CN114479127A - 一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法 - Google Patents

一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114479127A
CN114479127A CN202210247005.9A CN202210247005A CN114479127A CN 114479127 A CN114479127 A CN 114479127A CN 202210247005 A CN202210247005 A CN 202210247005A CN 114479127 A CN114479127 A CN 114479127A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photochromic
hydrogel
deformable
deformation
color
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
Application number
CN202210247005.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114479127B (zh
Inventor
刘洋
郝永梁
王浩威
李子健
李奎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Petrochemical Technology
Original Assignee
Beijing Institute of Petrochemical Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Petrochemical Technology filed Critical Beijing Institute of Petrochemical Technology
Priority to CN202210247005.9A priority Critical patent/CN114479127B/zh
Publication of CN114479127A publication Critical patent/CN114479127A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114479127B publication Critical patent/CN114479127B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J3/00—Processes of treating or compounding macromolecular substances
    • C08J3/02—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques
    • C08J3/03—Making solutions, dispersions, lattices or gels by other methods than by solution, emulsion or suspension polymerisation techniques in aqueous media
    • C08J3/075—Macromolecular gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02—Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/52—Amides or imides
    • C08F220/54—Amides, e.g. N,N-dimethylacrylamide or N-isopropylacrylamide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K9/00—Tenebrescent materials, i.e. materials for which the range of wavelengths for energy absorption is changed as a result of excitation by some form of energy
    • C09K9/02—Organic tenebrescent materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J2333/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2333/24—Homopolymers or copolymers of amides or imides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/34—Silicon-containing compounds
    • C08K3/346—Clay
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K2211/00—Chemical nature of organic luminescent or tenebrescent compounds
    • C09K2211/18—Metal complexes
    • C09K2211/183—Metal complexes of the refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta or W

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Non-Silver Salt Photosensitive Materials And Non-Silver Salt Photography (AREA)
  • Polymerisation Methods In General (AREA)

Abstract

