一種凝膠光子晶體的快速制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光子晶體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種凝膠光子晶體的快速制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體是一種介電常數(shù)周期調(diào)制的結(jié)構(gòu)，其特征是具有光子禁帶。當(dāng)電磁波在該周期結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，頻率與光子禁帶相匹配的波會(huì)受到控制;根據(jù)光子晶體的這一特性，可設(shè)計(jì)不同的周期結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波傳播方式的控制，這類材料在光學(xué)電路、通信傳感、光存儲(chǔ)器等領(lǐng)域已具有廣范圍應(yīng)用；當(dāng)光子晶體材料的禁帶在可見光范圍內(nèi)時(shí)，材料在宏觀上能呈現(xiàn)鮮艷的結(jié)構(gòu)色，可應(yīng)用于激光器件、結(jié)構(gòu)防偽、新型印刷等方面。
[0003]以環(huán)境響應(yīng)的水凝膠為基質(zhì)、可顯色的光子晶體為基元制備的凝膠光子晶體材料，可以通過水凝膠基質(zhì)根據(jù)環(huán)境變化產(chǎn)生體積脹縮，帶動(dòng)內(nèi)部光子晶體基元的晶格常數(shù)改變，使材料整體的光子禁帶位置發(fā)生移動(dòng)，宏觀體現(xiàn)為凝膠光子晶體結(jié)構(gòu)色的變化。當(dāng)顏色變化可以被肉眼識(shí)別時(shí)，則可將其應(yīng)用于可視化傳感器材料；制造這類光子晶體傳感材料，通常需要先合成單分散的納米微球，以靜電自組裝的方式排列成具有周期結(jié)構(gòu)的晶體陣列，然后將單體、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑等滲透此陣列，利用紫外光引發(fā)單體聚合，在形成聚合物水凝膠的同時(shí)將晶體陣列固定。選擇具有不同敏感特性的聚合物水凝膠制備的光子晶體傳感器即可對(duì)特定的環(huán)境刺激產(chǎn)生顏色響應(yīng)，比如，采用溫敏型水凝膠構(gòu)建的光子晶體傳感器能夠?qū)囟茸兓@示為顏色變化，此外，凝膠光子晶體傳感器件還能實(shí)現(xiàn)對(duì)pH、磁場(chǎng)、應(yīng)力、分子等各種外部刺激的響應(yīng)。
[0004]目前，制備上述凝膠光子晶體材料所需時(shí)間都非常久，這是由于光子晶體的組裝過程比較緩慢，需要長(zhǎng)時(shí)間的透析去除體系中的雜質(zhì)，這一過程通常經(jīng)歷14-21天，而且后續(xù)的凝膠包封過程也必須經(jīng)過一定時(shí)間的純化過程，保持體系純凈。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能克服現(xiàn)有技術(shù)存在的制備時(shí)間長(zhǎng)、工藝復(fù)雜等問題的一種凝膠光子晶體的快速制備方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種凝膠光子晶體的快速制備方法，所述快速制備方法包括如下步驟:
[0008](I)將單體分散在水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15-30%的乳濁液，將乳濁液升溫至90°C，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5-2%的引發(fā)劑，經(jīng)0.5-2小時(shí)反應(yīng)得到納米顆粒懸浮液；
[0009](2)將高分子材料加入納米顆粒懸浮液中，溫度控制在90°C，回流1-2小時(shí)，得到高分子預(yù)凝膠；
[0010](3)將離子交換樹脂加入高分子預(yù)凝膠中，并降溫到50°C，純化2-10小時(shí)，得到光子晶體預(yù)凝膠；
