一种大面积快速制备拉伸变色光子晶体水凝胶双层膜的方法与流程

本发明涉及一种大面积快速制备拉伸变色光子晶体水凝胶双层膜的方法，属于纳米复合材料领域。

背景技术：

由于光子晶体水凝胶周期有序结构，其具有独特的光学特性，在光学传感器件，防伪，伪装等方面具有诸多应用，引起了研究学者越来越多的关注。但是目前大多数的研究多局限于对温度，ph，溶剂等的刺激响应，而基于负载力改变引起的颜色变化鲜有报道，减少了光子晶体水凝胶在机械传感器方面的应用。目前已报道的机械力响应的方法主要基于各向同性胶体晶体阵列，但是存在的问题有：要么不可恢复，要么不可以大面积制备，要么制备方法周期长，过程繁琐，要么就是可调节波长较窄，变化范围小，限制了其应用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上技术中的不足，提出了一种大面积快速制备拉伸变色光子晶体水凝胶双层膜的方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种大面积快速制备拉伸变色光子晶体水凝胶双层膜的方法，具体步骤如下：

步骤一、在由苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乳液聚合制备的高浓度(50wt％)复合微球中加入丙烯酰胺、光引发剂和n，n-亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀后注入到玻璃板中，紫外光引发形成具有厚度的光子晶体水凝胶单层膜；

步骤二、将水、交联剂、单体和引发剂，或者将水、交联剂、单体、催化剂和引发剂混合均匀；然后在单层膜的一侧，在紫外光引发或室温静置的条件下形成可拉伸变色的光子晶体水凝胶双层膜。所述无机纳米粒子和水的质量比为1：100～15：100中任一值。

步骤一所述单层膜中丙烯酰胺和复合微球的质量比为3：100～10：100；n，n-亚甲基双丙烯酰胺和复合微球的质量比为0.1：100～0.5：100。

步骤一所述单层膜厚度为0.05～0.15mm。

步骤二所述单体为丙烯酰胺、丙烯酸酯类或丙烯酰胺和丙烯酸酯类。

所述丙烯酸酯类包括：n-异丙基丙烯酰胺，n-羟甲基丙烯酰胺，n,n-二甲基丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺，丙烯酸，甲基丙烯酸中的任一种或多种混合物，所述丙烯酰胺或丙烯酸酯类浓度为2mol/l～5mol/l。

步骤二所述交联剂为无机纳米粒子。

所述无机纳米粒子包括：粘土、二氧化钛、氧化铝、氧化锌或者氧化锆中的任一种或多种的混合物。

使用紫外光引发时，采用的引发剂包括：2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2-甲基-1-[4-甲硫基苯基]-2-吗琳基-1-丙酮或2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮中任一种；在室温静置的条件下引发时，采用的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵和氧化二苯甲酰中的任一种。

使用紫外光引发时，所述引发剂浓度为0.2～3g/l，聚合时间为30～120min；在室温静置的条件下引发时，所述引发剂浓度为1g/l，聚合时间大于等于30分钟。

步骤二所述催化剂为n,n,n',n'-四甲基乙二胺、三乙醇胺或硫代硫酸钠中的任一种，浓度为0.8ml/l。

有益效果

(1)拉伸变色的光子晶体水凝胶双层膜制备方法简单，可在2h内完成制备，并且可在大玻璃板上大面积制备，便于推广和应用。

(2)双层膜承受的最大应力为280kpa，断裂伸长率为166％，比单层膜力学性能优异。

(3)在57％的形变量范围内，双层膜可以从红色变化到蓝色，可见光波长从656nm变化到451nm，基本覆盖了整个可见光波长范围，调节波长范围较宽。

附图说明

图1是

本技术：
实施例1中在20×20cm玻璃板间大面积制备光子晶体水凝胶双层膜的聚合前实物图；

图2是本申请实施例1中制备的单层膜和双层膜对比拉伸应力应变图；

图3本申请实施例1中制备的双层膜拉伸过程反射光谱图；

图4是本申请实施例1中制备的双层膜循环拉伸过程中应力应变图和反射光谱图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

本申请的一种大面积快速制备拉伸变色光子晶体水凝胶双层膜制备方法，具体包括以下步骤：

(1)8g苯乙烯、1g甲基丙烯酸甲酯和1g丙烯酸通过乳液聚合制备高浓度(50wt％)复合微球，再将0.25g丙烯酰胺和0.015gn，n-亚甲基双丙烯酰胺加入到装有5g高浓度复合微球(50wt％)的离心管中，混合均匀后注入到两块夹有0.06mm厚橡胶垫片的20×20cm的玻璃板中，紫外光引发聚合30min，得到光子晶体水凝胶单层膜。

(2)将10.0g质量分数为15％的二氧化锆溶胶，0.32g丙烯酸，4.0gn,n-二甲基丙烯酰胺加入到装有6.5g超纯水的50ml反应瓶中，磁力搅拌下通氮气20min，加入0.045g2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮，将氮气通入液面以上继续通氮气搅拌15min，得到二氧化锆纳米复合水凝胶预聚液。

(3)将得到的光子晶体水凝胶单层膜紧紧夹在夹有0.5mm厚橡胶垫片的两块20×20cm玻璃板之间，再将二氧化锆纳米复合水凝胶预聚液从一侧加入进去，如图1所示，紫外光引发聚合40min，得到光子晶体水凝胶双层膜。

对实施例1中制备的光子晶体水凝胶单层膜和双层膜的机械性能用电子万能材料试验机进行拉伸测试，拉伸速度为10mm/min，如图2所示：该单层膜承受的最大应力为75kpa，断裂伸长率为50％，该双层膜承受的最大应力为280kpa，断裂伸长率为166％，通过对比看出双层膜优异的力学性能。

对实施例1中制备的光子晶体水凝胶双层膜的光学性质，用光纤光谱仪下测其反射光谱，如图3所示。光子晶体水凝胶双层膜可以从红色变化到蓝色，且在57％的形变量范围内，可见光波长从656nm变化到451nm，基本覆盖了整个可见光波长范围，这在单层膜中是不曾出现的。

对实施例1中制备的光子晶体水凝胶双层膜，用万能材料试验机进行五次循环拉伸测试，用光纤光谱仪下进行对应反射波长测试，如图4所示。在循环拉伸过程中，双层膜可见光波长在656nm和451nm之间重复变化，有很好的可恢复性和可重复性。

以上对本发明所提供的一种大面积快速制备拉伸变色光子晶体水凝胶双层膜的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式，及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种大面积快速制备拉伸变色光子晶体水凝胶双层膜的方法，属于纳米复合材料领域。方法为在苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸乳液聚合制备的50wt％高浓度复合微球中加入丙烯酰胺，光引发剂和N，N‑亚甲基双丙烯酰胺，混合均匀注入到玻璃板中，紫外光引发形成光子晶体水凝胶单层膜；再以水为溶剂，无机纳米粒子为交联剂，丙烯酰胺和/或丙烯酸酯类为单体，加入催化剂和/或引发剂，混合均匀灌入到光子晶体水凝胶膜中，紫外光引发或室温静置的条件形成可拉伸变色的光子晶体水凝胶双层膜。该双层膜可快速拉伸变色，且方法简单，能大面积制备，其力学性能优异，可多次重复使用。在防伪，光学机械传感器件以及仿生皮肤等方面有很好的应用前景。

技术研发人员：李欢军;夏艳鸿;范丽霞;姜浩洋;李飞波
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2017.06.26
技术公布日：2017.10.10