一种光响应性聚合物光纤及其制备方法和应用技术

发明专利技术公开了一种光响应性聚合物光纤及其制备方法和应用，属于光纤通讯与传感领域。所述光响应性聚合物光纤以单轴取向的液晶弹性体作为内层纤芯，以掺杂了光响应基团的液晶弹性体作为外包层，外包层可以感受在内层纤芯中传输的光信号，对特定波长做出体积形变的响应，进而改变整体光路。光路的偏转程度受光纤结构参数、传输光波长及强度影响。该光响应性聚合物光纤可以用于制备自识别移动光纤型光开关，应用于传感、检测、滤波等领域。

A light responsive polymer fiber and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种光响应性聚合物光纤及其制备方法和应用
本专利技术涉及光纤移动型光开关技术，具体涉及一种当传输特定波长光时会发生机械形变的光纤及其制备方法和应用，属于光纤通信与传感领域。
技术介绍
光纤技术为通信行业带来革命性的突破与发展，但通信业务需求的爆炸式增长也对光纤网络的管理与控制技术提出了新的要求。光开关是一种光路转换器件，可以实现光路的切换连接，在光交叉连接系统、光纤传输和测试等领域均有重要应用。光开关的类型依据原理可以分为传统机械光开关、微机械光开关、热光开关、液晶光开关等，依据作用方式主要可分为光纤移动型与光路调制型(利用光学元件：反射镜、棱镜、透镜等)。目前的发展热点主要集中于微电子机械系统，其优点在于体积小、集成度高、低损耗、可处理任意波长信号，但它的响应过程需要经历光信号-电信号-光信号的转换。光路系统中，可以通过掺杂光响应材料、利用光响应性涂层等方式实现直接的光-机械转换，调节光路的位置，多应用于光传感系统。石英光纤的光机械形变受限于无机材料的高模量，形变程度小，偏转角度大部分小于1°。而利用聚合物光纤，尤其是水凝胶或者液晶聚合物等本身具有刺激响应性质的材料，可以将光路的偏转角度提升至20°以上。目前未见将具有光响应性的聚合物光纤直接应用于光开关的研究。相关的报道有RyanC.Hayward等人设计的一种掺杂金纳米粒子的液晶弹性体光纤，但掺杂过程无法精确控制金纳米粒子的分布，其光热效应仅在500-600纳米波段具有敏感性,且掺杂带来的光损耗系数上升也限制了其作为光开关在光传输系统中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有可光调控方向性能且对波长敏感的聚合物光纤及其制备方法。这种光纤的优点在于大的偏转角度，优秀的波长选择性和较低的光损耗，可自识别传输的光信号并做出光路调整，可以用于制备对所传输光信号产生自响应的光纤移动型光开关，应用于光路调节、滤波、光监控等领域。本专利技术提供的具备光响应性能的聚合物光纤是由侧发光型内层纤芯和光响应性外包层组成，所述内层纤芯是通过拉伸使液晶弹性体的基元单轴取向而形成的侧发光型光纤；所述光响应性外包层是含有光响应基团的液晶弹性体，其中的光响应基团在特定响应波段会发生光化学反应(如顺反异构等)，通过液晶的分子间协同作用，使外包层出现宏观的体积形变。所述内层纤芯材料为液晶弹性体。在机械拉伸下，液晶基元发生轴向取向，形成具有良好的光传导性能、透明度高、光损耗率低的侧发光型聚合物光纤。构成内层纤芯的液晶弹性体的拉伸应变为25％～1000％。光纤可识别的传输光波长范围为250～1000纳米。优选的，所述内层纤芯呈圆柱形，直径为5～5000微米。所述光响应性外包层使用与内层纤芯相同的液晶弹性体分子体系，使两者连接紧密、牢固。光响应性外包层可产生大幅度的光刺激形变，形变可逆、可重复，且具有波长选择性。光响应性外包层按设计需求涂布于内层纤芯表面，通常并不将内层纤芯完全包裹，而是涂布在纤芯的部分表面上。优选的，在光纤横截面方向，涂布区域对应圆心角为1～180°，厚度为1～1000微米；在光纤长轴方向，外包层可与内层纤芯等长或仅涂布于特定区域。所述液晶弹性体(LiquidCrystallineElastomers，LCEs)是将液晶基元通过共价键连接到柔性高分子交联网络中得到的，兼具液晶分子的电光学性质和橡胶的弹性性质，具有玻璃化转变温度低于室温，弹性模量范围在0.1～10MPa，能发生刺激响应形变等特点。常见的液晶基元包括但不限于苯、联苯、芳香酯、芳族聚酰胺、苯基席夫碱及其衍生物等类别，其分子结构如下：其中，R1分子结构为m为0-10的整数，M为H或C1-C6的烷基；R2包括但不限于同R1结构的基团、H、羟基(OH)、C1-C6的烷基、氰基(CN)、硝基(NO2)、氨基(NH2)、卤素原子。当R2与R1结构相同时，液晶基元两端均通过共价键连入高分子体系中，作为交联剂；当R2为其他端基时，液晶基元在高分子体系中以侧基形式存在。所述的柔性高分子体系中应存在可以与R1和/或R2中的双键反应的基团，包括但不限于硅氢键、硫基、胺基等。液体弹性体的交联密度为2％～50％，提高交联比例会影响液体弹性体的如玻璃化转变温度、模量等性质，进而影响光纤的光机械响应幅度。典型的液晶弹性体包括但不限于硅氧烷体系、硫醇-双键体系、伯胺-双键体系的液晶弹性体。光响应性外包层中的光响应基团可以通过共价键连接于液晶弹性体网络(包括侧基或交联剂)，也可以以小分子形式均匀分散于液晶弹性体网格中。所述光响应基团包括但不限于含有偶氮苯、偶氮吡啶、偶氮二苯乙炔、查尔酮、肉桂酸酯等结构的基团及其衍生物，分子结构通式如下所示：R3、R4代表端基及其与光响应基团相连的分子链结构。其中，所述分子链包括但不限于碳链、烷氧链、酯链、碳氮链、酰胺链；所述端基包括但不限于H、OH、C1-C6的烷基、CN、NO2、NH2、卤素原子、碳碳双键、硫基。当R3、R4的端基均为可与液晶弹性体网络形成共价键的结构(如碳碳双键)时，光响应基团以交联剂的形式存在；当R3、R4其中之一的端基为可与液晶弹性体网络形成共价键的结构(如碳碳双键)时，光响应基团以侧基形式存在；当R3、R4的端基均不可与液晶弹性体网络形成共价键时，光响应基团以小分子形式分散于液晶弹性体的交联网络中。这些光响应基团具有不同的吸收光谱，通过选择合适的光响应基团可以改变光纤的响应波长以满足各类需求。本专利技术提供的光响应性聚合物光纤可光调控方向且对波长敏感，其制备方法包括如下步骤：1)配制反应形成液晶弹性体预聚物的前驱体混合物(包含光引发剂)，并将其灌入圆柱型模具中，在一定条件下静置，形成预聚物后取出为内层纤芯材料；2)配制含光响应基团的液晶弹性体预聚物的前驱体混合物(包含光引发剂)，并将其按设计要求涂布于步骤1)获得的内层纤芯材料表面，在一定条件下静置形成预聚物；3)将步骤2)得到的液晶弹性体预聚物整体拉伸一定长度，利用特定波长的光照射引发交联反应，形成液晶弹性体，得到如上所述具有光响应性能的聚合物光纤。步骤1)和步骤2)中所述液晶弹性体优选硅氧烷体系、硫醇-双键体系、伯胺-双键体系的液晶弹性体，形成这些液体弹性体预聚物的前驱体混合物包括液晶基元、扩链剂、交联剂，它们的典型结构如下：(1)硅氧烷体系：(2)硫醇-双键体系：(3)伯胺-双键体系：其中，R5为H、C1-C6的烷基；R6包括但不限于H、OH、C1-C6的烷基、CN、NO2、NH2、卤素原子；n1,n2为0-10的整数。步骤1)中使用的圆柱型模具的内径优选在5～5000微米，对应光纤内层纤芯直径。步骤2)中外包层的厚度在1～1000微米，可以通过调整含光响应基团的掺杂浓度、外包层厚度及形态准确控制通光条件下光纤的弯曲角度大小。步骤3)中光纤的拉伸应变为25％～1000％，拉伸长度越长，液晶基元的取向程度越高，光纤的损耗率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备光响应性能的聚合物光纤，由侧发光型内层纤芯和光响应性外包层组成，所述内层纤芯是通过拉伸使液晶弹性体的基元单轴取向而形成的侧发光型光纤；所述光响应性外包层是含有光响应基团的液晶弹性体，其中的光响应基团在特定响应波段会发生光化学反应，通过液晶的分子间协同作用，使外包层出现宏观的体积形变。/n

