一种具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法，其特征在于，将单体N‑异丙基丙烯酰胺等加入去离子水中进行反应，然后加入引发剂继续反应，得到纳米水凝胶PNIPAM；加入交联剂，再加入单体丙烯酸等，得到纳米水凝胶PNIPAM/PAA；依次加入不同浓度的Fe

【技术实现步骤摘要】
一种具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法
本专利技术涉及一种具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法，属于纳米水凝胶光子晶体的制备

技术介绍
光子晶体(是一种由两种或者两种以上具有不同折射率的材料在一定的空间内有序排列而成的具有周期性结构的材料。这种独特的周期性结构会使电磁波产生“布拉格散射”，从而形成“光子禁带”。当光波频率落在禁带中时，光便不能进行传播。光子带隙与光子晶体的晶格常数、结构、材料填充比和材料的折射率等有关。因此我们可以通过改变这些因素，造出不同种类、不同功能的光子晶体材料。光子晶体的另一项重要特征是光子晶体的局域性，即当光子晶体材料具有某种缺陷时(光子晶体的有序度被破坏)，光子晶体中部分原有的周期排列被破坏，对应的光子禁带位置也发生相应的变化。在光子晶体中，缺陷形式主要有点缺陷、线缺陷、面缺陷等，通过人为制造某种缺陷从而控制光在光子晶体内部的传播方式。具有缺陷的光子晶体可以应用于光波导，激光发射器，增加或抑制自发辐射等。目前，制备具有缺陷的光子晶体的方法有机械加工法，激光刻蚀法，电刻蚀法等，虽然这些方法具有设计灵活性，但它们耗时长，操作繁杂，不适用于大规模生产。相比于这些方法，水凝胶颗粒自组装的方法具备操作简单，制作成本低以及耗时短等特性。例如，C.López等通过对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掺杂聚苯乙烯微球(PS)，胶体颗粒自组装后呈现具有缺陷的光子晶体，并通过调节PS的用量以及粒径调节光子晶体的无序程度，从而调控其光子禁带的性质(Palacios-LidonE，JuarezBH，Castillo-MartinezE，etal.Opticalandmorphologicalstudyofdisorderinopals[J].JournalofAppliedPhysics，2005，97(6)：063502-063502-7.)。此外，KoenClays在SiO2组装的光子晶体，通过掺杂不同粒径的SiO2颗粒，制备具有面缺陷的光子晶体(KurtWostyn，YuxiaZhao，GDS，etal.InsertionofaTwo-DimensionalCavityintoaSelf-AssembledColloidalCrystal[J].Langmuir，2003，19(10)：4465-4468.)。然而，这类具有缺陷的光子晶体对外界刺激无响应性，限制了其的应用范围。目前，在响应性水凝胶光子晶体中可控引入缺陷的方法少有报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是：提供一种具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法，其应用范围广。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：将单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、交联剂、乳化剂加入去离子水中，室温充氮排氧，搅拌溶解，氮气气氛下进行反应，然后加入引发剂继续反应，经透析，得到温敏性的纳米水凝胶PNIPAM；步骤2)：将步骤1)得到的纳米水凝胶PNIPAM用去离子水稀释，加入交联剂，氮气气氛下搅拌，室温下依次加入单体丙烯酸(AA)、引发剂、催化剂持续搅拌，经透析，得到互穿网络IPN结构的纳米水凝胶PNIPAM/PAA；步骤3)：将步骤2)得到的纳米水凝胶PNIPAM/PAA经过充氮排氧后分成多份，室温下分别依次加入不同浓度的Fe2+、NaNO2、氨水，氮气气氛下搅拌反应，经透析，得到温敏性磁性IPN结构的纳米水凝胶IPN/Fe3O4；步骤4)：向步骤3)得到的纳米水凝胶IPN/Fe3O4加入单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂，室温充氮排氧，氮气气氛下搅拌，然后升温反应，加入引发剂继续反应，经透析，得到具有核壳结构的磁性纳米水凝胶PNIPAM@(IPN/Fe3O4)；步骤5)：将步骤3)得到的含Fe3O4量不同的纳米水凝胶IPN/Fe3O4与步骤4)得到的核壳结构的磁性纳米水凝胶PNIPAM@(IPN/Fe3O4)混合，浓缩至2～8wt％，室温下静置自组装，得到具有缺陷的响应性光子晶体。优选地，所述步骤1)中的交联剂为N，N′-双(丙稀酰)胱胺(BAC)，乳化剂为十二烷基硫酸钠(SDS)，引发剂为过硫酸铵(APS)；步骤2)中的交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)，引发剂为过硫酸铵(APS)，催化剂为焦亚硫酸钠(Na2S2O5)；步骤3)中的氨水的质量浓度为25～30％；步骤4)中的交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)，引发剂为过硫酸铵(APS)。优选地，所述步骤1)中单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂、乳化剂、引发剂、催化剂的质量比为100∶1～3∶2～5∶3～6∶3～6；步骤2)中PNIPAM、单体丙烯酸、交联剂、引发剂、催化剂的质量比为100∶5～20∶5～30∶3～6∶3～6；步骤3)中PNIPAM/PAA、Fe2+、NaNO2、氨水的用量比为100g：0.007～0.07g：0.001～0.100g：0.01～1mL；步骤4)中IPN/Fe3O4、单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂、引发剂的用量比为100mL∶0.05～0.3g∶0.0025～0.075g∶0.005～0.09g；优选地，所述步骤1)中搅拌采用磁力搅拌，搅拌时间为25～35min；初次反应的温度为60～80℃，反应时间为30～50min；继续反应的时间为1～4h。优选地，所述步骤2)中去离子稀释的倍数为5～10倍；搅拌均采用磁力搅拌；初次搅拌时间为15～40min；持续搅拌时间为15～60min。优选地，所述步骤3)中充氮的时间为20～40min；搅拌采用机械搅拌；加入Fe2+后的搅拌时间为20～60min；加入NaNO2后的搅拌时间为5～20min；加入氨水后的搅拌时间为1～3h。优选地，所述步骤4)中充氮的时间为30～50min；搅拌采用磁力搅拌，搅拌时间为20～40min；升温反应的温度为50～70℃，反应时间为30～40min；加入引发剂继续反应时间为1～4h。优选地，所述步骤1)-4)中透析的工艺参数为：装入截留分子量为8000～14000的透析袋中于去离子水中浸泡3～7天，每天换3次水。优选地，所述步骤5)中纳米水凝胶IPN/Fe3O4与磁性纳米水凝胶PNIPAM@(IPN/Fe3O4)的质量百分比为0％～5％；浓缩的温度为40～70℃。本专利技术通过在响应性水凝胶中引入与本体颗粒粒径，折射率，结构不同的乳胶粒，通过胶体颗粒自组装，制备具有点缺陷的光子晶体。该光子晶体对温度具有响应性，在温度升高时，缺陷消失，冷却至室温时，缺陷出现。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术采用的方法工艺简单，原料易得，绿色环保；(2)本专利技术制备具有缺陷的响应性光子晶体，其光子禁带位置可以通过掺杂乳胶粒浓度，粒径，折射率等性质进行调节；(3)本专利技术制备掺杂后的水凝胶颗粒，通过升温-降温技术，能快速自组装成具有缺陷的光子晶体，并且在高温时缺陷消失，降温时缺陷出现。附图说明图1为实施例1制得的具有缺陷的响应性光子晶体的光学图片；图2为实施例1制得的响应性水凝胶水合粒径图；图3为实施例1制得的具有缺陷的响应性光子晶体及各中间体的反射光谱图的对比图；图4为实施例2制得的具有缺陷的响应性光子晶体的反射光谱图；图5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：将单体N‑异丙基丙烯酰胺、交联剂、乳化剂加入去离子水中，室温充氮排氧，搅拌溶解，氮气气氛下进行反应，然后加入引发剂继续反应，经透析，得到温敏性的纳米水凝胶PNIPAM；步骤2)：将步骤1)得到的纳米水凝胶PNIPAM用去离子水稀释，加入交联剂，氮气气氛下搅拌，室温下依次加入单体丙烯酸、引发剂、催化剂持续搅拌，经透析，得到互穿网络IPN结构的纳米水凝胶PNIPAM/PAA；步骤3)：将步骤2)得到的纳米水凝胶PNIPAM/PAA经过充氮排氧后分成多份，室温下分别依次加入不同浓度的Fe

