CN112946788A - 一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法 - Google Patents
一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112946788A CN112946788A CN202110145505.7A CN202110145505A CN112946788A CN 112946788 A CN112946788 A CN 112946788A CN 202110145505 A CN202110145505 A CN 202110145505A CN 112946788 A CN112946788 A CN 112946788A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dimensional photonic
- photonic crystal
- elastomer
- substrate
- stress
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 63
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims abstract description 46
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 58
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical group O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 52
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 50
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 42
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 claims description 40
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 30
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 30
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 30
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 28
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims description 26
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 25
- 229920001195 polyisoprene Polymers 0.000 claims description 18
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 17
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 16
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 16
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 16
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 16
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims description 14
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 claims description 14
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 14
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 14
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 14
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 14
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 14
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 14
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims description 14
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 14
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 14
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 10
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 claims description 4
- 239000005062 Polybutadiene Substances 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 4
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 claims description 4
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 claims description 4
- 229920002857 polybutadiene Polymers 0.000 claims description 4
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 claims description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 2
- 238000000707 layer-by-layer assembly Methods 0.000 claims description 2
- 229920001690 polydopamine Polymers 0.000 claims description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 4
- 239000011540 sensing material Substances 0.000 abstract description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract description 2
- 238000002845 discoloration Methods 0.000 abstract description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 42
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical group CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 39
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 24
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N hexane Substances CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 18
