一种温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备及其固定化方法技术

本发明专利技术具体涉及一种温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备及其固定化方法。该温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备方法利用纳米水凝胶光子晶体对温度的响应性，采用温度触发的溶胶‑凝胶化过程，在不破坏温度响应性纳米水凝胶光子晶体高度有序的晶体结构前提下，将该光子晶体结构固定于原位生成的宏观水凝胶中，具体步骤为：先制备PNIPAm纳米水凝胶，再制备透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶，最后制备纳米水凝胶光子晶体；其固定化方法为：将纳米水凝胶光子晶体从室温缓慢升至其临界相转变温度以上，得到晶体结构被固定的不可流动的纳米水凝胶光子晶体。本发明专利技术采用的方法工艺简单，绿色环保，不使用额外的化学交联剂，且具有可逆性。

【技术实现步骤摘要】
一种温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备及其固定化方法
本专利技术属于纳米水凝胶光子晶体及其制备领域，具体涉及一种温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备及其固定化方法。
技术介绍
光子晶体是一种由两种或者两种以上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有序结构的材料，并展现靓丽的结构色。具有单分散性的刺激响应性纳米水凝胶可以在一定条件下自组装为具有类似晶体结构的高度有序结构，称之为“纳米水凝胶光子晶体”。目前，用于构筑该种光子晶体的响应性纳米水凝胶大多由具有温度响应性的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）纳米水凝胶组成。这类具有温度响应性的PNIPAm型纳米水凝胶在其临界相转变温度附近会发生一个明显的体积转变过程，从而会破坏该光子晶体的高度有序结构导致光子晶体和结构色的消失。例如，Hu等人制备PNIPAm型纳米水凝胶光子晶体，其在PNIPAm的相变温度以上即变得浑浊，失去光子晶体恶无法形成稳定的有序结构（Adv.Mater.2004,16,4,305-309）。此外，由于响应性纳米水凝胶光子晶体的晶体结构非常脆弱，极易受到外界的微小扰动而失去其高度有序的晶体结构。目前将纳米水凝胶光子晶体结构固定化的方法是通过将纳米水凝胶光子晶体嵌入不可流动的宏观水凝胶基质中，或是利用纳米水凝胶光子晶体表面的部分官能团发生聚合反应，将其化学交联。例如Zhang等人将表面带有可聚合的乙烯基团的PNIPAm型纳米水凝胶自组装光子晶体随后利用光引发表面乙烯基发生聚合反应，从而有序结构被表面键合的乙烯基的光引发自由基聚合固定。（Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,9961-9965）。此外，Joshi等人将PNIPAm型光子晶体嵌入丙烯酰胺预聚液内，并引发丙烯酰胺的聚合反应，将光子晶体锁定在新生成的聚丙烯酰胺水凝胶基质内（Colloid.SurfacesA,2018,558,600-607）。然而，这些方法的制备条件苛刻且复杂，将光子晶体固定化的过程中容易导致其结构无序度的增加，且这些固定化过程属于化学交联，不具备可逆性，并且可能会引入有毒试剂。因此，开发一种绿色环保、制备过程简单并且将纳米水凝胶光子晶体固定化的方法具有深远意义。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备及其固定化方法，该专利技术采用的合成工艺简单易行、绿色环保且具有可逆性；对于温度响应性PNIPAm纳米水凝胶，其在一定条件下，在相转变温度以上时，可以发生溶胶-凝胶化过程，即纳米水凝胶由可流动的溶液状态转为不可流动的宏观水凝胶状态。而这一过程是可逆的，当温度降至其相转变温度以下时，该纳米水凝胶可恢复为可流动的溶液状态。基于此，专利技术一种不使用额外的化学交联剂仅利用温度触发的溶胶-凝胶化过程使纳米水凝胶光子晶体有序结构稳定存在的固定化方法，至今未有报道。为达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备方法，包括如下步骤：（1）制备PNIPAm纳米水凝胶：先将单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺、乳化剂十二烷基硫酸钠溶于去离子水，然后加入引发剂过硫酸铵进行反应，反应后透析得到PNIPAm纳米水凝胶；（2）制备透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶：先用去离子水稀释PNIPAm纳米水凝胶，再加入交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺混合均匀，然后室温下加入丙烯酸单体、引发剂过硫酸铵和催化剂焦亚硫酸钠进行反应，然后加入碱液中止反应，反应后进行透析，得到透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶；（3）制备纳米水凝胶光子晶体：先将PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶浓缩至浓度为2.6wt%~6wt%的分散液，然后将其放置在15℃~25℃环境中，使其自组装为纳米水凝胶光子晶体。进一步地，上述温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备方法，具体步骤如下：（1）制备PNIPAm纳米水凝胶：先将单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺、乳化剂十二烷基硫酸钠溶于去离子水，在氮气氛围下，升温至60~80℃，保温30~50min，然后加入引发剂过硫酸铵，继续反应，得到聚N-异丙基丙烯酰胺，再进行透析，得到PNIPAm纳米水凝胶；（2）制备透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶：取步骤（1）中的PNIPAm纳米水凝胶，用去离子水稀释，加入交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺，在氮气条件下磁力搅拌15~40min，室温下加入丙烯酸单体，加入引发剂过硫酸铵及催化剂焦亚硫酸钠，持续反应15~60min，加入NaOH水溶液中止反应，得到具有互穿网络结构的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶，再进行透析，得到透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶；（3）制备纳米水凝胶光子晶体：取步骤（2）中PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶放置在烘箱内，并浓缩至浓度为2.6wt%~6wt%的分散液，随后将其放置15℃~25℃低温培养箱中，使其自组装为纳米水凝胶光子晶体。进一步地，上述步骤（1）中，交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺为单体N-异丙基丙烯酰胺质量的0.5%~3%，乳化剂十二烷基硫酸钠为单体N-异丙基丙烯酰胺质量的1%~6%，引发剂过硫酸铵为单体N-异丙基丙烯酰胺质量的2%~5%。进一步地，上述步骤（2）中，丙烯酸单体为PNIPAm纳米水凝胶质量的1%~10%，交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺为丙烯酸单体质量的15%~25%，引发剂过硫酸铵为丙烯酸单体质量的2%~8%，催化剂焦亚硫酸钠为丙烯酸单体质量的2%~8%。进一步地，上述步骤（1）和步骤（2）中，透析的具体条件均为采用超纯水浸泡3~7天，每天换3次水，透析所用透析袋的截留分子量为8000~14000。一种温度响应性纳米水凝胶光子晶体的固定化方法，将上述的纳米水凝胶光子晶体从室温缓慢升至临界其相转变温度以上，得到晶体结构被固定的不可流动的纳米水凝胶光子晶体。进一步地，上述的温度响应性纳米水凝胶光子晶体的固定化方法，将纳米水凝胶光子晶体放置培养箱内，将培养箱温度缓慢升至其相转变温度以上，得到晶体结构被固定的不可流动的纳米水凝胶光子晶体。进一步地，上述临界相转变温度以上为32℃~40℃。本专利技术的原理是：本专利技术利用以N-异丙基丙烯酰胺（NIPAm）为单体，首先制备了温度响应性聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）纳米水凝胶，并以其为模板，原位引入丙烯酸（AA）单体并引发聚合，制备得到具有温度响应性的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶。在一定条件下，该互穿纳米水凝胶自组装为具有靓丽结构色的纳米水凝胶光子晶体，并通过温度触发的原位溶胶-凝胶化过程，成功将该温度响应性纳米水凝胶光子晶体固定化。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术采用的方法工艺简单，绿色环保，不使用额外的化学交联剂，仅利用温度触发的溶胶-凝胶化过程使纳米水凝胶光子晶体有序结构稳定存在，且该光子晶体的这种固定化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n（1）制备PNIPAm纳米水凝胶：先将单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺、乳化剂十二烷基硫酸钠溶于去离子水，然后加入引发剂过硫酸铵进行反应，反应后透析得到PNIPAm纳米水凝胶；/n（2）制备透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶：先用去离子水稀释PNIPAm纳米水凝胶，再加入交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺混合均匀，然后室温下加入丙烯酸单体、引发剂过硫酸铵和催化剂焦亚硫酸钠进行反应，然后加入碱液中止反应，反应后进行透析，得到透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶；/n（3）制备纳米水凝胶光子晶体：先将PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶浓缩至浓度为2.6wt%~6wt%的分散液，然后将其放置在15℃~25℃环境中，使其自组装为纳米水凝胶光子晶体。/n