【技术特征摘要】
1.一种具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：将单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂、乳化剂加入去离子水中，室温充氮排氧，搅拌溶解，氮气气氛下进行反应，然后加入引发剂继续反应，经透析，得到温敏性的纳米水凝胶PNIPAM；步骤2)：将步骤1)得到的纳米水凝胶PNIPAM用去离子水稀释，加入交联剂，氮气气氛下搅拌，室温下依次加入单体丙烯酸、引发剂、催化剂持续搅拌，经透析，得到互穿网络IPN结构的纳米水凝胶PNIPAM/PAA；步骤3)：将步骤2)得到的纳米水凝胶PNIPAM/PAA经过充氮排氧后分成多份，室温下分别依次加入不同浓度的Fe2+、NaNO2、氨水，氮气气氛下搅拌反应，经透析，得到温敏性磁性IPN结构的纳米水凝胶IPN/Fe3O4；步骤4)：向步骤3)得到的纳米水凝胶IPN/Fe3O4加入单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂，室温充氮排氧，氮气气氛下搅拌，然后升温反应，加入引发剂继续反应，经透析，得到具有核壳结构的磁性纳米水凝胶PNIPAM@(IPN/Fe3O4)；步骤5)：将步骤3)得到的含Fe3O4量不同的纳米水凝胶IPN/Fe3O4与步骤4)得到的核壳结构的磁性纳米水凝胶PNIPAM@(IPN/Fe3O4)混合，浓缩至2～8wt％，室温下静置自组装，得到具有缺陷的响应性光子晶体。2.如权利要求1所述的具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的交联剂为N，N′-双(丙稀酰)胱胺，乳化剂为十二烷基硫酸钠，引发剂为过硫酸铵；步骤2)中的交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵，催化剂为焦亚硫酸钠；步骤3)中的氨水的质量浓度为25～30％；步骤4)中的交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺，引发剂为过硫酸铵。3.如权利要求1或2所述的具有缺陷的响应性光子晶体的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂、乳化剂、引发剂、催化剂的质量比为100∶1～3∶2～5∶3～6∶3～6；步骤2)中PNIPAM、单体丙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁希华，李晓晓，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31