一种高强度光子晶体水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高强度光子晶体水凝胶及其制备方法和应用。所述高强度光子晶体水凝胶的制备方法是先用乳液聚合的方法合成一种聚合物胶体晶体微球，再将一种油溶性单体溶胀在微球里面，制成溶解有未聚合油溶性单体的胶体晶体乳液，最后加入一种水溶性单体丙烯酰胺进行聚合后即得。该制备方法在水凝胶聚合过程中，微球里的油溶性单体参与水溶性单体的聚合，形成贯穿油水两相的聚合物网络结构，从而获得微球与基底水凝胶较强的相互作用力，实现高拉伸高强度的良好力学性能。本发明专利技术制备得到的高强度光子晶体水凝胶具有力致色变的光学特性，光谱响应范围宽，灵敏度高，可应用于微力学传感器、结构色调控及图案化和光学加密防伪领域。

A High Strength Photonic Crystal Hydrogel and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种高强度光子晶体水凝胶及其制备方法和应用
本专利技术涉及高分子材料
，具体地，涉及一种高强度光子晶体水凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
光子晶体是一类介电常数随空间周期性变化的微结构材料。由于布拉格衍射定律，当光进入周期性排列的介电材料中传播时，光波受到调制形成光子能带结构，落在光子能隙中的光不能传播，而被反射回来。水凝胶材料由于其独特的柔软性及保水功能被广泛用于传感、组织工程等方面。目前，由不同制备方法制得的具有优良力学性能的高强度水凝胶包括双网络水凝胶、纳米复合水凝胶、离子交联水凝胶以及大分子微球复合材料水凝胶等。近年，由软材料制成的光子晶体，如橡胶或凝胶，利用其电学、磁学、化学、热学以及力学等刺激响应特性对颜色进行调控，使其在传感领域获得较大的关注。其中，光子晶体的力致色变原理主要是对材料施加压力，形变使得内部光子晶体在某一方向上的晶面间距减少，从而导致颜色蓝移。然而，在目前技术中获得的光子晶体水凝胶拉伸性能不高，主要表现在光子晶体微球与水凝胶的界面作用较弱。如何在保持光子晶体优异光学特性的前提下，大幅度提高水凝胶的拉伸性能，并且简化制备的过程具有重要的应用价值。因此，目前需要研发一种高强度光子晶体水凝胶材料及其相应的生产工艺。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术中光子晶体水凝胶力学性能不足、界面增强作用力弱、光谱响应灵敏度与反射峰强度之间的矛盾等的缺陷和技术不足，提供了一种高强度光子晶体水凝胶的制备方法。该制备方法在水凝胶聚合过程中，微球里的油溶性单体参与水溶性单体的聚合，形成贯穿油水两相的聚合物网络结构，从而获得微球与基底水凝胶较强的相互作用力，实现高拉伸高强度的良好力学性能。本专利技术的目的在于提供一种高强度光子晶体水凝胶的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供由上述制备方法制得的高强度光子晶体水凝胶，该水凝胶是以光子晶体微球自身既作为交联点、同时兼具结构色和增韧作用的高强度光子晶体水凝胶，完善了目前构筑力致色变光子晶体水凝胶类型单一的现状。本专利技术的另一目的在于提供上述高强度光子晶体水凝胶在微力学传感器、结构色调控及图案化和光学加密防伪领域中的应用。为了实现上述目的，本专利技术是通过以下方案予以实现的：一种高强度光子晶体水凝胶的制备方法，包括如下步骤：S1.将乳化剂加入水中搅拌溶解，加热至60℃后依次加入聚合物单体A和聚合物单体B，继续加热搅拌至80℃时，将引发剂A水溶液缓慢滴加至反应体系中，于75～85℃条件下聚合反应8～15h，得聚合物胶体晶体乳液；S2.