Pdms-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜的制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)微機電系統(tǒng)和聚合物光學(xué)材料領(lǐng)域，特別涉及一種PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜的制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]磁流變彈性體(Magnetorheological Elastomer, MRE)是應(yīng)用前景廣闊的智能型功能材料，一般由非磁性彈性聚合物基體和懸浮其中的微米尺寸磁性粒子構(gòu)成，其機械性能和電學(xué)性能可以通過施加外磁場控制。MRE具有一些特殊功能，如磁致彈性、磁致電阻、磁致伸縮、壓電電阻、熱阻等，因而在傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用方面極具潛力。到目前為止，MRE的研宄和應(yīng)用多集中于大尺寸材料，關(guān)于微尺度MRE光學(xué)性能的探索極少。
[0003]聚合物材料聚二甲娃氧燒(Polydimethylsiloxane, PDMS)是物理和化學(xué)性能穩(wěn)定的娃橡膠彈性體，具備MRE基體所要求的性能。由于其光學(xué)透明度高，PDMS被用于制作一些光學(xué)器件，如透鏡。此外，PDMS的輪廓精度可達1nm以下，因而在微/納米技術(shù)領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用，常見的應(yīng)用包括微流體系統(tǒng)、微光學(xué)系統(tǒng)以及微機械力學(xué)和化學(xué)傳感器。PDMS-磁性納米粒子復(fù)合薄膜既具有MRE特性，又可用作光學(xué)材料。研宄結(jié)果表明，通過施加外磁場可以調(diào)節(jié)這種薄膜的光學(xué)透過率，這預(yù)示MRE的應(yīng)用可以拓展到光學(xué)微機電系統(tǒng)(Optical Microelectromechanical Systems)，為光學(xué)微機電系統(tǒng)設(shè)計提供新的視角和思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜的制備方法。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供上述的基于PDMS-磁性納米粒子復(fù)合材料的光學(xué)薄膜的應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]一種PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0008]A:PDMS_磁性納米粒子混合溶液的制備:
[0009]I)將PDMS預(yù)聚物和固化劑(DowCorning Sylgard 184)按10:1的重量比混合，攪拌均勻后將混合物放入40KHz超聲波振蕩儀中振蕩5分鐘去泡，同時促進其進一步充分混合；
[0010]2)將步驟I)所得混合物與三氯甲烷按重量比1:1混合，形成混合溶液，攪拌均勻后放入40KHz超聲波振蕩儀中振蕩10分鐘，用以去除氣泡，并使各成分均勻混合；
[0011]3)將磁性納米粒子與步驟2)所得溶液按適當(dāng)重量比混合，用玻璃棒均勻攪拌2分鐘，然后放入40KHz超聲波振蕩儀中振蕩30分鐘，充分混合和完全清除氣泡后，即得到PDMS-磁性納米粒子混合溶液；
[0012]B:PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜的制備:
[0013]4)將石英片(8X8Xlmm)放入丙酮中，用超聲波清洗儀清洗2分鐘，取出后置于烘干儀上烘干，烘烤溫度為10°c ;
[0014]5)使用旋涂技術(shù)將步驟3)獲得的PDMS-磁性納米粒子混合溶液均勻地涂在經(jīng)步驟4)處理后的石英片上，獲得PDMS-磁性納米粒子復(fù)合材料涂膜，涂膜厚度可以通過改變旋涂參數(shù)(轉(zhuǎn)速、時間等)進行調(diào)節(jié)；
[0015]6)將步驟5)獲得的PDMS-磁性納米粒子復(fù)合材料涂膜置于500mT強磁場中5分鐘，在強磁場作用下磁性納米粒子沿磁場方向重新排列，形成各向異性的纖維狀微結(jié)構(gòu)；
[0016]7)將經(jīng)步驟6)處理后的涂膜從磁場中取出，在室溫、標準大氣壓的環(huán)境條件下，置于烘干機上烘烤(烘烤溫度150°C，時間30分鐘)，涂膜完全固化后即得到各向異性PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜。把步驟5)獲得的涂膜直接實施步驟7)獲得各向同性PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜。
[0017]一種PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜由上述制備方法獲得，這種薄膜具有如下特點及應(yīng)用:
[0018]在磁場作用下各向異性和各向同性PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜的光學(xué)透過率發(fā)生變化，因此可以通過外磁場調(diào)節(jié)薄膜的光學(xué)透過率。這種薄膜可用于光學(xué)微機電系統(tǒng)。
[0019]本發(fā)明做了如下的方法改進:
[0020]通過選擇適當(dāng)?shù)拇判约{米粒子材料和尺寸提高薄膜光學(xué)透過率的可調(diào)節(jié)性，增大調(diào)節(jié)范圍；研宄外磁場的磁感應(yīng)強度變化對薄膜光學(xué)透過率的影響，為PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜的具體應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0021]圖1為在強磁場作用下磁性納米粒子沿磁場方向重新排列，形成各向異性纖維狀微結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0022]圖2為光學(xué)顯微鏡下拍攝的PDMS-Fe3O4納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜微觀形貌圖片。A為各向同性薄膜，B為各向異性薄膜。
[0023]圖3為在外磁場作用下測量PDMS-磁性納米粒子復(fù)合光學(xué)薄膜的光學(xué)透過率示意圖。
[0024]其中:圖1和圖3中:1_永磁體；2_石英片襯底；3_PDMS基納米復(fù)合光學(xué)薄膜；4-磁性納米粒子形成的纖維狀顯微結(jié)構(gòu)。
[0025]圖4為Fe3O4重量分數(shù)為I %?13 %的復(fù)合光學(xué)薄膜在施加B =?800G外磁場(“方形”圖標)和無外磁場(“三角形”圖標)條件下測量得到的透射光譜:A-各向同性薄膜，B-各向異性薄膜。
[0026]圖5為Fe3O4重量分數(shù)為1%?13%的各向同性(實心圖標)和各向異性(空心圖標)復(fù)合光學(xué)薄膜在施加B =?800G外磁場(“菱形”圖標)和無外磁場(“圓形”圖標)條件下測量得到的位于600nm波長的光學(xué)透過率。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0028]實施例1
[0029]1.具有磁流變彈性體特性的新型聚合物基納米復(fù)合光學(xué)薄膜的制備過程:
[0030](I) PDMS-磁性納米粒子混合溶液的制備
[0031]PDMS是一種廣泛應(yīng)用于微機電系統(tǒng)領(lǐng)域的硅橡膠彈性體，其光學(xué)透明度高，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，具有生物相容性。本發(fā)明使用的PDMS由預(yù)聚物和固化劑(DowCorningSylgard 184)混合形成。PDMS-磁性納米粒子混合溶液的制備包括以下步驟:
[0032]I)將PDMS預(yù)聚物和固化劑(DowCorning Sylgard 184)按10:1的重量比混合，攪拌均勻后將混合物放入40KHz超聲波振蕩儀中振蕩5分鐘去泡，同時促進其進一步充分混合；
[0033]2)將步驟I)所得混