本发明公开了一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法，它是在去离子水中加入单体N‑异丙基丙烯酰胺、黏土和阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，常温下搅拌至溶液透明，然后加入过硫酸铵和四甲基乙二胺混合，从而得到透明预聚液；将所述透明预聚液注入模具中，并放置于室温的避光环境下反应，从而得到前驱体凝胶；将所述前驱体凝胶浸泡在去离子水中直至溶胀平衡，然后浸泡在钼酸铵溶液中，从而制得光致变色变形水凝胶。本发明具有在紫外光照射下快速变色的优良性能，变色后的颜色可擦除、可再变色，而且在变色状态下可通过近红外激光照射实现快速复杂变形，变形可恢复、可再变形，同时还具有原料成本低廉、制备工艺简单等优点。

Description

一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法
技术领域
本发明涉及高分子水凝胶技术领域，尤其涉及一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法。
背景技术
水凝胶是一种高含水量的软物质，由交联聚合物构成。
光致变色材料因其在紫外线照射下的颜色可发生变化而受到广泛的关注。光致变色材料可用于记录和监测，制备可重复使用的器件和光敏传感器。近年来，螺吡喃、氧化钨、二芳基杂环乙烯等具有可逆光致变色性能的光致变色剂经常被用于制备光致变色材料，但是一些光致变色材料是有毒和不环保的，因此迫切需要无害的、低成本替代品。
光致变色材料在光学材料、存储材料、无墨打印技术等领域展现出了巨大的应用前景。与传统形态材料相比，基于凝胶或功能膜的光致变色软材料在柔性存储器件、可擦写纸张等方面的应用潜力更加值得重视。然而现有的光致变色材料，在变色性能上还有可提升的空间，而且材料较高的原料成本和复杂的制备工艺等也是亟待解决的问题。因此研发一种低成本、制备工艺简单、变色性能更加优良的光致变色材料具有重要意义。
光控水凝胶驱动器也可以称为光致变形水凝胶，它是指在光刺激下，水凝胶会发生不同程度的溶胀或收缩，进而产生如弯曲、扭转等形变，然而在均匀水凝胶基体上实现复杂变形的方法并不常见，因此研发一种简便、高效的在均匀水凝胶基体上实现复杂变形的光控方法对于光控水凝胶驱动器来说具有重要意义。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供了一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。本发明具有在紫外光照射下快速变色的优良性能，颜色可擦除、可再变色，而且在变色状态下可通过近红外激光照射实现快速复杂变形，变形可恢复、可再变形，同时还具有原料成本低廉、制备工艺简单等优点，因此在光学材料、存储材料、无墨打印技术等领域具有巨大应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种光致变色变形水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、预聚液的制备：在去离子水中加入单体N-异丙基丙烯酰胺、黏土和阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，常温下搅拌至溶液透明，然后加入过硫酸铵和四甲基乙二胺混合，从而得到透明预聚液；
步骤2、前驱体水凝胶制备：将所述透明预聚液注入模具中，并放置于室温的避光环境下反应，从而得到前驱体凝胶；
步骤3、前驱体凝胶处理：将所述前驱体凝胶浸泡在去离子水中直至溶胀平衡，然后浸泡在钼酸铵溶液中24小时，从而制得光致变色变形水凝胶。
优选地，在所述步骤3中，所述钼酸铵溶液的浓度为20mmol/L～80mmol/L。
优选地，在步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土50g～100g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵8.6g～17.0g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g。
优选地，在所述步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土50g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵8.6g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g；或者，在所述步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土70g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵12.0g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g；或者，在所述步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土100g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵17.0g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g。
优选地，在所述步骤2中，所述模具的制备方法包括：将聚氯乙烯塑料切成正方形，中间部分切除，用两块正方形玻璃片夹住聚氯乙烯塑料，用长尾夹夹紧，即制得模具。
一种光致变色变形水凝胶，采用上述光致变色变形水凝胶的制备方法制备而成。
一种控制光致变色变形水凝胶实现变色的方法，采用紫外光对上述光致变色变形水凝胶进行照射，从而控制所述光致变色变形水凝胶实现变色。
优选地，采用具有图案的掩膜对上述光致变色变形水凝胶进行遮挡或覆盖，然后采用紫外光通过所述掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，从而使所述光致变色变形水凝胶发生变色，变色部分形成对应所述掩膜的图案。
一种控制光致变色变形水凝胶实现变形的方法，采用紫外光对上述光致变色变形水凝胶进行照射，使所述光致变色变形水凝胶发生变色，然后采用近红外激光对所述光致变色变形水凝胶的变色部分进行照射，从而控制所述光致变色变形水凝胶实现变形。
