一种变色光子水凝胶材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种变色光子水凝胶材料及其制备方法，变色光子水凝胶材料由以下方法制得：（1）将Fe3O4@C纳米粒子溶于乙二醇中，并加入丙烯酰胺、N

【技术实现步骤摘要】
一种变色光子水凝胶材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光子水凝胶领域，具体涉及一种随环境变色的多重响应的光子水凝胶及其制备方法。

技术介绍

[0002]响应性光子晶体由于在传感器、显示、安全系统等领域具有很广的应用前景吸引了广大科研工作者的兴趣。它的结构色可以通过光、温度、机械应力、电场、磁场、溶剂、蒸汽、生物分子等刺激调控。
[0003]然而，目前响应光子晶体器件大部分是三明治结构，即纳米粒子首先溶于某一种溶剂中，分散均匀后将其封装到三明治结构中，然后在外界的刺激下形成了周期性排布即胶体晶体阵列。这种器件稳定性差且结构色不能长久保存。这是由于悬浮液中的纳米粒子随着时间的推移会自然沉积，导致溶液分散性变差，从而引起结构色的退化。于是通过制备水凝胶使结构色更加稳定是非常有意义的，并且光子水凝胶还可以集成更多的响应，克服悬浮液难包装等问题。然而，大部分的光子水凝胶一般通过聚合单体将纳米粒子形成的胶体晶体阵列固定下来，故只能实现获得单一刺激的响应变色效果，应用场景受到了局限。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种变色光子水凝胶材料及其制备方法，用以解决目前现有光子水凝胶无法实现多维度相应变色效果的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种变色光子水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将Fe3O4@C纳米粒子溶于乙二醇中，并加入丙烯酰胺、N
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异丙基丙烯酰胺、交联剂和光引发剂，混合后得到混合溶液；所述Fe3O4@C纳米粒子为表面包覆有C的Fe3O4纳米颗粒；（2）将所述混合溶液形成液体薄膜，并加载外磁场，使所述液体薄膜中的纳米粒子呈规律性排布；（3）对所述液体薄膜使用UV光聚合即得所述变色光子水凝胶材料。
[0006]上述技术方案的设计思路在于，首先将纳米粒子和聚合单体、光引发剂、交联剂等原料溶于溶剂中，分散均匀后将其封装到三明治结构中形成液体薄膜，纳米粒子为表面包覆有C的Fe3O4，此时的纳米粒子的分布是混乱的，然后在外界的刺激（外磁场）下形成了具有一定规律的周期性排布，并通过光聚合反应形成其内固定有胶体晶体阵列的水凝胶材料，在磁场作用下，纳米粒子受静电力和范德华力等的作用，呈三维阵列结构；根据布拉格衍射方程，由于收到刺激的条件不同，水凝胶内部纳米粒子之间的间距发生改变，可以反射/散射不同颜色的光线，从而显示不同颜色的效果，实现对温度、湿度、压力、张力等多种刺激响应；同时，N
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异丙基丙烯酰胺可以使制备的水凝胶结构色饱和度更高，颜色均匀度更好的效果。
[0007]作为上述技术方案的进一步优选，步骤（1）中所述Fe3O4@C纳米粒子与丙烯酰胺、N
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异丙基丙烯酰胺、交联剂和光引发剂之间的质量比为（8~10）:（200~300）: （200~300）:（5~9）:（4~6）。
[0008]作为上述技术方案的进一步优选，步骤（1）中所述交联剂为N,N
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亚甲基双丙烯酰胺。
[0009]作为上述技术方案的进一步优选，步骤（1）中所述光引发剂为二羟基二甲基苯丙酮。
[0010]作为上述技术方案的进一步优选，步骤（1）中所述混合操作采用超声混合，功率100~330W，时间20~60min。
[0011]作为上述技术方案的进一步优选，步骤（2）中所述外磁场的强度为0.1~0.5T。
[0012]作为上述技术方案的进一步优选，所述Fe3O4@C纳米粒子中C在Fe3O4纳米颗粒表面的包覆厚度为20~30nm。
[0013]作为上述技术方案的进一步优选，所述Fe3O4@C纳米粒子采用溶剂热法制得，包括以下操作：将二茂铁加入到丙酮中，经过搅拌、超声之后，缓慢加入H2O2，再次超声、搅拌，并封装到反应器中，在200 ℃下反应24 h；反应完成后，分离固体即得所述Fe3O4@C纳米粒子。
[0014]作为上述技术方案的进一步优选，所述Fe3O4@C纳米粒子的制备过程中，将二茂铁加入到丙酮后，搅拌时间为2h，超声时间为40min；加入H2O2后，超声时间为40min，搅拌时间为2h。
[0015]作为上述技术方案的进一步优选，二茂铁与H2O2的添加比例为1g：5mL。
