一種離子型凝膠光子晶體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種離子型凝膠光子晶體的制備方法，其包含：步驟1將單分散的膠體微球分散在水中配制成懸浮液，經(jīng)透析形成光子晶體陣列懸浮液；步驟2配制聚乙烯醇溶液；步驟3將所得的溶液混合，形成凝膠光子晶體前驅(qū)體溶液；步驟4將所得溶液注射入模具內(nèi)，得到凝膠光子晶體模板；步驟5將離子型單體、交聯(lián)劑以及引發(fā)劑溶解于水中形成凝膠前驅(qū)體溶液；步驟6將所得凝膠光子晶體模板浸于所得溶液中引發(fā)聚合；步驟7，將所得產(chǎn)物去除聚乙烯醇凝膠模板，最后得到離子型凝膠光子晶體。本發(fā)明提供的離子型凝膠光子晶體的制備方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的凝膠強(qiáng)度差、使用材料受限等問題，能夠廣泛應(yīng)用于生化檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
【專利說明】
一種離子型凝膠光子晶體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光子晶體的制備方法，具體地，涉及一種離子型凝膠光子晶體的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體是一種周期性結(jié)構(gòu)，其特征是具有光子帶隙。當(dāng)電磁波在周期勢(shì)場(chǎng)中傳播時(shí)，能量落在光子帶隙中的波會(huì)受到抑制，借此性質(zhì)可調(diào)控電磁波的傳播，在光電子學(xué)領(lǐng)域具有廣范圍應(yīng)用。
[0003]以水凝膠為基質(zhì)、光子晶體陣列為基元形成的凝膠光子晶體材料，可以通過水凝膠基質(zhì)的脹縮改變內(nèi)部陣列基元的晶格間距，由此改變材料整體的光子帶隙位置，當(dāng)帶隙的改變可以被肉眼識(shí)別或儀器檢測(cè)時(shí)，則可將其應(yīng)用于傳感器材料。此類材料的制備方法，通常是將單分散的膠體微球，如聚苯乙烯、二氧化硅等，在溶劑中依靠靜電作用力自組裝形成具有三維周期結(jié)構(gòu)的非緊密堆積的晶體陣列，再加入單體、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑等，以紫外光引發(fā)單體聚合，在形成水凝膠的同時(shí)固定晶體陣列。利用不同單體制備的水凝膠可以對(duì)不同環(huán)境刺激產(chǎn)生響應(yīng)，目前，水凝膠光子晶體傳感器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、金屬離子、生物分子等眾多外界刺激的響應(yīng)。
[0004]然而，上述方法涉及到的水凝膠材料，其制備原料都是非離子型單體。這是由于晶體陣列對(duì)雜質(zhì)非常敏感，微量的離子雜質(zhì)便會(huì)破壞微球間的靜電平衡，因此水凝膠光子晶體的制備必須采用非離子型單體，且制備過程必須保持體系純凈無雜質(zhì)。有學(xué)者以膠體微球先自組裝形成緊密堆積的晶體陣列，再將離子型水凝膠構(gòu)筑于陣列周圍，但是此方法得到的凝膠光子晶體往往缺陷較多，而且由于陣列堆積緊密導(dǎo)致響應(yīng)受限。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種能夠廣泛應(yīng)用于生化檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的光子晶體的制備方法，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的凝膠強(qiáng)度差、使用材料受限等問題。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，該方法包含:步驟1，將單分散的膠體微球分散在水中，配制成濃度為按質(zhì)量百分比計(jì)5?20%的懸浮液，經(jīng)透析形成光子晶體陣列懸浮液；步驟2，將聚乙烯醇在二甲基亞砜中加熱至9(Tl00°C，回流2飛小時(shí)，配制濃度為5?20%的聚乙烯醇溶液，優(yōu)選為10% ;步驟3，將步驟I與步驟2所得的溶液以體積比1:0.5^2混合，形成凝膠光子晶體前驅(qū)體溶液；步驟4，將步驟3所得的溶液加入到注射器中，注射入模具內(nèi)，經(jīng)過-2(T0°C冷凍疒24小時(shí)，2(T25°C解凍
