一種具有濕度響應變色特性的光子晶體材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料科學技術領域，尤其是涉及一種具有濕度響應變色特性的光子晶體材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]光子晶體是指由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)周期性排列所形成的材料，將具有響應特性的材料與光子晶體相結(jié)合能夠獲得具有響應特性的光子晶體材料，外界施加的刺激信號會改變響應性材料的物理化學特性，因而對光子晶體本身的周期結(jié)構(gòu)或折光指數(shù)產(chǎn)生影響，造成材料本身的結(jié)構(gòu)色發(fā)生變化，實現(xiàn)了不同信號向光信號的轉(zhuǎn)化。在響應性光子晶體領域，濕度響應性光子晶體被廣泛關注，在傳感、防偽、可擦寫光子紙張等方面具有應用前景。
[0003]目前濕度響應性光子晶體所使用的響應材料包括無機材料和有機材料，其中有機聚合物凝膠由于其優(yōu)異的響應特性，種類的多樣性和合成的可調(diào)控性受到了廣泛的關注。聚丙烯酰胺即為一種優(yōu)異的濕度響應材料，其凝膠網(wǎng)絡在吸水后會產(chǎn)生明顯的溶脹現(xiàn)象。主要的方法是，將光子晶體結(jié)構(gòu)引入到聚丙烯酰胺凝膠網(wǎng)絡中，經(jīng)對現(xiàn)有技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，利用聚丙稀酰胺制備的響應性光子晶體大多為單一結(jié)構(gòu)，如Pierre Wiltzius等在((Langmuir))于2006年第22期，第1369頁報道了將聚丙烯酰胺制備成為三維反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體，具體方法是將丙烯酰胺單體，交聯(lián)劑和光引發(fā)劑按一定的比例澆筑進聚苯乙烯小球堆垛形成的蛋白石結(jié)構(gòu)模板中，在紫外光照射下完成聚合反應后將聚苯乙烯模板刻蝕掉，所得到的反蛋白石結(jié)構(gòu)的聚丙烯酰胺凝膠網(wǎng)絡具有明顯的結(jié)構(gòu)色，并且在不同的濕度下產(chǎn)生了明顯的顏色變化。此外，Izabela Naydenova等在《Sensors and ActuatorsB:Chemical》于2009年第139期第35頁報道了制備基于聚丙烯酰胺的一維布拉格堆棧結(jié)構(gòu)，在不同濕度下其光譜產(chǎn)生了明顯的改變。
[0004]然而，人工制備的光子晶體材料本身具有一定的局限性，如易引入缺陷，且難以制備出具有其他復雜的分級結(jié)構(gòu)的光子晶體材料。而具有分級結(jié)構(gòu)的光子晶體在響應方面是具有獨特的性質(zhì)的。根據(jù)Radislav A.Potyrailo等人的研究表明，閃蝶的鱗片所具有的特殊分級結(jié)構(gòu)，能夠在不同種類和濃度的氣體下產(chǎn)生靈敏的光譜變化，是一種優(yōu)良的生物模板。自然界提供了大量的類似的具有特殊分級光子結(jié)構(gòu)的天然生物模板，因此利用這些模板制備氣體響應性光子晶體材料具有廣闊的研究及應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種具有濕度響應變色特性的光子晶體材料及其制備方法。本發(fā)明利用具有光子結(jié)構(gòu)的天然生物材料作為生物模板，利用熱堿液和交聯(lián)劑溶液表面改性以及聚合物單體原位聚合的方法制備具有濕度響應變色特性的光子晶體材料。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0007]—種具有濕度響應變色特性的光子晶體材料的制備方法，將原始生物模板進行堿處理，堿處理后的生物模板在交聯(lián)劑的交聯(lián)作用下，與高分子單體進行化學鍵連接，再通過加熱使高分子單體均勻包覆在生物模板表層，得到具有濕度響應變色特性的光子晶體材料。
[0008]其中化學鍵連接的原理為:
[0009]生物模板(如蝶翅等)堿處理后其組成成分幾丁質(zhì)能夠部分轉(zhuǎn)變?yōu)闅ぞ厶?，其表面富含反應活性的氨基官能團，能夠與交聯(lián)劑(如戊二醛等中的醛基)反應生成碳氮化學鍵；類似地，交聯(lián)劑(如戊二醛分子中的另一個醛基)能夠與高分子單體中的氨基或酰胺基團發(fā)生反應生成碳氮鍵，因此通過引入交聯(lián)劑能夠?qū)崿F(xiàn)高分子單體與生物模板之間的化學鍵連接作用。
[0010]制備方法具體包括以下步驟:
[0011](I)將原始生物模板進行堿處理；優(yōu)選使用的堿液為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液，質(zhì)量分數(shù)為5-10%，堿處理的溫度為40-65°C，處理時間為5-15分鐘，隨后取出并置于去離子水中浸泡3-6小時。
