～400纳米；

所述步骤(4)中的辅助溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二甲基亚砜中的一种或几种的混合溶剂。