CN104389024A - 一种颜色可调的凝胶光子晶体膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种颜色可调的凝胶光子晶体膜的制备方法。该方法通过严格控制PS微球浓度以及和前驱液的体积比，在较低温度下，调控了PS微球的自组装速率和前驱液聚合速率的匹配，达到了在PS微球自组装成为结构有序胶体晶体的同时，前驱液聚合形成的水凝胶颗粒由氢键作用填充于胶体晶体的空隙中，形成蛋白石结构的胶体晶体-水凝胶复合结构，除去PS以后，形成了颜色可调的反蛋白石结构凝胶光子晶体膜。该类共沉积法制备的反蛋白石结构凝胶光子晶体膜具有结构规整呈三维有序排列的特点。

Description

一种颜色可调的凝胶光子晶体膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种颜色可调的凝胶光子晶体膜的制备方法，属于光子晶体和水凝胶技术领域。
背景技术
光子晶体是由具有不同折射率的材料在空间交替构成的一种周期性结构，其根本的特征是具有光子禁带，即落在禁带中的光是被禁止传播的，由于光子禁带的存在，可以通过改变禁带实现对各种波长的光进行控制。众所周知，水凝胶受温度、pH、离子强度等刺激时，其结构、能量状态发生变化，表现为溶胀或收缩。近年来，将光子晶体特性与智能水凝胶的溶胀交联等特性相结合的一系列新型材料凝胶光子晶体在光学开关、传感器以及离子探针等领域的应用，不仅引起了学术界的广泛关注，而且具有重大的应用前景。当凝胶光子晶体受到外界刺激时，光学特性的变化很明显，能通过肉眼观察到材料颜色的变化，可以把环境刺激的响应性转变成光学信号的变化。由水凝胶构建的凝胶光子晶体，如反蛋白石结构，由于其具有多孔特点，更有利于快速传感。目前对于反蛋白石结构凝胶光子晶体的制备方法有毛细管力法、三明治法、流动细胞法等方法，例如，中国专利ZL200910067522.2报道了一种具有杂化结构的反蛋白石水凝胶光子晶体的制备方法，首先以单分散的二氧化硅微球为模板，制备蛋白石结构的二氧化硅胶体晶体模板，然后将该模板垂直插入由丙烯酸单体及其交联剂、引发剂组成的前驱液中，随后将另一干净的载玻片覆盖在其表面构成由基底、蛋白石胶体晶体和载玻片形成的三明治结构，进行紫外光聚合；进一步地，将该三明治结构进入丙烯酰胺及其交联剂和引发剂中，进行二次光聚合，最后，去除二氧化硅蛋白石胶体晶体得到反蛋白石的结构的水凝胶光子晶体。以上方法首先需要制备结构规整的胶体晶体模板接着进行单体的填充，引发聚合，除去模板，实验过程所需步骤繁琐且每一步骤要求较高。而且，制备的凝胶光子晶体很容易形成裂缝，不利于制备大面积的凝胶光子晶体。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种简便高效且可大面积制备、颜色可调的反蛋白石结构凝胶光子晶体膜的方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种颜色可调的凝胶光子晶体膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)聚苯乙烯微球的制备
以苯乙烯为主单体，丙烯酸为交联单体，过硫酸铵为引发剂，二次蒸馏水为溶剂，采用无皂乳液聚合法，制备出分散系数为0.005聚苯乙烯-丙烯酸微球乳液(以下简称为PS乳液)，取出一定量配制成固含量1％～4％的PS乳液，超声震荡分散均匀后备用。
(2)前驱液的配制
称取丙烯酰胺，过硫酸铵，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺和二次蒸馏水，在磁力搅拌器上溶解混合均匀。
(3)PS乳液与前驱液的混合
在烧杯中，将步骤(1)制备的PS乳液与步骤(2)配制的前驱液按体积比10∶1～4∶1混合，并进一步超声震荡分散混合均匀。
(4)胶体晶体-水凝胶复合结构的制备
将经过亲水处理过的载玻片，垂直放入盛有步骤(3)制备的混合液中，在恒温恒湿箱中，于温度40℃、湿度70％下，进行PS胶体晶体自组装和水凝胶单体聚合，50小时时间后取出，然后在100℃下烧结20min以增加其强度。
(5)反蛋白石凝胶光子晶体膜的制备
将由步骤(4)得到的复合结构，浸泡在二甲苯中，经过48h后取出，肉眼可以观察到鲜艳的颜色。
进一步地，通过控制主单体、引发剂和水的加入量，可以得到不同粒径的单分散PS微球；
进一步地，用不同粒径的单分散PS微球乳液，可以得到不同颜色的凝胶光子晶体膜。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过严格控制PS微球浓度以及和前驱液的体积比，在较低温度下，调控了PS微球的自组装速率和前驱液聚合速率的匹配，达到了在PS微球自组装成为结构有序胶体晶体的同时，前驱液聚合形成的水凝胶颗粒由氢键作用填充于胶体晶体的空隙中，形成蛋白石结构的胶体晶体-水凝胶复合结构，除去PS以后，形成了颜色可调的反蛋白石结构凝胶光子晶体膜。
(2)现有反蛋白石凝胶光子晶体制备中，需要首先制备胶体晶体，再在胶体晶体空隙中填充水凝胶前驱液，然后热引发或光引发前驱液的聚合，最后除去胶体晶体。这一多步骤的分步过程带来的困难是：前驱液的填充难以控制，胶体晶体经过前驱液浸入和多次热处理过程很容易导致有序结构的破坏以及凝胶光子晶体膜很容易出现裂缝。本发明的制备简化了反蛋白石凝胶光子晶体的制备过程，有利于得到结构规整、无裂缝的反蛋白石结构凝胶光子晶体膜。
(3)采用不同粒径的PS微球，可以得到不同颜色的反蛋白石结构凝胶光子晶体膜。
附图说明
图1是实施例1制备的丙烯酰胺反蛋白石结构凝胶光子晶体膜的宏观颜色，所用PS微球粒径为181nm，其宏观颜色为蓝色。
图2是实施例2制备的丙烯酰胺反蛋白石结构凝胶光子晶体膜的宏观颜色，所用PS微球粒径为270nm，其宏观颜色为绿色。
图3是实施例3制备的丙烯酰胺反蛋白石结构凝胶光子晶体膜的宏观颜色，所用PS微球粒径为325nm，其宏观颜色为红色。
图4是实施例2制备的丙烯酰胺反蛋白石结构凝胶光子晶体膜的表面SEM照片。从照片中可以看出，该凝胶光子晶体膜呈有序规整排列。
图5是实施例3制备的丙烯酰胺反蛋白石结构凝胶光子晶体膜的截面SEM照片。从照片中可以看出，该凝胶光子晶体膜呈三维有序规整排列。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。
实施例1：
1.前驱液的配制
取丙烯酰胺5.0g，过硫酸铵0.050g，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺0.51g，二次水30ml，在磁力搅拌器上溶解混合均匀。
2.PS乳液与前驱液的混合
将单分散系数为0.005的PS乳液(固含量1.5％，粒径181nm)与前驱液按体积比10∶1混合，并进一步超声分散。
3.胶晶模板与聚合物复合结构的制备
将经过亲水处理过的载玻片，垂直放入盛有步骤(2)制备的混合液中，在恒温恒湿箱中，于温度40℃、湿度70％下，进行PS胶体晶体自组装和水凝胶单体聚合，50小时时间后取出，然后在100℃下烧结20min以增加其强度。
4.反蛋白石凝胶光子晶体膜的制备
将由步骤(3)得到的复合结构，浸泡在二甲苯中，经过48h后取出，肉眼可以观察到鲜艳的蓝色。
实施例2：
1.前驱液的配制
取丙烯酰胺5.0g，过硫酸铵0.050g，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺0.51g，二次水30ml，在磁力搅拌器上溶解混合均匀。
2.PS乳液与前驱液的混合
将单分散系数为0.005的PS乳液(固含量2.8％，粒径270nm)与前驱液按体积比6∶1混合，并进一步超声分散。
3.胶晶模板与聚合物复合结构的制备
将经过亲水处理过的载玻片，垂直放入盛有步骤(2)制备的混合液中，在恒温恒湿箱中，于温度40℃、湿度70％下，进行PS胶体晶体自组装和水凝胶单体聚合，50小时时间后取出，然后在100℃下烧结20min以增加其强度。
4.反蛋白石凝胶光子晶体膜的制备
将由步骤(3)得到的复合结构，浸泡在二甲苯中，经过48h后取出，肉眼可以观察到鲜艳的绿色。
实施例3：
1.前驱液的配制
取丙烯酰胺5.0g，过硫酸铵0.050g，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺0.51g，二次水30ml，在磁力搅拌器上溶解混合均匀。
2.PS乳液与前驱液的混合
将单分散系数为0.005的PS乳液(固含量3.7％，粒径325nm)与前驱液按体积比4∶1混合，并进一步超声分散。
3.胶晶模板与聚合物复合结构的制备
将经过亲水处理过的载玻片，垂直放入盛有步骤(2)制备的混合液中，在恒温恒湿箱中，于温度40℃、湿度70％下，进行PS胶体晶体自组装和水凝胶单体聚合，50小时时间后取出，然后在100℃下烧结20min以增加其强度。
4.反蛋白石凝胶光子晶体膜的制备
将由步骤(3)得到的复合结构，浸泡在二甲苯中，经过48h后取出，肉眼可以观察到鲜艳的红色。