[0012](2)將堿處理后的生物模板浸泡于交聯(lián)劑溶液中進行表面改性處理，在60_80°C下加熱處理30-120分鐘，取出并清除生物模板表面多余的溶液；
[0013]作為優(yōu)選，所述的交聯(lián)劑溶液中交聯(lián)劑的質(zhì)量分數(shù)為5-20%，所使用的交聯(lián)劑的種類為兩端具有相同官能團的小分子，如戊二醛、戊二酸等。
[0014](3)配制前驅(qū)體溶液:所述的前驅(qū)體溶液包含高分子單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑，且高分子單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑摩爾比為1:(0.01-0.02):(0.01-0.03)，配制前驅(qū)體溶液所用溶劑為水，高分子單體的濃度在0.5-3mol/L之間；
[0015]所述的交聯(lián)劑為兩端具有相同官能團的小分子，優(yōu)選選自戊二醛或戊二酸。
[0016]所述的高分子單體為具有吸水特性聚合物的單體，優(yōu)選選自丙烯酸、丙烯酰胺或異丙基丙烯酰胺。
[0017]所述的引發(fā)劑優(yōu)選選自過硫酸鉀，過硫酸銨或偶氮二異丁腈。
[0018](4)將步驟(2)處理后的生物模板在前驅(qū)體溶液中浸泡時間6-12小時，該浸泡時間能夠滿足達到擴散平衡，隨后取出模板，在60-80°C下加熱4-12小時完成原位聚合反應，使高分子單體均勻包覆在生物模板表層，得到具有濕度響應變色特性的光子晶體材料。所獲得的產(chǎn)物保留了生物模板的特殊分級光子結(jié)構(gòu)，并對不同的濕度產(chǎn)生響應作用。
[0019]所述的生物模板為具有天然光子結(jié)構(gòu)的生物材料，如蝴蝶或蛾類的翅膀，孔雀羽毛等。
[0020]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明以自然界中具有光子結(jié)構(gòu)的生物材料為模板，通過表面改性和原位聚合的方法實現(xiàn)了具有濕度響應變色特性的光子晶體材料的制備。所得到的材料保留了原始生物模板的特殊分級光子結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中所用的高分子單體具有良好的吸水特性，能夠吸收空氣中的水分子，因此導致聚合物發(fā)生溶脹反應，濕度不同時其溶脹程度不同。聚合物的折射率(折射率:1.3-1.4)高于空氣(折射率:1)，因此其溶脹導致體系平均折射率的上升，根據(jù)布拉格衍射定律其反射峰會發(fā)生明顯的紅移，實現(xiàn)了對不同濕度的變色響應。本發(fā)明利用不同的生物模板和其他種類的響應性智能高分子，能夠?qū)崿F(xiàn)多種具有不同結(jié)構(gòu)不同特性的響應性光子晶體的制備，所制備的材料在光子紙張、防偽、傳感等領域具有廣闊的應用前景。此外，本發(fā)明的制備方法具有快速、簡單、有效、環(huán)保等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0021]圖1為利用生物模板法合成的具有濕度響應變色特性的光子晶體材料的光學顯微鏡圖；
[0022]圖2為利用生物模板法合成的具有濕度響應變色特性的光子晶體材料的掃描電鏡圖；
[0023]圖3為利用生物模板法合成的具有濕度響應變色特性的光子晶體材料的掃描電鏡圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0025]實施例1
[0026]第一步，模板的堿處理:配制質(zhì)量濃度為10%的氫氧化鈉溶液，將原始的巴黎翠鳳蝶后翅亮斑處置于其中，加熱到50°C并保溫10分鐘，之后將蝶翅取出，用去離子水清洗至中性并浸泡于去離子水中4小時。
[0027]第二步，配制質(zhì)量濃度5%的戊二醛溶液，將堿處理后的蝶翅模板置于其中并在60°C下保溫I小時。取出蝶翅并用去離子水清洗。
[0028]第三步，配制前驅(qū)體溶液:將丙烯酰胺(0.0lmol)，戊二醛(1.5X10 4mol) (25%的溶液約60 μ L)，過硫酸鉀(I X 10 4mol)溶解于1mL去離子水中。將蝶翅模板置于前驅(qū)體溶液中，浸泡6小時。
[0029]第四步，將蝶翅從前驅(qū)體溶液中取出，密封于容器內(nèi)，60°C水浴加熱4小時完成聚合過程。
[0030]圖1為利用生物模板法合成的具有濕度響應變色特性的光子晶體材料的光學顯微鏡圖?？梢钥闯鏊苽涞牟牧媳Ａ袅说岬墓庾咏Y(jié)構(gòu)，具有典型的結(jié)構(gòu)色，呈現(xiàn)出明顯的藍紫色。
[0031]圖2、圖3為利用生物模板法合成的具有濕度響應變色特性的光子晶體材料的掃描電鏡圖?？梢园l(fā)現(xiàn)所制備的材料保留了蝶翅的微觀精細結(jié)構(gòu)，該材料在不同的濕度下，蝶翅表面的聚合物吸水情況不同導