CN103162857B - 一种光子晶体温度传感器及其制备方法 - Google Patents

一种光子晶体温度传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种光子晶体温度传感器及其制备方法，它涉及一种简易的传感器及其制备方法，本发明要解决现有传感器存在的仅能够输出信号、无法调控或反作用于输出信号的问题，本发明的光子晶体温度传感器是由水凝胶和单分散微球复合而成；方法为：利用原位聚合法，在光子晶体上生长凝胶，得到光子晶体/智能水凝胶复合体系，将产物制成块状或涂覆在基底上，即得。本发明制备的简易的光子晶体温度传感器，不但可以有效快速的显示测定区域的温度情况，而且可以对温度场进行响应，调控入射光强度，有效减缓升温速率乃至降低测定区域的温度。

Description

一种光子晶体温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光子晶体温度传感器及其制备方法。
背景技术
温度传感器通常用于测量给定区域的温度信息，并能将检测感受到的信息转换为特定的信号输出。但在常规的温度传感器应用中，主要的过程是感应温度-信号输出，传感器本身对给定区域的温度情况没有响应或反作用。
水凝胶PNIPA是温度敏感性聚合物，在最低临界溶解温度（LCST）33℃时发生变化，凝胶颜色由透明变为白色，可以作为一种很好的温度指示物质。在农业生产中，33℃是一个具有重要意义的温度值。例如在土元养殖过程中，卵块的孵化要在温度平稳（28~32℃）的室内进行之间，低于25℃影响出生虫率，高于35℃即死亡；而在草菇的培植过程中，子实体发育温度为24~33℃，高于35℃时子实体难于形成；在紫花苜蓿的栽培管理中，若温度高于35℃则会发生死亡。因此可以将水凝胶PNIPA作为培植大棚薄膜的夹层，对培育物种的生长温度有明显的标识作用。
但其仅作为标识物即内部温度传感器对培育物的生长乃至存活并不能起到调节作用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有传感器仅能作为信号输出系统而对温度感应无反作用的问题，而提供了一种光子晶体温度传感器及其制备方法。
本发明的一种光子晶体温度传感器，是由水凝胶和单分散胶体微球乳液制成的块体，或者是将水凝胶和单分散胶体微球乳液涂覆在基体上得到的复合体，其中，所述的水凝胶是由单体、交联剂、引发剂和促进剂制成，所述的促进剂与单体的摩尔比为1:3~7，促进剂与引发剂的摩尔比为90~110:1，促进剂与交联剂的摩尔比为9~11:1，促进剂与去离子水的摩尔体积比为1mol:9L~12L；所述的单体和单分散胶体微球乳液的摩尔体积比为1mol:1L~4L，所述的单分散胶体微球乳液浓度为20~40g/L。
本发明的一种光子晶体温度传感器的制备方法是按照以下步骤进行的：
一、取微球浓度为20~40g/L的单分散胶体微球乳液、单体、交联剂、引发剂和促进剂，备用；二、在氮气保护条件下，将步骤一取的单体和交联剂加入单分散胶体微球乳液中，搅拌混合20~30min后，再加入步骤一的引发剂和促进剂，在氮气保护条件下，持续搅拌反应24~36h，得到水凝胶和单分散微球的复合体系；三、将步骤二得到的水凝胶和单分散微球的复合体系制成块状或涂覆在基底上，即得光子晶体温度传感器；其中，促进剂与单体的摩尔比为1:3~1:7，促进剂与引发剂的摩尔比为90～110:1，促进剂与交联剂的摩尔体积比为9~11:1，单体和单分散微球乳液的摩尔体积比为1mol:1L~4L。
本发明具有以下有益效果：
本发明制备了智能水凝胶PNIPA/光子晶体复合形式的温度传感器，这种传感器不但可以有效快速的显示测定区域的温度情况，而且可以对温度场进行响应，调控入射光强度，有效减缓升温速率乃至降低测定区域的温度。
本发明将水凝胶PNIPA制备成光子晶体/水凝胶复合体系，利用其光子带隙对特定波长光波反射的特点，结合物质本身在高温时对光透过率降低的性能，可以有效对温度场进行响应。当PNIPA的温度达到或高于33℃时，水凝胶体积收缩，分子的团聚导致内部散射增强，使凝胶由透明变为白色，透射光减弱；对光子晶体而言，当光的频率位于其光子带隙范围内时，光将不能在光子晶体中传播，因而入射光中特定波段的光不能透过该温度传感器。通过这两种方式有效降低了给定区域的升温速率。
附图说明
图1为本发明光子晶体温度传感器的温致变色过程示意图；
图2为试验1制备的光子晶体温度传感器在最低临界溶解温度（LCST）33℃时透射率变化情况。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式的一种光子晶体温度传感器，是由水凝胶和单分散胶体微球乳液制成的块体，或者是将水凝胶和单分散胶体微球乳液涂覆在基体上得到的复合体，其中，所述的水凝胶是由单体、交联剂、引发剂和促进剂制成，所述的促进剂与单体的摩尔比为1:3~7，促进剂与引发剂的摩尔比为90～110:1，促进剂与交联剂的摩尔比为9~11:1，促进剂与去离子水的摩尔体积比为1mol:9L～12L；所述的单体和单分散胶体微球乳液的摩尔体积比为1mol:1L~4L，所述的单分散胶体微球乳液浓度为20~40g/L。