0.5^1小時(shí)后脫模，得到凝膠光子晶體模板；步驟5，將離子型單體、交聯(lián)劑以及引發(fā)劑按比例溶解于水中形成濃度為按質(zhì)量百分比計(jì)1(Γ15%的凝膠前驅(qū)體溶液；步驟6，將步驟4所得的凝膠光子晶體模板浸于步驟5所得的溶液中0.5^2小時(shí)后，以波長(zhǎng)為365 nm的紫外燈照射0.5^2小時(shí)引發(fā)聚合；步驟7，將步驟6所得的產(chǎn)物浸于80°C水中0.5^1小時(shí)去除剩余的聚乙烯醇凝膠模板，最后得到所述的離子型凝膠光子晶體。
[0007]上述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，步驟I所述的單分散的膠體微球?yàn)榫郾揭蚁┠z體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球或二氧化硅膠體微球等中的任意一種。相應(yīng)的，所述的光子晶體陣列懸浮液即為單分散的膠體微球懸浮液，如聚苯乙烯懸浮液、聚甲基丙烯酸甲酯懸浮液、二氧化硅懸浮液等。
[0008]上述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，步驟I所述的單分散的膠體微球，其粒徑為100?200 nm。
[0009]上述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，步驟2所述的聚乙烯醇溶液，其醇解度大于98%。
[0010]上述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，步驟2所述的聚乙烯醇，其分子量范圍為20000?120000，優(yōu)選為70000左右。
[0011]上述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，步驟5所述的離子型單體和交聯(lián)劑的比例為20?30:1。
[0012]上述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，步驟5所述的引發(fā)劑，其占離子型單體、交聯(lián)劑以及引發(fā)劑三者混合物的含量為按質(zhì)量百分比計(jì)0.5?1%。
[0013]上述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，步驟5所述的離子型單體為烯類有機(jī)物，包含丙烯酰胺類、甲基丙烯酸酯類、丙烯酸類及其衍生物等中的任意一種或幾種的混合。
[0014]上述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，步驟5所述的交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺或乙二醇二甲基丙烯酸酯等中任意一種。
[0015]上述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其中，步驟5所述的引發(fā)劑為偶氮二異丁腈或2，2-二乙氧基苯乙酮等中任意一種。
[0016]本發(fā)明提供的離子型凝膠光子晶體的制備方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明提供了一種可以制備離子型凝膠光子晶體器件的方法，采用物理交聯(lián)的水凝膠作為光子晶體陣列的載體，通過二次聚合將離子型凝膠包覆于晶體陣列材料，且物理交聯(lián)水凝膠載體可以去除以增強(qiáng)響應(yīng)靈敏度。其與現(xiàn)有技術(shù)相比，克服了離子型單體無法與光子晶體陣列共存的缺點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步地說明。
[0018]本發(fā)明提供的離子型凝膠光子晶體的制備方法，包含以下步驟。
[0019]步驟1，將單分散的膠體微球分散在水中，配制成濃度為按質(zhì)量百分比計(jì)5?20%的懸浮液，經(jīng)透析形成光子晶體陣列懸浮液。該單分散的膠體微球的粒徑為10(T200 nm。單分散的膠體微球?yàn)榫郾揭蚁┠z體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球或二氧化硅膠體微球等中的任意一種。相應(yīng)的，該光子晶體陣列懸浮液即為單分散的膠體微球懸浮液，如聚苯乙烯懸浮液、聚甲基丙烯酸甲酯懸浮液、二氧化硅懸浮液等。
[0020]步驟2，將聚乙烯醇在二甲基亞砜中加熱至9(Tl00°C，回流2飛小時(shí)，配制濃度為5?20%的聚乙烯醇溶液，優(yōu)選為10%。該聚乙烯醇溶液，其醇解度大于98%。聚乙烯醇的分子量范圍為2000(Tl20000，優(yōu)選為70000左右。