- 229920003009 polyurethane dispersion Polymers 0.000 description 14
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 13
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 12
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 12
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 10
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 8
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 6
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000004815 dispersion polymer Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N diethylene glycol Chemical compound OCCOCCO MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 241000755729 Clivia Species 0.000 description 1
- 206010063385 Intellectualisation Diseases 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006355 external stress Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
- G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法，具体属于传感新材料制备领域。一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜，所述传感膜由黑色弹性基底和组装在所述基底上的弹性一维光子晶体彩色膜组成，其中，所述一维光子晶体彩色膜是由弹性体和与弹性体具有折射率差的材料在基底上交替层层组装而成。本发明所述的一维光子晶体的应力应变比色传感膜的反射峰位移与所受应力和所产生的应变的数值呈线性关系，可以准确对材料所受应力和应变进行识别，同时实现可视化，且机械形变可逆性和循环变色稳定性良好。此传感膜在应力应变监测方面具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法，具体属于传感新材料制备领域。
背景技术
应力应变的信号存在于人类社会的各个角落，影响着社会生产和安全，古人云千里之堤毁于蚁穴，应力和应变的监测在精密机械加工、测量飞行器载荷和土木工程结构健康监测中有着至关重要的意义。比色传感器是将人体无法直观感知的信号转化为颜色信号的一类信息检测设备，如今随着人类社会的发展，材料向着自动化和智能化发展，比色传感材料以其简便的操作方式、直观的信息检测效果在检测传感领域有着广阔的应用前景。光子晶体是具有光子禁带特性的周期性电介质结构材料，当光子禁带落于可见光范围会产生人眼可辨的颜色。当光子晶体组成介质具有弹性形变性能，受到外界应力作用导致晶格间距或折射率发生变化，从而引起光子晶体颜色变化，可以实现对应力和应变的可视化响应。一维光子晶体是不同折射率的两种介质在微观上沿一个方向交替堆叠组成的具有周期性结构的物质，它具有结构简单、组装便捷的优点，通过组装材料的设计可以构筑性能优异的应力应变传感膜。
发明内容
本发明提供一种颜色亮丽、灵敏度较高的有机/无机复合一维光子晶体应力应变传感膜。本发明所述传感膜在黑色弹性基底上组装一维光子晶体柔性膜，光子晶体提供肉眼可辨的颜色，利用黑色基底增强颜色饱和度，当传感膜受到应力作用时，基底和一维光子晶体同时产生弹性形变，薄膜层厚发生有序变化，导致光子晶体晶格间距或有效折射率改变，传感膜颜色迅速变化，通过颜色变化程度可以监测应力应变大小，实现可视化传感。
一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜，所述传感膜由黑色弹性基底和组装在所述基底上的弹性一维光子晶体彩色膜组成，其中，
所述一维光子晶体彩色膜是由弹性体和与弹性体具有折射率差的材料在基底上交替层层组装而成。
本发明所述一维光子晶体彩色膜由弹性体和与弹性体具有折射率差的材料在基底上交替层层组装而成，每一个组装周期由一层弹性体和一层与弹性体具有折射率差的材料构成。
本发明所述一维光子晶体彩色膜的每一个组装周期由一层高折射率层和一层低折射率层构成。所述一维光子晶体彩色膜可包括若干组装周期。
上述技术方案中，所述弹性体为聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或聚酰胺类材料。
上述技术方案中，所述用于组装所述一维光子晶体彩色膜的与弹性体具有折射率差的材料为二氧化钛、二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚双烯丙基二甘醇碳酸酯，或为上述材料与弹性体的混合物。
上述技术方案中，所述黑色弹性基底由黑色物质和弹性体制得，其中，所述黑色物质为纳米炭黑、碳纳米管或聚多巴胺；所述弹性体为聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或聚酰胺类材料。
上述技术方案中，所述黑色弹性基底的厚度大于1μm。
上述技术方案中，所述与弹性体具有折射率差材料与弹性体混合物中，弹性体质量分数为10～90％。
上述技术方案中，所述一维光子晶体彩色膜每一个组装周期的光学厚度之和为200～400nm。
本发明的另一目的是提供上述基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜的制备方法
一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜的制备方法，工艺步骤如下：
①制备黑色弹性体基底；
②制备具有折射率差的两种一维光子晶体组装溶液或分散液；
③将所述步骤②所得的两种溶液通过交替层层组装方法在基底上进行组装，加热干燥，控制光学厚度；所述制备方法中加热干燥条件为30～100℃加热3～180分钟。
上述技术方案中，所述黑色弹性体基底按下述方法制得：所述黑色弹性体基底按下述方法制得：将弹性体与溶剂质量比1：1混合，超声12h以内得混合液；再加入混合液质量0.1～10％的黑色物质超声12h以内，后将混合物离心处理后取上清液，于载玻片上涂布，待薄膜固化后既得。
进一步地，所述用于与弹性体混合的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、正己烷或四氢呋喃。
上述技术方案中，所述步骤②制备的溶液或分散液质量分数为0.5％～20％。
优选地，本发明所述基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜的组装方法，工艺步骤如下：
①以厚度大于1μm的黑色弹性基底作为一维光子晶体组装基底；
②制备具有折射率差的两种一维光子晶体组装溶液或分散液；
③将所述步骤②所得的溶液或分散液采用旋涂或浸涂的方法在基底上进行交替层层组装，加热干燥，控制光学厚度；所述制备方法中加热干燥条件为30～100℃加热10～180分钟，每一个组装周期高折射率层与低折射率层光学厚度之和控制在200～400nm。
本发明的有益效果为：本发明所述的一维光子晶体的应力应变比色传感膜的反射峰位移与所受应力和所产生的应变的数值呈线性关系，可以准确对材料所受应力和应变进行识别，同时实现可视化，且机械形变可逆性和循环变色稳定性良好。此传感膜在应力应变监测方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例82所得的一维光子晶体的扫描电镜截面图；
图2为实施例82所得一维光子晶体比色传感膜对拉力响应的反射峰变化图。如图所示，随着应力增加，传感膜的反射峰逐渐蓝移。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