优选地，采用具有图案的掩膜对上述光致变色变形水凝胶进行遮挡或覆盖，然后采用紫外光通过所述掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，使所述光致变色变形水凝胶发生变色，变色部分形成对应所述掩膜的图案；然后采用近红外激光对所述光致变色变形水凝胶的变色图案进行照射，从而控制所述光致变色变形水凝胶实现变形；通过将所述掩膜设计成不同的图案，控制所述光致变色变形水凝胶实现不同程度、不同形状的变形。
与现有技术相比，本发明以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAM)为主单体，以钼酸铵(Mo7)为光致变色单元，利用黏土(Laponite RDS)提供的物理交联和钼酸铵(Mo7)同丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMAEA-Q)之间的静电作用构建交联网络，以过硫酸铵(APS)和四甲基乙二胺(TEMED)为氧化还原引发体系，通过调整这些原料的用量进行自由基聚合，从而使所制得的光致变色变形水凝胶具有可控可逆的快速光响应性和快速变形能力，紫外光照射能使其变成蓝色，且变色程度可以通过照射时间来控制，当移除紫外光源后，蓝色会在空气的作用下逐渐消退，恢复成无色的水凝胶，这些恢复成无色的水凝胶可以在紫外光的作用下再次变成蓝色，这个变色褪色过程可以重复进行，即实现了可重复擦写；本发明采用近红外激光对所述光致变色变形水凝胶的变色部分进行照射，可以控制所述光致变色变形水凝胶实现快速复杂变形，并且通过对其表面的变色图案进行反复擦除和书写，可以实现同一个光控水凝胶驱动器简单便捷多次编程呈现多种复杂变形模式，这一特性使其在软执行器、机器人、可穿戴设备等领域有着广阔的应用前景；此外，本发明原料成本低廉，制备工艺简单，这在光学材料、存储材料、无墨打印技术等领域具有巨大应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例2所制得的光致变色变形水凝胶在紫外光下照射不同时间后的吸收值图。
图2为借助光掩模经过紫外光照射在本发明实施例3所制得光致变色变形水凝胶上照射出不同图案的过程示意图。
图3为本发明实施例3所制得的光致变色变形水凝胶在借助光掩模进行紫外光照射发生变色后，通过近红外激光照射实现快速复杂变形的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
下面对本发明所提供的光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法进行详细描述。本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
(一)本发明提供了一种光致变色变形水凝胶及其制备方法
本发明提供了一种光致变色变形水凝胶，其制备方法包括以下步骤：
步骤1、预聚液的制备：按照每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)100g、黏土(Laponite RDS)50g～100g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMAEA-Q)8.6g～17.0g、过硫酸铵(APS)1g、四甲基乙二胺(TEMED)1g的比例，在所述去离子水中加入所述单体N-异丙基丙烯酰胺、所述黏土和所述阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，常温(通常可以为20～25℃)下搅拌至溶液透明，然后加入所述过硫酸铵和所述四甲基乙二胺混合，从而得到透明预聚液。
步骤2、前驱体水凝胶制备：将所述透明预聚液注入模具中，并放置于室温(通常可以为20～25℃)的避光环境下反应，从而得到前驱体凝胶。
步骤3、前驱体凝胶处理：将所述前驱体凝胶浸泡在去离子水中24小时直至溶胀平衡，然后浸泡在钼酸铵(Mo7)溶液中24小时，所述钼酸铵溶液的浓度为20mmol/L～80mmol/L，从而制得光致变色变形水凝胶。
具体地，该光致变色变形水凝胶及其制备方法可以包括以下实施方案：
(1)在所述步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土50g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵8.6g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g。
(2)在所述步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土70g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵12.0g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g。
(3)在所述步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土100g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵17.0g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g。
(4)在所述步骤2中，所述模具的制备方法可以包括：将聚氯乙烯塑料切成正方形，中间部分切除，用两块正方形玻璃片夹住聚氯乙烯塑料，并用长尾夹夹紧，从而制得模具；可以用一次性注射器将所述透明预聚液注入模具中，并用长尾夹夹紧。
(5)本申请发明人发现：在所述步骤3中，当所述钼酸铵溶液的浓度为20mmol/L～80mmol/L时，所制得光致变色变形水凝胶会有比较明显的颜色显示，并且随着钼酸铵溶液浓度的增加所述光致变色变形水凝胶的显示颜色逐步加深，当所述钼酸铵溶液的浓度为80mmol/L时，所述光致变色变形水凝胶的显示颜色基本达到饱和状态，再增加所述钼酸铵溶液的浓度所述光致变色变形水凝胶的显示颜色就不会再有明显变化了，因此本发明可以根据实际需求，将所述钼酸铵溶液的浓度在20mmol/L～80mmol/L范围内调整，以控制所制得光致变色变形水凝胶的显示颜色深度，从而在所述光致变色变形水凝胶表面显示图案时，可通过这种方式改变显示颜色深浅程度，以改变显示图案的清晰度和显示时间。