【技术特征摘要】
1.一种温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备PNIPAm纳米水凝胶：先将单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺、乳化剂十二烷基硫酸钠溶于去离子水，然后加入引发剂过硫酸铵进行反应，反应后透析得到PNIPAm纳米水凝胶；
（2）制备透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶：先用去离子水稀释PNIPAm纳米水凝胶，再加入交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺混合均匀，然后室温下加入丙烯酸单体、引发剂过硫酸铵和催化剂焦亚硫酸钠进行反应，然后加入碱液中止反应，反应后进行透析，得到透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶；
（3）制备纳米水凝胶光子晶体：先将PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶浓缩至浓度为2.6wt%~6wt%的分散液，然后将其放置在15℃~25℃环境中，使其自组装为纳米水凝胶光子晶体。


2.根据权利要求1所述温度响应性纳米水凝胶光子晶体的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）制备PNIPAm纳米水凝胶：先将单体N-异丙基丙烯酰胺、交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺、乳化剂十二烷基硫酸钠溶于去离子水，在氮气氛围下，升温至60~80℃，保温30~50min，然后加入引发剂过硫酸铵，继续反应，得到聚N-异丙基丙烯酰胺，再进行透析，得到PNIPAm纳米水凝胶；
（2）制备透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶：取步骤（1）中的PNIPAm纳米水凝胶，用去离子水稀释，加入交联剂N,N'-甲叉双丙烯酰胺，在氮气条件下磁力搅拌15~40min，室温下加入丙烯酸单体，加入引发剂过硫酸铵及催化剂焦亚硫酸钠，持续反应15~60min，加入NaOH水溶液中止反应，得到具有互穿网络结构的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶，再进行透析，得到透析纯化后的PNIPAm/PAA互穿纳米水凝胶；
（3）制备纳米水凝胶光子...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁希华，李晓晓，李雪婷，
申请(专利权)人：安徽美科迪智能微胶囊科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34