称取5g聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚异戊二烯分散液稀释后超声10min得到13wt％和20wt％的聚异戊二烯分散液。
称取10g的20wt％聚异戊二烯分散液加入2g二氧化钛粉末超声10min得到高折射率混合物分散液；
将13wt％的聚异戊二烯分散液和高折射率混合物于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为290nm，每组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例2～9
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例1，但在聚合物分散液中分别混合二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射率弹性体层。
实施例10
称取5g聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚异戊二烯分散液稀释后超声10min得到13wt％的聚异戊二烯分散液。
将二氧化钛粉末加入去离子水中超声10min后得到3wt％的二氧化钛分散液。
将13wt％的聚异戊二烯分散液和二氧化钛分散液于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为280nm，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例11～18
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例10，但分别以二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射物质分散液。
实施例19
称取5g聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚氨酯分散液稀释后超声10min得到13wt％和20wt％的聚氨酯分散液。
称取10g的20wt％聚氨酯分散液加入2g二氧化钛粉末超声10min得到高折射率混合物分散液；
将13wt％的聚氨酯分散液和高折射率混合物于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为290nm，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例20～27
掺杂纳米炭黑的弹性体基底和纳米弹性体薄膜制备方法同实施例19，但在聚合物分散液中分别混合二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射率弹性体层。
实施例28
称取5g聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚氨酯分散液稀释后超声10min得到13wt％的聚氨酯分散液。
将二氧化钛粉末加入去离子水中超声10min后得到3wt％的二氧化钛分散液。
将13wt％的聚氨酯分散液和二氧化钛分散液于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为280nm，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例29～36
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例28，但分别以二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射物质分散液。
实施例37
称取5g聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚二甲基硅氧烷分散液稀释后超声10min得到13wt％和20wt％的聚二甲基硅氧烷分散液。
称取10g的20wt％聚二甲基硅氧烷分散液加入2g二氧化钛粉末超声10min得到高折射率混合物分散液；
将13wt％的聚二甲基硅氧烷分散液和高折射率混合物于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为290nm，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例38～45
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例37，但在聚合物分散液中分别混合二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射率弹性体层。
实施例46
称取5g聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚氨酯与N,N-二甲基甲酰胺混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚二甲基硅氧烷分散液稀释后超声10min得到13wt％的聚二甲基硅氧烷分散液。
将二氧化钛粉末加入去离子水中超声10min后得到3wt％的二氧化钛分散液。
将13wt％的聚二甲基硅氧烷分散液和二氧化钛分散液于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为280nm，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例47～54
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例10，但分别以二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射物质分散液。
实施例55
称取5g聚二甲基硅氧烷与正己烷体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚二甲基硅氧烷与正己烷混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚异戊二烯分散液稀释后超声10min得到13wt％和20wt％的聚异戊二烯分散液。
称取10g的20wt％聚异戊二烯分散液加入2g二氧化钛粉末超声10min得到高折射率混合物分散液；
将13wt％的聚异戊二烯分散液和高折射率混合物于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为290nm，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例56～63
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例55，但在聚合物分散液中分别混合二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射率弹性体层。
实施例64
称取5g聚二甲基硅氧烷与正己烷体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚二甲基硅氧烷与正己烷混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚异戊二烯分散液稀释后超声10min得到13wt％的聚异戊二烯分散液。
将二氧化钛粉末加入去离子水中超声10min后得到3wt％的二氧化钛分散液。
将13wt％的聚异戊二烯分散液和二氧化钛分散液于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为280nm，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例65～72
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例64，但分别以二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射物质分散液。
实施例73
称取5g聚二甲基硅氧烷与正己烷体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚二甲基硅氧烷与正己烷混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚氨酯分散液稀释后超声10min得到13wt％和20wt％的聚氨酯分散液。