(二)本发明提供了一种控制上述光致变色变形水凝胶实现变色的方法
本发明还提供了一种控制上述光致变色变形水凝胶实现变色的方法，它是采用紫外光对上述光致变色变形水凝胶进行照射，从而控制所述光致变色变形水凝胶实现变色。
具体地，该控制上述光致变色变形水凝胶实现变色的方法可以包括以下实施方案：
(1)本发明中，采用紫外光对上述光致变色变形水凝胶进行照射后，所述光致变色变形水凝胶会变色为蓝色。本发明通过控制紫外光对上述光致变色变形水凝胶的照射时间，可以改变所述光致变色变形水凝胶的变色程度；一般情况下，紫外光照射时间越长，所述光致变色变形水凝胶的变色越深，当变色达到一定程度后，即使增加紫外光照射时间，所述光致变色变形水凝胶的变色也不在加深。
(2)本发明中，当上述光致变色变形水凝胶通过紫外光照射变色后，只要移除紫外光光源，变色成的蓝色会在空气的作用下逐渐消退，恢复成无色的水凝胶，这些恢复成无色的水凝胶可以通过紫外光照射再次变成蓝色，这个变色褪色过程可以重复进行，即本发明提供的光致变色变形水凝胶实现了变色的可重复擦写。
(3)本发明中可以采用具有图案的掩膜对上述光致变色变形水凝胶进行遮挡或覆盖，然后采用紫外光通过所述掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，从而使所述光致变色变形水凝胶发生变色，变色部分形成对应所述掩膜的图案。在实际应用中，通过将所述掩膜设计成不同的图案，可以使所述光致变色变形水凝胶显示出不同的图案；例如：可以将所述掩膜设计成校徽、二维码等图案，然后采用该图案的掩膜对上述光致变色变形水凝胶进行遮挡或覆盖，再采用紫外光通过该图案的掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，从而使所述光致变色变形水凝胶未遮挡部分发生变色，变色部分可以形成高清晰度的校徽、二维码等对应所述掩膜的图案；当所述光致变色变形水凝胶通过紫外光照射变色成对应所述掩膜的图案后，只要移除紫外光光源，变色成的蓝色图案会在空气的作用下逐渐消退，恢复成无色的水凝胶，更换其他图案的掩膜对这些恢复成无色的水凝胶进行遮挡或覆盖，然后采用紫外光通过所述其他图案的掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，从而使所述光致变色变形水凝胶再次变成蓝色，变色部分形成对应新掩膜的图案；这个变色褪色过程可以重复进行。
(三)本发明提供了一种控制上述光致变色变形水凝胶实现变形的方法
本发明还提供了一种控制上述光致变色变形水凝胶实现变形的方法，它是采用紫外光对上述光致变色变形水凝胶进行照射，使所述光致变色变形水凝胶发生变色，然后采用近红外(NIR)激光对所述光致变色变形水凝胶的变色部分进行照射，从而控制所述光致变色变形水凝胶实现变形。
具体地，该控制上述光致变色变形水凝胶实现变形的方法可以包括以下实施方案：
(1)本发明中，所述近红外激光的波长最好为780nm～1100nm，这种短波近红外激光光热效率高，可以使上述光致变色变形水凝胶能够更加快速的变形。
(2)本发明中，当上述光致变色变形水凝胶通过近红外激光照射变形后，只要移除近红外激光的光源和/或所述光致变色变形水凝胶上的变色消退，水凝胶的变形会逐渐恢复，恢复成原状的水凝胶；如果只是通过移除近红外激光的光源使所述光致变色变形水凝胶的变形恢复成原状，那么在这些恢复成原状的水凝胶上的变色消退之前，通过采用近红外激光对这些恢复成原状的水凝胶进行再次照射，这些恢复成原状的水凝胶会再次发生变形，这个变色恢复原状过程可以重复进行，即本发明提供的光致变色变形水凝胶实现了变形的可重复擦写。
(3)本发明中，可以采用具有图案的掩膜对上述光致变色变形水凝胶进行遮挡或覆盖，然后采用紫外光通过所述掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，使所述光致变色变形水凝胶发生变色，变色部分形成对应所述掩膜的图案；然后采用近红外激光对所述光致变色变形水凝胶的变色图案进行照射，从而控制所述光致变色变形水凝胶实现变形。在实际应用中，可以将所述掩膜设计成不同的图案，可以控制所述光致变色变形水凝胶实现不同程度和/或不同形状的变形，即本发明提供的光致变色变形水凝胶可以实现多次编程；例如：可以将所述掩膜设计成条纹图案，然后采用该条纹图案的掩膜对上述光致变色变形水凝胶进行遮挡或覆盖，再采用紫外光通过该条纹图案的掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，从而使所述光致变色变形水凝胶未遮挡部分发生变色，变色部分形成条纹图案，采用近红外激光对所述光致变色变形水凝胶变色成的条纹图案进行照射，所述光致变色变形水凝胶会发生弯曲，这种变形受所述光致变色变形水凝胶表面条纹图案排布方式的控制，弯曲方向可以通过设计所述条纹图案的方向来精确重新编程，这一特性使其有望用于未来的可穿戴设备、软机器人、仿生机器等领域。
(四)本发明的有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法至少具有以下优点：
(1)本发明所提供的光致变色变形水凝胶以N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAM)为主单体，以钼酸铵(Mo7)为光致变色单元，利用黏土(Laponite RDS)提供的物理交联和钼酸铵(Mo7)同丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMAEA-Q)之间的静电作用构建交联网络，以过硫酸铵(APS)和四甲基乙二胺(TEMED)为氧化还原引发体系，通过调整这些原料的用量进行自由基聚合，从而使所制得的光致变色变形水凝胶具有可控可逆的快速光响应性和快速变形能力，紫外光照射能使其变成蓝色，且变色程度可以通过照射时间来控制，当移除紫外光源后，蓝色会在空气的作用下逐渐消退，恢复成无色的水凝胶，这些恢复成无色的水凝胶可以在紫外光的作用下再次变成蓝色，这个变色褪色过程可以重复进行，即实现了可重复擦写。