【技术特征摘要】
1.一种具备光响应性能的聚合物光纤，由侧发光型内层纤芯和光响应性外包层组成，所述内层纤芯是通过拉伸使液晶弹性体的基元单轴取向而形成的侧发光型光纤；所述光响应性外包层是含有光响应基团的液晶弹性体，其中的光响应基团在特定响应波段会发生光化学反应，通过液晶的分子间协同作用，使外包层出现宏观的体积形变。


2.如权利要求1所述的聚合物光纤，其特征在于，所述内层纤芯由拉伸应变为25％～1000％的液晶弹性体构成，光纤可识别的传输光波长范围为250～1000纳米。


3.如权利要求1所述的聚合物光纤，其特征在于，所述内层纤芯为圆柱形，直径为5～5000微米。


4.如权利要求1所述的聚合物光纤，其特征在于，所述光响应性外包层涂布在内层纤芯的部分表面上，在光纤横截面方向，涂布区域对应圆心角为1～180°，厚度为1～1000微米；在光纤长轴方向，光响应性外包层可与内层纤芯等长或仅涂布于特定区域。


5.如权利要求1所述的聚合物光纤，其特征在于，所述光响应外包层采用与内层纤芯相同的液晶弹性体分子体系，光响应基团通过共价键连接于液晶弹性体网络，或者以小分子形式均匀分散于液晶弹性体网格中。


6.如权利要求1所述的聚合物光纤，其特征在于，所述液晶弹性体是将液晶基元通过共价键连接到柔性高分子交联网络中得到的弹性体，其玻璃化转变温度低于室温，弹性模量范围在0.1～10Mpa。


7.如权利要求1所述的聚合物光纤，其特征在于，所述液晶基元选自下列所示分子结构中的一种或多种：



其中，R1为m为0-10的整数，M为H或C1-C6的烷基；R2为同R1结构的基团、H、羟基、C1-C6的烷基、氰基、硝基、氨基或卤素原子。


8.如权利要求1所述的聚合物光纤，其特征在于，所述光响应基团选自下列分子结构的基团中的一种或多种：



R3、R4代...

【专利技术属性】
技术研发人员：于海峰，马树灯，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11