称取10g的20wt％聚氨酯分散液加入2g二氧化钛粉末超声10min得到高折射率混合物分散液；
将13wt％的聚氨酯分散液和高折射率混合物于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为290nm，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例74～81
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例73，但在聚合物分散液中分别混合二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射率弹性体层。
实施例82
称取5g聚二甲基硅氧烷与正己烷体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚二甲基硅氧烷与正己烷混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚氨酯分散液稀释后超声10min得到13wt％的聚氨酯分散液。
将二氧化钛粉末加入去离子水中超声10min后得到3wt％的二氧化钛分散液。
将13wt％的聚氨酯分散液和二氧化钛分散液于基底上交替旋涂组装三个周期，每个周期的光学厚度为280nm，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例83～90
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例82，但分别以二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射物质分散液。
实施例91
称取5g聚二甲基硅氧烷与正己烷体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚二甲基硅氧烷与正己烷混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚二甲基硅氧烷分散液稀释后超声10min得到13wt％和20wt％的聚二甲基硅氧烷分散液。
称取10g的20wt％聚二甲基硅氧烷分散液加入2g二氧化钛粉末超声10min得到高折射率混合物分散液；
将13wt％的聚二甲基硅氧烷分散液和高折射率混合物于基底上交替旋涂组装三个周期，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例92～99
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例91，但在聚合物分散液中分别混合二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射率弹性体层。
实施例100
称取5g聚二甲基硅氧烷与正己烷体积比1：1混合，超声5min使其混合均匀，向聚二甲基硅氧烷与正己烷混合物中搅拌加入0.05g纳米炭黑，超声10min使其混合均匀，后将混合物以5000r/min离心5min，取1g上清液涂布于2.5×2.5cm的玻璃片上，以80℃在真空干燥箱内处理10h制得黑色弹性体膜作为一维光子晶体组装基底。
将聚二甲基硅氧烷分散液稀释后超声10min得到13wt％的聚二甲基硅氧烷分散液。
将二氧化钛粉末加入去离子水中超声10min后得到3wt％的二氧化钛分散液。
将13wt％的聚二甲基硅氧烷分散液和二氧化钛分散液于基底上交替旋涂组装三个周期，每层组装一层后需于40℃温度下加热干燥15min，即可得到基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜。
实施例101～108
掺杂纳米炭黑的弹性基底和一维光子晶体中弹性体层的制备方法同实施例100，但分别以二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯粉末制备高折射物质分散液。
Claims (8)
1.一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜，其特征在于：所述传感膜由黑色弹性基底和组装在所述基底上的弹性一维光子晶体彩色膜组成，其中，
所述一维光子晶体彩色膜是由弹性体和与弹性体具有折射率差的材料在基底上交替层层组装而成。
2.根据权利要求1所述的传感膜，其特征在于：所述弹性体为聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或聚酰胺类材料。
3.根据权利要求1所述的传感膜，其特征在于：所述黑色弹性基底由黑色物质和弹性体制得，其中，所述黑色物质为纳米炭黑、碳纳米管或聚多巴胺；所述弹性体为聚异戊二烯、聚丁二烯、聚氯丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或聚酰胺类材料。
4.根据权利要求1～3任一项所述的传感膜，其特征在于：用于组装所述一维光子晶体彩色膜的与弹性体具有折射率差的材料为二氧化钛、二氧化锆、硫化锌、氧化锌、氧化铝、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯或聚双烯丙基二甘醇碳酸酯，或为上述材料与弹性体的混合物。
5.根据权利要求1所述的传感膜，其特征在于：所述黑色弹性基底的厚度大于1μm，一维光子晶体彩色膜每一个组装周期的光学厚度之和为200～400nm。
6.权利要求1所述基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜的制备方法，其特征在于：工艺步骤如下：
①制备黑色弹性体基底；
②制备具有折射率差的两种一维光子晶体组装溶液或分散液；
③将所述步骤②所得的两种溶液通过交替层层组装方法在基底上进行组装，加热干燥，控制光学厚度；所述制备方法中加热干燥条件为30～100℃加热3～180分钟。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤②制备的溶液或分散液质量分数为0.5％～20％。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述黑色弹性体基底按下述方法制得：将弹性体与溶剂混合，超声12h以内得混合液；再加入混合液质量0.1～10％的黑色物质超声12h以内，后将混合物离心处理后取上清液，于载玻片上涂布，待薄膜固化后既得。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110145505.7A CN112946788B (zh) | 2021-02-02 | 2021-02-02 | 一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110145505.7A CN112946788B (zh) | 2021-02-02 | 2021-02-02 | 一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112946788A true CN112946788A (zh) | 2021-06-11 |
| CN112946788B CN112946788B (zh) | 2023-03-14 |
Family
ID=76241852
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110145505.7A Active CN112946788B (zh) | 2021-02-02 | 2021-02-02 | 一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112946788B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114057185A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-02-18 | 清华大学 | 一种结构色碳纳米管集合体材料及其制备方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102124405A (zh) * | 2008-05-30 | 2011-07-13 | 欧帕鲁克斯有限公司 | 可调布拉格堆叠 |