本实施方式制备了智能水凝胶PNIPA/光子晶体复合形式的温度传感器，这种传感器不但可以有效快速的显示测定区域的温度情况，而且可以对温度场进行响应，调控入射光强度，有效减缓升温速率乃至降低测定区域的温度。
本实施方式将水凝胶PNIPA制备形成光子晶体/水凝胶复合体系，利用其光子带隙对特定波长光波反射的特点，结合物质本身在高温时对光透过率降低的性能，可以有效对温度场进行响应。当PNIPA的温度达到或高于33℃时，水凝胶体积收缩，分子的团聚导致内部散射增强，使凝胶由透明变为白色，透射光减弱；对光子晶体而言，当光的频率位于其光子带隙范围内时，光将不能在光子晶体中传播，因而入射光中特定波段的光不能透过该温度传感器。通过这两种方式有效降低了给定区域的升温速率。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的促进剂与单体的摩尔比为1:4~6，促进剂与引发剂的摩尔比为95~105:1，促进剂与交联剂的摩尔比为9.5~10.5:1，促进剂与去离子水的摩尔体积比为1mol:10L~11L。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的促进剂与单体的摩尔比为1:5，促进剂与引发剂的摩尔比为100:1，促进剂与交联剂的摩尔比为10:1，促进剂与去离子水的摩尔体积比为1mol:10L。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一之三之一不同的是：所述的单体为N-异丙基丙烯酸酰胺、交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酸酰胺、引发剂为过硫酸胺和促进剂为四甲基乙二胺。其它步骤及参数与具体实施方式一之三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的单分散胶体微球乳液中的单分散胶体微球为聚苯乙烯、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或氧化锌。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的单体和单分散胶体微球乳液的摩尔体积比为1mol:2~3L。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的单体和单分散胶体微球乳液的摩尔体积比为1mol:2.5L。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式的一种光子晶体温度传感器的制备方法是按照以下步骤进行的：
一、取微球浓度为20~40g/L的单分散胶体微球乳液、单体、交联剂、引发剂和促进剂，备用；二、在氮气保护条件下，将步骤一取的单体和交联剂加入单分散胶体微球乳液中，搅拌混合20~30min后，再加入步骤一的引发剂和促进剂，在氮气保护条件下，持续搅拌反应24~36h，得到水凝胶和单分散微球的复合体系；三、将步骤二得到的水凝胶和单分散微球的复合体系制成块状或涂覆在基底上，即得光子晶体温度传感器；其中，促进剂与单体的摩尔比为1:3~1:7，促进剂与引发剂的摩尔比为90~110:1，促进剂与交联剂的摩尔体积比为9~11:1，单体和单分散微球乳液的摩尔体积比为1mol:1L~4L。
本实施方式制备了智能水凝胶PNIPA/光子晶体复合形式的温度传感器，这种传感器不但可以有效快速的显示测定区域的温度情况，而且可以对温度场进行响应，调控入射光强度，有效减缓升温速率乃至降低测定区域的温度。
本实施方式将水凝胶PNIPA制备形成光子晶体/水凝胶复合体系，利用其光子带隙对特定波长光波反射的特点，结合物质本身在高温时对光透过率降低的性能，可以有效对温度场进行响应。当PNIPA的温度达到或高于33℃时，水凝胶体积收缩，分子的团聚导致内部散射增强，使凝胶由透明变为白色，透射光减弱；对光子晶体而言，当光的频率位于其光子带隙范围内时，光将不能在光子晶体中传播，因而入射光中特定波段的光不能透过该温度传感器。通过这两种方式有效降低了给定区域的升温速率。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述的促进剂与单体的摩尔比为1:4~6，促进剂与引发剂的摩尔比为95~105:1，促进剂与交联剂的摩尔比为9.5~10.5:1，促进剂与去离子水的摩尔体积比为1mol:10L~11L。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是所述的促进剂与单体的摩尔比为1:5，促进剂与引发剂的摩尔比为100:1，促进剂与交联剂的摩尔比为10:1，促进剂与去离子水的摩尔体积比为1mol:10L。其它步骤及参数与具体实施方式八或九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八至十之一不同的是：步骤一中所述的单体为N-异丙基丙烯酸酰胺、交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酸酰胺、引发剂为过硫酸胺和促进剂为四甲基乙二胺。