将乳化剂加入步骤S1所得聚合物胶体晶体乳液和有机溶剂的混合溶液中搅拌溶解，加热至40℃后加入油溶性单体，于40～60℃条件下均匀搅拌8～20h；将混合溶液置于去离子水中透析，得溶解有未聚合油溶性单体的胶体晶体乳液；S3.将聚合物单体C溶解至步骤S2所得胶体晶体乳液中，加入引发剂B于避光条件下充分搅拌，得光子晶体水凝胶前驱体溶液；将前驱体溶液于光照条件下聚合反应1～6h，即得高强度光子晶体水凝胶；其中，步骤S1中所述聚合物单体A为丙烯酸丁酯，所述聚合物单体B为甲基丙烯酸；步骤S2中所述油溶性单体为丙烯酸酯及其衍生物、甲基丙烯酸酯及其衍生物、苯乙烯及其衍生物和油溶性丙烯酰胺及其衍生物中的一种或几种。本专利技术制备方法在水凝胶聚合过程中，微球里的油溶性单体参与水溶性单体的聚合，形成贯穿油水两相的聚合物网络结构，从而获得微球与基底水凝胶较强的相互作用力，实现高拉伸高强度的良好力学性能。其中，步骤S1中所得聚合物胶体晶体乳液(即聚合物胶体晶体微球)的直径为20～1000nm。本专利技术制备得到的高强度光子晶体水凝胶具有力致色变的光学特性，光谱响应范围宽，灵敏度高，其断裂伸长率可达800％～3000％，杨氏模量0.05～0.3兆帕，可应用于微力学传感器、结构色调控及图案化和光学加密防伪领域。优选地，步骤S2中所述油溶性单体为丙烯酸异辛酯或甲基丙烯酸异辛酯中的至少一种。优选地，步骤S1和S2中所述乳化剂为十二烷基硫酸钠；步骤S1中所述乳化剂的重量份数为0～0.1份，所述水的重量份数为60～150份；步骤S2中所述乳化剂的重量份数为0.01～0.05份。更优选地，步骤S1中所述乳化剂的重量份数为0.015份，所述水的重量份数为85份；步骤S2中所述乳化剂的重量份数为0.025份。优选地，步骤S1中所述聚合物单体A的重量份数为8～15份，所述聚合物单体B的重量份数为0.5～1份。更优选地，步骤S1中所述聚合物单体A的重量份数为10份，所述聚合物单体B的重量份数为0.7份。优选地，步骤S1中所述引发剂A水溶液为5～20％过硫酸铵水溶液，重量份数为1～3份。更优选地，步骤S1中所述引发剂A水溶液为13％过硫酸铵水溶液，重量份数为1.15份。优选地，步骤S2中所述有机溶剂为无水乙醇。优选地，步骤S2中所述聚合物胶体晶体乳液、有机溶剂和油溶性单体的重量份数分别为6～9份、1～4份和0.2～1份。更优选地，步骤S2中所述聚合物胶体晶体乳液、有机溶剂和油溶性单体重量份数分别为8.8份、1.2份和0.7份。优选地，步骤S3中所述聚合物单体C为丙烯酰胺；步骤S3中所述聚合物单体C和胶体晶体乳液的重量份数分别为0.05～0.3份和0.2～0.4份。更优选地，步骤S3中所述聚合物单体C和胶体晶体乳液的重量份数分别为0.2份和0.33份。优选地，步骤S3中所述引发剂B为2-羟基-2-甲基苯丙酮，与聚合物单体C的重量比为(0.5～3)：100。更优选地，步骤S3中所述引发剂B与聚合物单体C的重量比为1：100。优选地，步骤S1中所述聚合反应的温度为80℃，时间为12h；步骤S2中加入油溶性单体后于40℃条件下均匀搅拌12h；步骤S3中所述聚合反应的时间为5h。本专利技术还请求保护由上述制备方法制得的高强度光子晶体水凝胶，所述高强度光子晶体水凝胶是由聚合物胶体晶体微球作为体系交联点形成的，具有优异的光学特性和较好的拉伸能力。因此，上述高强度光子晶体水凝胶在微力学传感器、结构色调控及图案化和光学加密防伪领域中的应用亦在本专利技术保护范围之内。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术制备方法在水凝胶聚合过程中，微球里的油溶性单体参与水溶性单体的聚合，形成贯穿油水两相的聚合物网络结构，从而获得微球与基底水凝胶较强的相互作用力，实现高拉伸高强度的良好力学性能。