Claims (1)

1.一种颜色可调的凝胶光子晶体膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)聚苯乙烯微球的制备
以苯乙烯为主单体，丙烯酸为交联单体，过硫酸铵为引发剂，二次蒸馏水为溶剂，采用无皂乳液聚合法，制备出分散系数为0.005聚苯乙烯-丙烯酸微球乳液(以下简称为PS乳液)，取出一定量配制成固含量1％～4％的PS乳液，超声震荡分散均匀后备用；
(2)前驱液的配制
称取丙烯酰胺，过硫酸铵，N，N′-亚甲基双丙烯酰胺和二次蒸馏水，在磁力搅拌器上溶解混合均匀；
(3)PS乳液与前驱液的混合
在烧杯中，将步骤(1)制备的PS乳液与步骤(2)配制的前驱液按体积比10∶1～4∶1混合，并进一步超声震荡分散混合均匀；
(4)胶体晶体-水凝胶复合结构的制备
将经过亲水处理过的载玻片，垂直放入盛有步骤(3)制备的混合液中，在恒温恒湿箱中，于温度40℃、湿度70％下，进行PS胶体晶体自组装和水凝胶单体聚合，50小时时间后取出，然后在100℃下烧结20min以增加其强度；
(5)反蛋白石凝胶光子晶体膜的制备
将由步骤(4)得到的复合结构，浸泡在二甲苯中，经过48h后取出，肉眼可以观察到鲜艳的颜色；
进一步地，通过控制主单体、引发剂和水的加入量，可以得到不同粒径的单分散PS微球；
进一步地，用不同粒径的单分散PS微球乳液，可以得到不同颜色的凝胶光子晶体膜。
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