其它步骤及参数与具体实施方式八至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式八至十一之一不同的是：所述的单分散胶体微球乳液中的单分散胶体微球为聚苯乙烯、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或氧化锌。其它步骤及参数与具体实施方式八至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式八至十二之一不同的是：所述的单体和单分散胶体微球乳液的摩尔体积比为1mol:2~3L。其它步骤及参数与具体实施方式八至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式八至十三之一不同的是：所述的单体和单分散胶体微球乳液的摩尔体积比为1mol:2.5L。其它步骤及参数与具体实施方式八至十三之一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验1
本试验的一种光子晶体温度传感器的制备方法是按照以下步骤进行的：
一、取1.132g的单体N-异丙基丙烯酸酰胺（NIPA）、0.031g的交联剂N，N-亚甲基双丙烯酸酰胺（Bis）、0.0046g的引发剂过硫酸胺（APS）、0.003mL的促进剂四甲基乙二胺（TEMED）以及20mL的单分散聚苯乙烯微球乳液备用，所述的单分散胶体微球乳液浓度为20g/L；二、在氮气保护条件下，将步骤一取的单体和交联剂加入单分散聚苯乙烯微球乳液中，搅拌混合20min后，再加入步骤一中的引发剂过硫酸胺（APS）和促进剂四甲基乙二胺（TEMED），在氮气保护条件下，在磁力搅拌器上持续搅拌反应24h，得到水凝胶和单分散微球的复合体系；三、将步骤二得到的水凝胶与单分散微球的复合体系放入模具中，自然冷却后形成块状体，即得光子晶体温度传感器。
本试验的光子晶体温度传感器的温度控制过程如下：当温度较低时，仅光子晶体带隙起调控入射光强度的作用，可以保证给定区域的温度缓慢升高；当给定区域温度高于33℃后，此时水凝胶变为白色，透射光强度大幅降低，抑制温度进一步增高，保证内部温度。
本试验的光子晶体温度传感器的温致变色过程示意图，如图1所示，由图1可知，本试验的光子晶体温度传感器的温致变色过程可逆且能在数秒时间内转变，响应速度快。
本试验的光子晶体温度传感器在最低临界溶解温度（LCST）33℃时透射率变化情况，如图2所示，由图2可知，当低于临界温度时，红外和可见光波段的透射率高达80%；当温度高于临界温度时，水凝胶的透射率降低至10%。水凝胶颜色的改变对透射光强度有很好的调节作用。
本试验制得的光子晶体温度传感器的透射率为50~60%。
试验2
本试验与试验1不同的是：步骤三中所述的将步骤二得到的水凝胶单体与胶体微球摩尔体积比为1mol:1mL的比例混合均匀，其它步骤及参数试验1相同，
本试验制得的光子晶体温度传感器的透射率为60~70%。
试验3
本试验与试验1不同的是：步骤三中所述的将步骤二得到的水凝胶单体与胶体微球体积质量比为1mol:3mL的比例混合均匀，其它步骤及参数试验1相同，
本试验制得的光子晶体温度传感器的透射率为40~50%。
试验4
本试验与试验1不同的是：步骤三中所述的将步骤二得到的水凝胶单体与胶体微球体积质量比为1mol:4mL的比例混合均匀，其它步骤及参数试验1相同，
本试验制得的光子晶体温度传感器的透射率为30~40%。
试验5
本试验与试验1不同的是：步骤三中所述的将步骤二得到的水凝胶单体与胶体微球体积质量比为1mol:4mL的比例混合均匀，所述的单分散胶体微球乳液浓度为40g/L；将步骤二得到的水凝胶与单分散微球的复合体系涂覆在玻璃上，得到光子晶体温度传感器。其它步骤及参数试验1相同，
本试验的水凝胶与单分散微球的复合体系也可涂覆在塑料等透明基体上。
本试验制得的光子晶体温度传感器的透射率为8~10%。

Claims (1)

1.一种光子晶体温度传感器的制备方法，其特征在于制备方法是按照以下步骤进行的：
一、取1.132g的单体N-异丙基丙烯酸酰胺、0.031g的交联剂N，N-亚甲基双丙烯酸酰胺、0.0046g的引发剂过硫酸胺、0.003mL的促进剂四甲基乙二胺以及20mL的单分散聚苯乙烯微球乳液备用，所述的单分散聚苯乙烯微球乳液浓度为20g/L；二、在氮气保护条件下，将步骤一取的单体和交联剂加入单分散聚苯乙烯微球乳液中，搅拌混合20min后，再加入步骤一中的引发剂过硫酸胺和促进剂四甲基乙二胺，在氮气保护条件下，在磁力搅拌器上持续搅拌反应24h，得到水凝胶和单分散聚苯乙烯微球乳液的复合体系；三、将步骤二得到的水凝胶与单分散聚苯乙烯微球乳液的复合体系放入模具中，自然冷却后形成块状体，即得光子晶体温度传感器。
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