(2)通过设计不同图案的掩膜，在这些不同掩膜覆盖的情况下对本发明实施例所制得的光致变色变形水凝胶进行紫外光照射，可以在该该光致变色变形水凝胶上展示出各种各样高清晰度的对应所述掩膜的图案(如校徽、二维码等)；例如：将学校网址的二维码制成掩膜，在该掩膜覆盖的情况下对本发明实施例所制得的光致变色变形水凝胶进行紫外光照射，在该光致变色变形水凝胶上展示出所述网址的二维码，可以通过该二维码扫描出学校的网页，而且变色褪色过程的可以重复循环进行，褪色后的凝胶可以利用不同图案再次掩膜，得到新的图案，从而实现该光致变色变形水凝胶光可擦写的性能。
(3)本发明所提供的光致变色变形水凝胶通过对其表面的变色图案进行反复擦除和书写，可以实现同一个光控水凝胶驱动器简单便捷多次编程呈现多种变形模式，这在软执行器、机器人、可穿戴设备等领域有着广阔的应用前景。
(4)本发明的光致变色变形水凝胶其原料廉价、制作成本低、制备工艺简单，而且所制得的光致变色变形水凝胶变色速度快，并且可重复变色，在信息储存、防伪、光学显示等领域有很大的应用前景。
(5)本发明以廉价易得的原料，通过简单的工艺制得具有快速光致变色变形性能的软材料，并探索其在多个领域方面的应用，在已有研究的基础之上进一步提高材料性能的同时，也为未来此类材料在工业上大规模生产提供潜在的解决方案。
综上可见，本发明实施例具有在紫外光照射下快速变色的优良性能，变色后的颜色可擦除、可再变色，而且在变色状态下可通过近红外激光照射实现快速复杂变形，变形可恢复、可再变形，同时还具有原料成本低廉、制备工艺简单等优点，因此在光学材料、存储材料、无墨打印技术等领域具有巨大应用前景。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明中的光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法进行详细描述。
实施例1
一种光致变色变形水凝胶，其制备方法包括以下步骤：
步骤A1、模具制作：将聚氯乙烯塑料切成正方形，中间部分切除，用两块正方形玻璃片夹住聚氯乙烯塑料，并用长尾夹夹紧，从而制得模具。
步骤A2、预聚液的制备：在10g去离子水中加入1g单体N-异丙基丙烯酰胺、0.5g所述黏土和86mg阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，常温(20～25℃)下搅拌至溶液透明，然后加入10mg过硫酸铵和10mg四甲基乙二胺搅拌混合，从而得到透明预聚液。
步骤A3、前驱体水凝胶制备：用一次性注射器将步骤A2所述透明预聚液注入步骤A1所述模具中，并用长尾夹夹紧，然后放置于室温(25℃)的避光环境下反应24小时，从而得到前驱体凝胶。
步骤A4、前驱体凝胶处理：将12.358g钼酸铵溶解于200mL去离子水中，搅拌溶解后，从而得到钼酸铵溶液(相当于大约50mmol/L)；将步骤A3所述前驱体凝胶浸泡在去离子水中24小时直至溶胀平衡，然后浸泡在所述钼酸铵溶液中24小时，从而制得光致变色变形水凝胶。
实施例2
一种光致变色变形水凝胶，其制备方法包括以下步骤：
步骤B1、模具制作：将聚氯乙烯塑料切成正方形，中间部分切除，用两块正方形玻璃片夹住聚氯乙烯塑料，并用长尾夹夹紧，从而制得模具。
步骤B2、预聚液的制备：在10g去离子水中加入1g单体N-异丙基丙烯酰胺、0.7g所述黏土和120mg阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，常温(20～25℃)下搅拌至溶液透明，然后加入10mg过硫酸铵和10mg四甲基乙二胺搅拌混合，从而得到透明预聚液。
步骤B3、前驱体水凝胶制备：用一次性注射器将步骤B2所述透明预聚液注入步骤B1所述模具中，并用长尾夹夹紧，然后放置于室温(25℃)的避光环境下反应24小时，从而得到前驱体凝胶。
步骤B4、前驱体凝胶处理：将14.830g钼酸铵溶解于200mL去离子水中，搅拌溶解后，从而得到钼酸铵溶液(相当于大约60mmol/L)；将步骤B3所述前驱体凝胶浸泡在去离子水中24小时直至溶胀平衡，然后浸泡在所述钼酸铵溶液中24小时，从而制得光致变色变形水凝胶。
实施例3
一种光致变色变形水凝胶，其制备方法包括以下步骤：
步骤C1、模具制作：将聚氯乙烯塑料切成正方形，中间部分切除，用两块正方形玻璃片夹住聚氯乙烯塑料，并用长尾夹夹紧，从而制得模具。
步骤C2、预聚液的制备：在10g去离子水中加入1g单体N-异丙基丙烯酰胺、1.0g所述黏土和170mg阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，常温(20～25℃)下搅拌至溶液透明，然后加入10mg过硫酸铵和10mg四甲基乙二胺搅拌混合，从而得到透明预聚液。
步骤C3、前驱体水凝胶制备：用一次性注射器将步骤C2所述透明预聚液注入步骤C1所述模具中，并用长尾夹夹紧，然后放置于室温(25℃)的避光环境下反应24小时，从而得到前驱体凝胶。
步骤C4、前驱体凝胶处理：将17.302g钼酸铵溶解于200mL去离子水中，搅拌溶解后，从而得到钼酸铵溶液(相当于大约70mmol/L)；将步骤C3所述前驱体凝胶浸泡在去离子水中24小时直至溶胀平衡，然后浸泡在所述钼酸铵溶液中24小时，从而制得光致变色变形水凝胶。
性能检测
对本发明实施例2和实施例3中所制得的光致变色变形水凝胶进行以下性能检测：
(1)对本发明实施例2中所制得的光致变色变形水凝胶进行光致变色性能检测：用紫外光照射本发明实施例2中所制得的光致变色变形水凝胶，随着紫外光照射时间变长，变色程度越深，再用紫外可见分光光度计测试紫外光照射时间为0s、10s、30s、60s、90s、120s时的吸收值，从而可以得到如图1所示的不同照射时间后的吸收值图。由图1可以看出：本发明实施例2中所制得的光致变色变形水凝胶在紫外光下照射10s迅速变色，同时可以看到照射90s与照射120s吸光度差距不大，这表明在照射120s时变色程度基本饱和；紫外光照射时间与吸光度之间存在着对应关系，吸光度随照射时间增加而增加，随着照射时间增加，水凝胶变色程度加深，这表明本发明实施例2中所制得的光致变色变形水凝胶的光致变色过程是能够通过控制光照时间而得到精确的控制的。
(2)借助光掩模对本发明实施例3中所制得的光致变色变形水凝胶进行紫外光照射，从而可以得到如图2所示的光致变色变形水凝胶上不同图案的变化过程示意图，而且通过扫描图2中的二维码可以打开对应网页，这说明本发明实施例3所制得的光致变色变形水凝胶具有可擦除性和可重复性，而且显示出的内容具有较高精确性和一定分辨率。