[0011](4)將光子晶體預(yù)凝膠加入到注射器中，再注射入模具中，將模具密封后置于-20-0°C的環(huán)境中冷凍2-24小時(shí)，然后在20-25°C的環(huán)境中解凍0.5_1小時(shí)，或者置于60°C烘箱中固化2小時(shí)，即可脫模，得到凝膠光子晶體。
[0012]優(yōu)選的，所述單體為烯類有機(jī)物，其為苯乙烯、甲基丙烯酸酯、丙烯酸以及丙烯酰胺中的一種或幾種。
[0013]優(yōu)選的，所述引發(fā)劑為過硫酸銨或過硫酸鉀。
[0014]優(yōu)選的，所述引發(fā)劑為偶氮二異丁腈或偶氮二異庚腈。
[0015]優(yōu)選的，所述高分子材料為聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯以及聚乳酸中的一種或幾種。
[0016]優(yōu)選的，所述離子交換樹脂為混床樹脂，陽離子與陰離子比例為1:2-1:5。
[0017]通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:
[0018](I)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，克服了常規(guī)凝膠光子晶體材制備過程緩慢的缺點(diǎn)，提供了一種可以快速制備凝膠光子晶體器件的方法，既能提高產(chǎn)率，又起到經(jīng)濟(jì)節(jié)能和保護(hù)環(huán)境的效果；
[0019](2)選擇不同的高分子材料，所制備的凝膠光子晶體具有不同力學(xué)強(qiáng)度及環(huán)境響應(yīng)特性，如pH、溫度、應(yīng)力等。
[0020](3)以本發(fā)明制備的凝膠光子晶體材料，可作為模板材料用于進(jìn)一步改性獲得其他傳感器件。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明實(shí)施過程的流程示意圖；
[0022]實(shí)施過程包括:合成納米顆粒、加入高分子材料和離子交換樹脂及凝膠。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0024]參見圖1所示，圖1為本發(fā)明實(shí)施過程的流程示意圖；
[0025]實(shí)施例1
[0026]本發(fā)明公開了一種凝膠光子晶體的快速制備方法，該快速制備方法包括如下步驟:
[0027](I)將50克苯乙烯分散在150克水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的乳濁液，將乳濁液升溫至90°C，然后加入I克過硫酸鉀，經(jīng)I小時(shí)反應(yīng)得到聚苯乙烯納米顆粒懸浮液；
[0028](2)將20克聚乙烯醇與10克聚乙二醇加入聚苯乙烯納米顆粒懸浮液中，溫度控制在90°C，回流I小時(shí)，得到聚乙烯醇/聚乙二醇預(yù)凝膠；
[0029](3)將陽離子與陰離子比例為1: 2的混床樹脂加入聚乙烯醇/聚乙二醇預(yù)凝膠中，并降溫到50°C，純化6小時(shí)，得到光子晶體預(yù)凝膠；
[0030](4)將光子晶體預(yù)凝膠用微量注射器注射入模具中，將模具密封后置于-18°C的環(huán)境中冷凍24小時(shí)，然后在20°C的環(huán)境中解凍I小時(shí)，即可脫模，得到聚乙烯醇/聚乙二醇凝膠光子晶體，能對(duì)溫度、乙醇濃度及PH變化產(chǎn)生體積響應(yīng)，同時(shí)發(fā)生顏色改變。
[0031]實(shí)施例2
[0032]本發(fā)明公開了一種凝膠光子晶體的快速制備方法，該快速制備方法包括如下步驟:
[0033](I)將60克甲基丙烯酸甲酯分散在150克水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.5%的乳濁液，將乳濁液升溫至90°C，然后加入I克過硫酸銨，經(jīng)I小時(shí)反應(yīng)得到聚甲基丙烯酸甲酯納米顆粒懸浮液；
[0034](2)將20克聚乙烯醇與10克聚乙二醇加入聚甲基丙烯酸甲酯納米顆粒懸浮液中，溫度控制在90°C，回流I小時(shí)，得到聚乙烯醇/聚乙二醇預(yù)凝膠；
[0035](3)將陽離子與陰離子比例為1: 5的混床樹脂加入聚乙烯醇/聚乙二醇預(yù)凝膠中，并降溫到50°C，純化6小時(shí)，得到光子晶體預(yù)凝膠；
[0036](4)將光子晶體預(yù)