[0016]基于统一技术构思，本专利技术还提供一种变色光子水凝胶材料，该变色光子水凝胶材料由上述技术方案的制备方法制得。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：（1）本专利技术的变色光子水凝胶材料能够对温度、湿度、压力、拉力和乙醇等多种刺激响应，实现随环境条件变化而变化的多功能、多颜色的响应效果，解决了现有的光子水凝胶只能单一变色的缺陷，扩宽了光子水凝胶材料的应用领域和使用场景，使其可以广泛的应用于显色器件以及各类传感器件中。
[0018]（2）本专利技术的变色光子水凝胶材料的制备方法，工艺简单，条件温和，生产制备成本低，适于大规模产业化生产。
附图说明
[0019]图1为实施例1的变色光子水凝胶材料的在压力作用下的变色机理；图2为实施例1的变色光子水凝胶材料的在拉力作用下的变色机理。
具体实施方式
[0020]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0021]实施例1：本实施例的变色光子水凝胶材料，通过以下步骤制备得到：（1）Fe3O4@C纳米粒子的制备。
[0022]Fe3O4@C纳米粒子为表面包覆有C的Fe3O4纳米颗粒，C在Fe3O4纳米颗粒表面的包覆
厚度为25nm，Fe3O4@C纳米粒子通过溶剂热法制备得到：将0.3 g 的二茂铁加入到30 ml的丙酮中，搅拌2 h，并超声100W/40 min之后，缓慢加入1.5 mlH2O2，再次超声100W/40 min，并搅拌2 h，得到纳米粒子溶液。将纳米粒子溶液封装到50 ml聚四氟乙烯反应釜中，然后在200 ℃下反应24 h，反应完成之后，借助磁铁将磁性物质吸出，用乙醇清洗三遍后即得Fe3O4@C 纳米粒子。
[0023]（2）变色光子水凝胶材料的制备。
[0024]变色光子水凝胶材料由原位聚合制备得到：将0.008 g的Fe3O4@C纳米粒子通过强烈超声330W/40min溶于乙二醇，随后加入0.25 g的丙烯酰胺，0.25 g的N
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异丙基丙烯酰胺，0.007 g 的N,N
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亚甲基双丙烯酰胺（交联剂）和0.005 g的二羟基二甲基苯丙酮（光引发剂），强烈超声330W/40min形成混合溶液；将混合溶液注入到两块载玻片之间形成液体薄膜，通过控制夹层的厚度来控制液体薄膜的厚度，对液体薄膜施加外磁场（强度为0.2 T），使得液体薄膜中的磁性纳米粒子呈现出规则性排布，然后保持外磁场不变，通过UV光聚合即可得到变色光子水凝胶材料。
[0025]对本实施例的变色光子水凝胶材料进行外界响应测试：对本实施例的变色光子水凝胶材料施加一个外在的压力，随着外界压力从0N增加到0.05N、0.1N、0.2N本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变色光子水凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将Fe3O4@C纳米粒子溶于乙二醇中，并加入丙烯酰胺、N
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异丙基丙烯酰胺、交联剂和光引发剂，混合后得到混合溶液；所述Fe3O4@C纳米粒子为表面包覆有C的Fe3O4纳米颗粒；（2）将所述混合溶液形成液体薄膜，并加载外磁场，使所述液体薄膜中的纳米粒子呈规律性排布；（3）对所述液体薄膜使用UV光聚合即得所述变色光子水凝胶材料。2.根据权利要求1所述的变色光子水凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述Fe3O4@C纳米粒子与丙烯酰胺、N
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异丙基丙烯酰胺、交联剂和光引发剂之间的质量比为（6~10）:（200~300）: （200~300）:（5~9）:（4~6）。3.根据权利要求1所述的变色光子水凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述交联剂为N,N
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亚甲基双丙烯酰胺。4.根据权利要求1所述的变色光子水凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述光引发剂为二羟基二甲基苯丙酮。5.根据权利要求1所述的变色光子水凝胶材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述混合操作采用超声功率调节1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈煌，冯学斌，马思，黄明富，喻雄，刘洁，王靖，甄波，李诚亮，付国良，黄逸舟，
申请(专利权)人：株洲时代新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：