(3)分别采用4种不同图案的掩模对本发明实施例3所制得的光致变色变形水凝胶进行遮挡，然后采用紫外光分别通过这4种图案的掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，使所述光致变色变形水凝胶未遮挡部分发生变色，变色部分形成对应所述掩模的图案，再采用波长为808nm的近红外激光对所述光致变色变形水凝胶的变色图案进行照射，从而可以得到如图3所示的水凝胶变形情况示意图。由图3可以看出：本发明实施例3所制得的光致变色变形水凝胶其变形是可以通过不同图案的掩模来控制的，可以实现多次编程。
综上可见，本发明实施例具有在紫外光照射下快速变色的优良性能，变色后的颜色可擦除、可再变色，而且在变色状态下可通过近红外激光照射实现快速复杂变形，变形可恢复、可再变形，同时还具有原料成本低廉、制备工艺简单等优点，因此在光学材料、存储材料、无墨打印技术等领域具有巨大应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种光致变色变形水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、预聚液的制备：在去离子水中加入单体N-异丙基丙烯酰胺、黏土和阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，常温下搅拌至溶液透明，然后加入过硫酸铵和四甲基乙二胺混合，从而得到透明预聚液；
步骤2、前驱体水凝胶制备：将所述透明预聚液注入模具中，并放置于室温的避光环境下反应，从而得到前驱体凝胶；
步骤3、前驱体凝胶处理：将所述前驱体凝胶浸泡在去离子水中直至溶胀平衡，然后浸泡在钼酸铵溶液中24小时，从而制得光致变色变形水凝胶。
2.根据权利要求1所述的光致变色变形水凝胶的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述钼酸铵溶液的浓度为20mmol/L～80mmol/L。
3.根据权利要求2所述的光致变色变形水凝胶的制备方法，其特征在于，在步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土50g～100g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵8.6g～17.0g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g。
4.根据权利要求3所述的光致变色变形水凝胶的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土50g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵8.6g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g；
或者，在所述步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土70g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵12.0g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g；
或者，在所述步骤1中，每1L去离子水使用单体N-异丙基丙烯酰胺100g、黏土100g、阳离子单体丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵17.0g、过硫酸铵1g、四甲基乙二胺1g。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光致变色变形水凝胶的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述模具的制备方法包括：将聚氯乙烯塑料切成正方形，中间部分切除，用两块正方形玻璃片夹住聚氯乙烯塑料，并用长尾夹夹紧，从而制得模具。
6.一种光致变色变形水凝胶，其特征在于，采用上述权利要求1至5中任一项所述的光致变色变形水凝胶的制备方法制备而成。
7.一种控制光致变色变形水凝胶实现变色的方法，其特征在于，采用紫外光对上述权利要求6所述的光致变色变形水凝胶进行照射，从而控制所述光致变色变形水凝胶实现变色。
8.根据权利要求7所述的控制光致变色变形水凝胶实现变色的方法，其特征在于，采用具有图案的掩膜对上述权利要求6所述的光致变色变形水凝胶进行遮挡或覆盖，然后采用紫外光通过所述掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，从而使所述光致变色变形水凝胶发生变色，变色部分形成对应所述掩膜的图案。
9.一种控制光致变色变形水凝胶实现变形的方法，其特征在于，采用紫外光对上述权利要求6所述的光致变色变形水凝胶进行照射，使所述光致变色变形水凝胶发生变色，然后采用近红外激光对所述光致变色变形水凝胶的变色部分进行照射，从而控制所述光致变色变形水凝胶实现变形。
10.根据权利要求9所述的控制光致变色变形水凝胶实现变形的方法，其特征在于，采用具有图案的掩膜对上述权利要求6所述的光致变色变形水凝胶进行遮挡或覆盖，然后采用紫外光通过所述掩膜对所述光致变色变形水凝胶进行照射，使所述光致变色变形水凝胶发生变色，变色部分形成对应所述掩膜的图案；然后采用近红外激光对所述光致变色变形水凝胶的变色图案进行照射，从而控制所述光致变色变形水凝胶实现变形；
通过将所述掩膜设计成不同的图案，控制所述光致变色变形水凝胶实现不同程度、不同形状的变形。
CN202210247005.9A 2022-03-14 2022-03-14 一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法 Active CN114479127B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210247005.9A CN114479127B (zh) 2022-03-14 2022-03-14 一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210247005.9A CN114479127B (zh) 2022-03-14 2022-03-14 一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114479127A true CN114479127A (zh) 2022-05-13