| EP3098086A1 (de) * | 2015-05-27 | 2016-11-30 | Giesecke & Devrient GmbH | Piezochromes sicherheitselement |
| US20170059890A1 (en) * | 2015-08-26 | 2017-03-02 | Apple Inc. | Flexible photonic crystals with color-changing strain response |
| CN106547040A (zh) * | 2016-11-23 | 2017-03-29 | 大连理工大学 | 一种高强度光子晶体膜及其制备方法 |
| CN109283176A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-01-29 | 大连理工大学 | 一种基于纳米凝胶的光子晶体比色湿度传感器及其制备方法 |
| CN110702211A (zh) * | 2019-10-29 | 2020-01-17 | 西南科技大学 | 双芯光子晶体光纤传感结构 |
| CN211147884U (zh) * | 2019-08-19 | 2020-07-31 | 苏州中科纳福材料科技有限公司 | 基于光子晶体结构色的超温指示器 |
-
2021
- 2021-02-02 CN CN202110145505.7A patent/CN112946788B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102124405A (zh) * | 2008-05-30 | 2011-07-13 | 欧帕鲁克斯有限公司 | 可调布拉格堆叠 |
| EP3098086A1 (de) * | 2015-05-27 | 2016-11-30 | Giesecke & Devrient GmbH | Piezochromes sicherheitselement |
| US20170059890A1 (en) * | 2015-08-26 | 2017-03-02 | Apple Inc. | Flexible photonic crystals with color-changing strain response |
| CN106547040A (zh) * | 2016-11-23 | 2017-03-29 | 大连理工大学 | 一种高强度光子晶体膜及其制备方法 |
| CN109283176A (zh) * | 2018-09-14 | 2019-01-29 | 大连理工大学 | 一种基于纳米凝胶的光子晶体比色湿度传感器及其制备方法 |
| CN211147884U (zh) * | 2019-08-19 | 2020-07-31 | 苏州中科纳福材料科技有限公司 | 基于光子晶体结构色的超温指示器 |
| CN110702211A (zh) * | 2019-10-29 | 2020-01-17 | 西南科技大学 | 双芯光子晶体光纤传感结构 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114057185A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-02-18 | 清华大学 | 一种结构色碳纳米管集合体材料及其制备方法 |
| CN114057185B (zh) * | 2021-11-23 | 2023-03-14 | 清华大学 | 一种结构色碳纳米管集合体材料及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112946788B (zh) | 2023-03-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101430449B (zh) | 聚合物分散液晶压光效应膜及其制造方法和应用 | |
| CN103955013B (zh) | 光学层积体、偏振片、图像显示装置及其制造方法和可见性改善方法 | |
| Lin et al. | Bio‐inspired wrinkled photonic elastomer with superior controllable and mechanically stable structure for multi‐mode color display | |
| Caixeiro et al. | Disordered cellulose-based nanostructures for enhanced light scattering | |
| CN112946788B (zh) | 一种基于一维光子晶体的应力应变比色传感膜及制备方法 | |
| US8722418B1 (en) | Thermal indicating composition | |
| Liu et al. | SnO2 inverse opal composite film with low-angle-dependent structural color and enhanced mechanical strength | |
| Inci et al. | Recent developments of colorimetric mechanical sensors based on polymer composites | |
| CN108059829B (zh) | 一种强度增强型低角度依存结构色材料及其制备方法 | |
| CN107710027B (zh) | 硬质涂膜、使用该硬质涂膜的偏光板、显示部件以及显示装置 | |
| CN112778559B (zh) | 一种兼具结构稳定性和高饱和度的结构色薄膜及其应用 | |
| Liu et al. | A multifunctional composite material with piezoresistivity and mechanoluminescence properties for a wearable sensor | |
| CA2756318A1 (en) | Method of preparation of surface coating of variable transmittance and electro-optical appliance including the same | |
| CN111522151B (zh) | 一种高度灵敏的机械调控智能窗薄膜及其制备方法 | |
| Li et al. | Structure color tuners of cholesteric cellulose nanocrystal | |
| CN101294003B (zh) | 可固化涂布组合物的制备方法、防反射薄膜、偏振片和使用它们的图像显示装置 | |
| Babaei-Ghazvini et al. | Mechanical responsive visible structural colors based on chiral-nematic cellulose nanocrystals photonic hydrogels | |
| CN107110998A (zh) | 防炫光膜以及包括该防炫光膜的偏光板和显示装置 | |
| CN113736111B (zh) | 一种变色凝胶材料、其制备方法和应用 | |
| CN108254990B (zh) | 一种复合固态电解质材料及其制备方法、全固态电致变色器件 | |
| CN115995499A (zh) | 一种黑色光伏背板及其制备方法和应用 | |
| Niu et al. | Flexible multicolor biaxial sensor for strain direction identification based on sandwich-structured mechanoluminescent materials | |
| US20200381138A1 (en) | Transparent conductive laminate | |
| Sun et al. | Mechanically Robust Photonic‐Ionic Skin Cross‐Linked by Metal–Imidazole Interactions | |
| CN204914746U (zh) | 一种增透薄膜结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |