本發(fā)明屬于高分子復(fù)合材料制備，特別涉及一種可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)的光子凝膠薄膜及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、可控滲水變色材料是智能材料的一種，具有自適應(yīng)響應(yīng)環(huán)境變化的能力。比方說，通過引入能夠?qū)σ后w滲透產(chǎn)生反應(yīng)的成分(如變色劑或敏感化合物)，這些材料可以在遇到液體時發(fā)生顯著的顏色變化。然而，長期使用變色劑或敏感化合物會對環(huán)境造成損害，同時也面臨諸多材料研究和開發(fā)問題，包括實現(xiàn)穩(wěn)定可逆的變色機制、增強顏色變化的對比度、改善材料的穩(wěn)定性和耐用性等。

2、為此，開發(fā)不依賴反應(yīng)變色且持續(xù)可逆發(fā)生顏色變化的結(jié)構(gòu)色無疑是一種優(yōu)選的模式。其中，三維空心結(jié)構(gòu)的光子晶體因其具有大孔隙結(jié)構(gòu)而受到廣泛的關(guān)注。根據(jù)布拉格定律衍射波長λ可以通過調(diào)節(jié)neff來改變的，其中λ是衍射波長，neff是有效折射率，d是粒子間距離，θ是相對于垂直于緊密堆積平面的矢量的測量角度。這種在高折射率材料中周期性地出現(xiàn)低折射率材料的結(jié)構(gòu)是發(fā)生顏色變化的基本特征，同時也因為中空結(jié)構(gòu)能容納多種不同折射率的液體而實現(xiàn)多種變色情況。與目前單一中空光子結(jié)構(gòu)的變色行為對比，研究復(fù)雜的雙層空心結(jié)構(gòu)的可控水滲透薄膜的制備和性能研發(fā)，無疑具有更大的可變性和實用性。

3、因此，可控滲水變色材料的研究旨在提升如信息識別、液體檢測等領(lǐng)域的效率和準(zhǔn)確性，通過材料的智能響應(yīng)來提高應(yīng)用場景的安全性和可靠性。這類材料的研究不僅推動了智能傳感技術(shù)的發(fā)展，也促進了高性能光學(xué)材料、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備等領(lǐng)域的創(chuàng)新。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)的光子凝膠薄膜的制備方法。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述制備方法制備得到的可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)的光子凝膠薄膜；所制備的光子凝膠薄膜是由三維光子晶體與聚合物組成，其中，三維光子晶體可以使用但不僅限于包括聚苯乙烯-二氧化硅核殼結(jié)構(gòu)球或單分散二氧化硅微球；其中聚合物可以使用但不僅限于聚丙烯酸、聚羥乙基甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯聚合物以及聚丙烯酸甲酯。

3、本發(fā)明通過多種光子晶體與聚合物協(xié)同調(diào)控水滲透能力的手段，以達到顏色的可控變化；其中包括調(diào)控三維光子晶體結(jié)構(gòu)、調(diào)控聚合物交聯(lián)程度以及調(diào)控聚合物親水程度三種手段，協(xié)同控制結(jié)構(gòu)色變色的過程。

4、本發(fā)明的再一目的在于提供上述可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)的光子凝膠薄膜的應(yīng)用；該光子凝膠薄膜可以應(yīng)用于以下幾方面：1、用作室內(nèi)滑雪場融雪警告的信號指示器；2、用作便攜式的酒精濃度檢測器；3、用作信息隱藏的小型商業(yè)包裝防偽標(biāo)簽。

5、本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

6、一種可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)的光子凝膠薄膜的制備方法，包括以下操作步驟：

7、(1)將苯乙烯和引發(fā)劑在60～80℃環(huán)境下引發(fā)聚合反應(yīng)得到聚苯乙烯微球；將所得聚苯乙烯微球在氨水與乙烯基三乙氧基硅氧烷反應(yīng)下得到以聚苯乙烯為核、二氧化硅為外殼的聚苯乙烯-二氧化硅核殼納米微球；

8、所述聚苯乙烯-二氧化硅核殼納米微球的外殼二氧化硅厚度為19～60nm，其厚度是通過改變氨水與乙烯基三乙氧基硅氧烷的體積比進行調(diào)控，氨水與乙烯基三乙氧基硅氧烷的體積比為(1.2～10)：(0.45～3.75)；

9、將聚苯乙烯-二氧化硅核殼結(jié)構(gòu)微球分散在乙醇溶劑中，然后利用乙醇溶劑揮發(fā)自組裝使聚苯乙烯-二氧化硅核殼納米微球組裝為整齊面心立方堆積的三維ps-sio2光子晶體；

10、(2)正硅酸四乙酯在氨水作用下室溫自主成核并生長得到實心二氧化硅納米結(jié)構(gòu)微球；實心二氧化硅納米結(jié)構(gòu)微球的粒徑為180-260nm，其粒徑是通過改變氨水與正硅酸四乙酯的體積比進行調(diào)控，氨水與正硅酸四乙酯的體積比為(4～7.5)：20；

11、將實心二氧化硅納米結(jié)構(gòu)微球分散在乙醇溶劑中，然后利用乙醇溶劑揮發(fā)自組裝使實心二氧化硅納米結(jié)構(gòu)微球組裝為整齊面心立方堆積的三維sio2光子晶體；

12、(3)將步驟(1)所得三維ps-sio2光子晶體在馬弗爐以500～600℃高溫煅燒8～12h得到中空sio2光子晶體；將添加有光引發(fā)劑的預(yù)聚液單體填充到中空sio2光子晶體中，紫外曝光固化，預(yù)聚液單體和中空sio2光子晶體鑲嵌結(jié)合，將所得聚合物薄膜剝離取出即得到中空sio2結(jié)構(gòu)色凝膠；

13、(4)將添加有光引發(fā)劑的預(yù)聚液單體填充到步驟(2)所得三維sio2光子晶體中，紫外曝光固化，預(yù)聚液單體和三維sio2光子晶體鑲嵌結(jié)合，將所得聚合物薄膜剝離取出，使用體積百分濃度4％的氫氟酸刻蝕sio2得到反蛋白石凝膠；

14、(5)將步驟(3)所得中空sio2結(jié)構(gòu)色凝膠和步驟(4)所得反蛋白石凝膠分兩層上下疊加在一起，使用質(zhì)量比為99：1的乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯與光引發(fā)劑在紫外光照射下粘合，得到可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)的光子凝膠薄膜。

15、步驟(1)所述引發(fā)劑為過硫酸鉀或過硫酸銨。

16、步驟(1)所述外殼二氧化硅的厚度是第一步控制滲水能力的關(guān)鍵，二氧化硅的厚度是通過控制氨水與乙烯基三乙氧基硅氧烷的組合配比實現(xiàn)的。所述外殼二氧化硅越薄，滲水過程越短，滲水能力越強，反之外殼越厚，滲水過程越長，滲水能力越弱。

17、步驟(1)所述三維ps-sio2光子晶體通過紫外光刻制備多種但不僅限的圖案標(biāo)簽如：“中國結(jié)”、“二維碼”等圖案，然后再進行后續(xù)的步驟。

18、步驟(2)所述煅燒的時間為550℃，煅燒的時間為12h。

19、步驟(3)和步驟(4)所述預(yù)聚液單體是由質(zhì)量比為1:1～1:2的聚合物單體和交聯(lián)劑組成，聚合物單體為丙烯酸、羥乙基甲基丙烯酸酯、聚二乙醇二丙烯酸酯和丙烯酸甲酯中的一種或多種，依據(jù)親水性由強到弱排序：丙烯酸>羥乙基甲基丙烯酸脂>聚乙二醇二丙烯酸酯>丙烯酸甲酯，可以調(diào)控凝膠的不同滲水性，為第二步控制滲水能力的手段。交聯(lián)劑為乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯。優(yōu)選的，所述預(yù)聚液單體包括質(zhì)量比為1:4:5～1:4:10的丙烯酸、聚乙醇二丙烯酸酯和乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯，交聯(lián)劑含量增大與減小為第三步控制滲水能力的手段。

20、步驟(3)和步驟(4)所述光引發(fā)劑為2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮；所述光引發(fā)劑的用量為預(yù)聚液單體中聚合物單體質(zhì)量的2％～3％。

21、一種由上述的制備方法制備得到的可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)的光子凝膠薄膜。

22、上述的可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)的光子凝膠薄膜在大型滑雪場融雪警告的信號指示器、便攜式的酒精溶度檢測器或小型商業(yè)包裝的防偽識別用標(biāo)簽中的應(yīng)用。

23、上述的一種可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)色凝膠用于大型滑雪場融雪警告的信號指示器，其特征在于：融雪產(chǎn)生積水導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色凝膠顏色發(fā)生改變，依據(jù)不同顏色的標(biāo)簽?zāi)軌蚺袛嗳谘r間。

24、上述的一種可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)色凝膠用于便攜式的酒精溶度檢測器，其特征在于：對市售某品牌含酒精成分的系列商品滴涂在結(jié)構(gòu)色凝上，顯示出對不同酒精顏色不同的顯示效果；

25、上述的一種可控滲水變色的雙層空心結(jié)構(gòu)色凝膠用于小型商業(yè)包裝標(biāo)簽的光學(xué)防偽識別用標(biāo)志的應(yīng)用，其特征在于：濕潤透明化使隱藏的商用防偽碼信息顯示，不同濃度的溶劑可以作為響應(yīng)的編碼手段。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果：

27、本發(fā)明提出一種緩慢水浸潤過程調(diào)控光子禁帶(pbg)的新方法，緩慢浸潤的非靈敏結(jié)構(gòu)色指示標(biāo)簽給變化響應(yīng)的時間測定帶來可能。基于中空sio2穩(wěn)定周期排列結(jié)構(gòu)存在的前提下，材料具有關(guān)于sio2厚度、凝膠親水性與凝膠交聯(lián)度三重因素影響的協(xié)同水滲透效應(yīng)。重要的是，較大的sio2厚度讓水滲透過程變得緩慢，較親水的凝膠與交聯(lián)度越低的凝膠，滲水趨勢更快，反之亦然。進一步地，反蛋白石凝膠的大孔隙結(jié)構(gòu)與中空sio2結(jié)合得到了新型的雙層空心結(jié)構(gòu)色凝膠。該結(jié)構(gòu)特征同時結(jié)合了中空sio2與反蛋白石的雙重滲水機制，有效使用于室內(nèi)滑雪場、冰庫等大型場所對融冰控制的預(yù)警提醒。顯然，緩慢滲透伴隨的布拉格衍射效應(yīng)可以提供更好的時間指示功能。此外，通過使用低表面張力的溶劑，如乙醇、水等溶劑，高級別的防偽標(biāo)簽可以實現(xiàn)快速、可逆的信息加解密，為保護高價值商品和打擊防偽造假的目的中發(fā)揮很好的作用。