CN114479127B CN114479127B (zh) 2023-04-21

Family

ID=81486437

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210247005.9A Active CN114479127B (zh) 2022-03-14 2022-03-14 一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114479127B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116082695A (zh) * 2022-11-18 2023-05-09 北京石油化工学院 一种多重响应变色凝胶的制备方法及应用
CN116253820A (zh) * 2023-05-09 2023-06-13 北京石油化工学院 一种光致变色凝胶及其制备的多重响应变色干凝胶和变色方法

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004107601A (ja) * 2002-09-20 2004-04-08 Fuji Xerox Co Ltd 刺激応答変色性液状組成物および変色性積層体とその作製方法
CN1908035A (zh) * 2006-08-07 2007-02-07 东华大学 纳米复合水凝胶及其制备方法
JP2009149759A (ja) * 2007-12-20 2009-07-09 Kawamura Inst Of Chem Res カチオン性有機・無機複合ヒドロゲルの製造方法
US20090291500A1 (en) * 2004-12-14 2009-11-26 Kawamura Institute Of Chemical Research Production process of an organic/inorganic composite hydrogel, cell culture substrate comprising an organic/inorganic composite hydrogel, and antifogging material comprising a dried organic/inorganic composite hydrogel
CN103145920A (zh) * 2013-03-28 2013-06-12 湖南工业大学 一种温度、pH、紫外光多刺激响应半互穿网络纳米复合水凝胶的制备方法
CN106310263A (zh) * 2016-11-11 2017-01-11 哈尔滨工业大学 一种PEGMa修饰MoOx与温敏PNIPAM微凝胶的组装体系及其制备方法
CN107446146A (zh) * 2017-09-15 2017-12-08 长春工业大学 一种具备光致变色特性的水凝胶及其制备方法
CN107915856A (zh) * 2016-10-11 2018-04-17 天津工业大学 温/湿度双重响应光子晶体纳米复合凝胶膜及其制备方法
CN108794768A (zh) * 2018-05-04 2018-11-13 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种温敏型高强韧纳米复合水凝胶及其制备方法
CN110511319A (zh) * 2019-08-09 2019-11-29 华南理工大学 一种温敏性水体系变色凝胶及其制备方法
CN112126082A (zh) * 2020-08-18 2020-12-25 浙江大学衢州研究院 一种自修复多重光响应的双层超分子水凝胶、其制备方法和应用
CN112679754A (zh) * 2021-01-15 2021-04-20 郑州大学 一种光热转换水凝胶的制备方法及应用
CN114163664A (zh) * 2021-12-21 2022-03-11 浙江理工大学 一种普适性双层水凝胶驱动器的制备方法及其应用
CN114354554A (zh) * 2021-12-17 2022-04-15 北京科技大学 一种用于全时间线生物标志物的检测平台的制备方法及应用

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004107601A (ja) * 2002-09-20 2004-04-08 Fuji Xerox Co Ltd 刺激応答変色性液状組成物および変色性積層体とその作製方法
US20090291500A1 (en) * 2004-12-14 2009-11-26 Kawamura Institute Of Chemical Research Production process of an organic/inorganic composite hydrogel, cell culture substrate comprising an organic/inorganic composite hydrogel, and antifogging material comprising a dried organic/inorganic composite hydrogel
CN1908035A (zh) * 2006-08-07 2007-02-07 东华大学 纳米复合水凝胶及其制备方法
JP2009149759A (ja) * 2007-12-20 2009-07-09 Kawamura Inst Of Chem Res カチオン性有機・無機複合ヒドロゲルの製造方法
CN103145920A (zh) * 2013-03-28 2013-06-12 湖南工业大学 一种温度、pH、紫外光多刺激响应半互穿网络纳米复合水凝胶的制备方法
CN107915856A (zh) * 2016-10-11 2018-04-17 天津工业大学 温/湿度双重响应光子晶体纳米复合凝胶膜及其制备方法
CN106310263A (zh) * 2016-11-11 2017-01-11 哈尔滨工业大学 一种PEGMa修饰MoOx与温敏PNIPAM微凝胶的组装体系及其制备方法
CN107446146A (zh) * 2017-09-15 2017-12-08 长春工业大学 一种具备光致变色特性的水凝胶及其制备方法
CN108794768A (zh) * 2018-05-04 2018-11-13 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种温敏型高强韧纳米复合水凝胶及其制备方法
CN110511319A (zh) * 2019-08-09 2019-11-29 华南理工大学 一种温敏性水体系变色凝胶及其制备方法
CN112126082A (zh) * 2020-08-18 2020-12-25 浙江大学衢州研究院 一种自修复多重光响应的双层超分子水凝胶、其制备方法和应用
CN112679754A (zh) * 2021-01-15 2021-04-20 郑州大学 一种光热转换水凝胶的制备方法及应用
CN114354554A (zh) * 2021-12-17 2022-04-15 北京科技大学 一种用于全时间线生物标志物的检测平台的制备方法及应用
CN114163664A (zh) * 2021-12-21 2022-03-11 浙江理工大学 一种普适性双层水凝胶驱动器的制备方法及其应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YANG LIU，等: "Macromolecular Symposia - 2007 - Liu - Mechanical Properties and Phase Transition of High Clay Content Clay Poly" *
徐世美，等: "有机-无机纳米复合水凝胶" *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116082695A (zh) * 2022-11-18 2023-05-09 北京石油化工学院 一种多重响应变色凝胶的制备方法及应用
CN116082695B (zh) * 2022-11-18 2024-06-25 北京石油化工学院 一种多重响应变色凝胶的制备方法及应用
CN116253820A (zh) * 2023-05-09 2023-06-13 北京石油化工学院 一种光致变色凝胶及其制备的多重响应变色干凝胶和变色方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114479127B (zh) 2023-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114479127A (zh) 一种光致变色变形水凝胶及其制备方法、变色变形方法
DE3855669T2 (de) Optische Flüssigkristallvorrichtung und ihr Herstellungsverfahren
JP2505779B2 (ja) フオトクロミツク物品の製造方法
CN112126082B (zh) 一种自修复多重光响应的双层超分子水凝胶、其制备方法和应用
US20160002457A1 (en) Tunable and responsive photonic hydrogels comprising nanocrystalline cellulose
BRPI0215338B1 (pt) composição de polímero fotocrômico e artigo fotocrômico
Guan et al. Highly transparent and stretchable hydrogels with rapidly responsive photochromic performance for UV-irradiated optical display devices
DE3751190T2 (de) Sauerstoffkonzentrationsfühler.
HU214212B (hu) Eljárás színezett kontaktlencse előállítására
CN110183703B (zh) 一种光子晶体复合型压力传感器及其制备方法和光学检测方法
Li et al. An effective approach for fabricating high-strength polyurethane hydrogels with reversible photochromic performance as a photoswitch
CN116253820B (zh) 一种光致变色凝胶及其制备的多重响应变色干凝胶和变色方法
KR20070096328A (ko) Ｕｖ 경화형 광변색성 코팅 조성물, 이를 이용한 광변색성폴리우레탄 코팅막, 및 이를 포함하는 광변색성 광학제품
KR101537372B1 (ko) 산화그래핀의 광열전환 효과를 이용한 광감응성 수화겔 및 이의 제조방법
ES2305748T3 (es) Produccion de sensores holograficos.
CN116082695B (zh) 一种多重响应变色凝胶的制备方法及应用
JP4921852B2 (ja) 光学異方性の制御方法
CN113429638A (zh) 一种快速变色、高循环次数的可擦重写介质的制备方法
CN117946335B (zh) 一种宽温域光致变色双网络离子凝胶及其制备方法和应用
US4740449A (en) Optical recording medium
JP2005512145A (ja) 拡散フィルムを製造するための複合マスク
KR100260771B1 (ko) 감광성수지 조성물용 고분자 및 그 제조방법
CN114700631B (zh) 钙钛矿-聚合物复合膜的信息加密方法及其应用
KR20200079661A (ko) 외부자극 감응형 성형체의 제조방법 및 이로부터 제조되는 성형체
CN115947888B (zh) 一种快速温敏响应聚丙烯酰胺复合水凝胶的制备方法

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