(2)本专利技术制备方法工艺简单、条件温和可控，能生产出具有优异光学特性、拉伸性能的高强度光子晶体水凝胶材料，适合在高分子材料领域推广应用。(3)本专利技术制备得到的高强度光子晶体水凝胶具有力致色变的光学特性，光谱响应范围宽，灵敏度高，可应用于微力学传感器、结构色调控及图案化和光学加密防伪领域。附图说明图1为本专利技术高强度光子晶体水凝胶的制备过程示意图。图2为高强度光子晶体水凝胶及其它对比组吸水溶胀情况。其中，a为纯聚丙烯酰胺无交联水凝胶；b为丙烯酸异辛酯(油溶性单体)/聚丙烯酰胺水凝胶；c为聚丙烯酸丁酯微球/聚丙烯酰胺水凝胶；d为高强度光子晶体水凝胶：聚丙烯酸丁酯-聚丙烯酸异辛酯/聚丙烯酰胺水凝胶；a’、b’、c’、和d’为相应的吸水溶胀照片。图3为高强度光子晶体水凝胶的力学性能和光学特性结果。其中，a为不同微球(直径为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强度光子晶体水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将乳化剂加入水中搅拌溶解，加热至60℃后依次加入聚合物单体A和聚合物单体B，继续加热搅拌至80℃时，将引发剂A水溶液缓慢滴加至反应体系中，于75～85℃条件下聚合反应8～15h，得聚丙烯酸丁酯胶体晶体乳液；S2.将乳化剂加入步骤S1所得聚合物胶体晶体乳液和有机溶剂的混合溶液中搅拌溶解，加热至40℃后加入油溶性单体，于40～60℃条件下均匀搅拌8～20h；将混合溶液置于去离子水中透析，得溶解有未聚合油溶性单体的胶体晶体乳液；S3.将聚合物单体C溶解至步骤S2所得胶体晶体乳液中，加入引发剂B于避光条件下充分搅拌，得光子晶体水凝胶前驱体溶液；将前驱体溶液于光照条件下聚合反应1～6h，即得高强度光子晶体水凝胶；其中，步骤S1中所述聚合物单体A为丙烯酸丁酯，所述聚合物单体B为甲基丙烯酸；步骤S2中所述油溶性单体为丙烯酸酯及其衍生物、甲基丙烯酸酯及其衍生物、苯乙烯及其衍生物和油溶性丙烯酰胺及其衍生物中的一种或几种。

【技术特征摘要】
1.一种高强度光子晶体水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将乳化剂加入水中搅拌溶解，加热至60℃后依次加入聚合物单体A和聚合物单体B，继续加热搅拌至80℃时，将引发剂A水溶液缓慢滴加至反应体系中，于75～85℃条件下聚合反应8～15h，得聚丙烯酸丁酯胶体晶体乳液；S2.将乳化剂加入步骤S1所得聚合物胶体晶体乳液和有机溶剂的混合溶液中搅拌溶解，加热至40℃后加入油溶性单体，于40～60℃条件下均匀搅拌8～20h；将混合溶液置于去离子水中透析，得溶解有未聚合油溶性单体的胶体晶体乳液；S3.将聚合物单体C溶解至步骤S2所得胶体晶体乳液中，加入引发剂B于避光条件下充分搅拌，得光子晶体水凝胶前驱体溶液；将前驱体溶液于光照条件下聚合反应1～6h，即得高强度光子晶体水凝胶；其中，步骤S1中所述聚合物单体A为丙烯酸丁酯，所述聚合物单体B为甲基丙烯酸；步骤S2中所述油溶性单体为丙烯酸酯及其衍生物、甲基丙烯酸酯及其衍生物、苯乙烯及其衍生物和油溶性丙烯酰胺及其衍生物中的一种或几种。2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1和S2中所述乳化剂为十二烷基硫酸钠；步骤S1中所述乳化剂的重量份数为0～0.1份，所述水的重量份数为60～150份；步骤S2中所述乳化剂的重量份数为0.01～0.05份。3.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈嘉瑶，洪炜，陈旭东，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44