[0021]步驟3，將步驟I與步驟2所得的溶液以體積比1:0.5^2混合，形成凝膠光子晶體前驅(qū)體溶液。
[0022]步驟4，將步驟3所得的溶液加入到注射器中，注射入模具內(nèi)，經(jīng)過-2(T0°C冷凍2^24小時(shí)，2(T25°C解凍0.5^1小時(shí)后脫模，得到凝膠光子晶體模板。
[0023]步驟5，將離子型單體、交聯(lián)劑以及引發(fā)劑按比例溶解于水中形成濃度為按質(zhì)量百分比計(jì)1(Γ15%的凝膠前驅(qū)體溶液。離子型單體和交聯(lián)劑的比例為2(Γ30:1。引發(fā)劑占離子型單體、交聯(lián)劑以及引發(fā)劑三者混合物的含量為按質(zhì)量百分比計(jì)0.5?1%。
[0024]其中，離子型單體為烯類有機(jī)物，包含丙烯酰胺類、甲基丙烯酸酯類、丙烯酸類及其衍生物等中的任意一種或幾種的混合。交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺或乙二醇二甲基丙烯酸酯等中任意一種。引發(fā)劑為偶氮二異丁腈或2，2-二乙氧基苯乙酮等中任意一種。
[0025]步驟6，將步驟4所得的凝膠光子晶體模板浸于步驟5所得的溶液中0.5^2小時(shí)后，以波長(zhǎng)為365 nm的紫外燈照射0.5^2小時(shí)引發(fā)聚合。
[0026]步驟7，將步驟6所得的產(chǎn)物浸于80°C水中0.5^1小時(shí)去除剩余的聚乙烯醇凝膠模板，最后得到離子型凝膠光子晶體。
[0027]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0028]實(shí)施例1。
[0029]步驟I將粒徑為180 nm的單分散聚苯乙烯微球分散在水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的懸浮液，經(jīng)過24小時(shí)透析形成光子晶體陣列懸浮液。
[0030]步驟2將分子量為77000的聚乙烯醇在二甲基亞砜中加熱至90°C，回流2小時(shí)，配制成濃度為10%的聚乙烯醇溶液。
[0031]步驟3將上述光子晶體陣列懸浮液和上述聚乙烯醇溶液以體積比1:1均勻混合，形成凝膠光子晶體前驅(qū)體溶液。
[0032]步驟4將前驅(qū)體溶液用微量注射器注射入模具中，將模具密封后置于_20°C下冷凍24小時(shí)，然后在20°C下解凍I小時(shí)，得到凝膠光子晶體模板。
[0033]步驟5將異丙基丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺以29:1溶解于水中形成濃度為10%的溶液，加入1%的2，2- 二乙氧基苯乙酮，混合均勻后得到凝膠前驅(qū)體溶液。
[0034]步驟6將步驟4得到的凝膠光子晶體模板浸于步驟5得到的凝膠前驅(qū)體溶液中I小時(shí)，以波長(zhǎng)為365 nm的紫外燈照射I小時(shí)引發(fā)聚合。
[0035]步驟7將步驟6得到的產(chǎn)物浸于80°C水中去除聚乙烯醇凝膠模板。
[0036]所得聚異丙基丙烯酰胺離子型凝膠光子晶體能衍射可見光，并對(duì)溫度變化產(chǎn)生體積響應(yīng)，同時(shí)發(fā)生顏色變化。
[0037]實(shí)施例2。
[0038]用粒徑為110 nm的單分散聚苯乙烯微球取代實(shí)施例1步驟I中的粒徑為180 nm的單分散聚苯乙烯微球，用丙烯酸取代實(shí)施例1步驟5中的“異丙基丙烯酰胺”，其余重復(fù)實(shí)施例1中的步驟f步驟7，同樣的方法得到的聚丙烯酸離子型凝膠光子晶體可衍射可見光，能對(duì)PH變化產(chǎn)生體積響應(yīng)，同時(shí)發(fā)生顏色變化。
[0039]實(shí)施例3。
[0040]用丙烯酰胺取代實(shí)施例1步驟5中的異丙基丙烯酰胺，其余重復(fù)實(shí)施例1中的步驟f步驟7，同樣的方法得到的聚丙烯酰胺非離子型凝膠光子晶體可衍射可見光，能對(duì)乙醇濃度變化產(chǎn)生體積響應(yīng)，同時(shí)發(fā)生顏色變化。
[0041]本發(fā)明提供的離子型凝膠光子晶體的制備方法，采用物理交聯(lián)的水凝膠作為光子晶體陣列的載體，通過二次聚合將離子型凝膠包覆于晶體陣列材料，且物理交聯(lián)水凝膠載體可以去除以增強(qiáng)響應(yīng)靈敏度?？朔爽F(xiàn)有技術(shù)存在的凝膠強(qiáng)度差、使用材料受限等問題，能夠廣泛應(yīng)用于生化檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
[0042]本發(fā)明提供的離子型凝膠光子晶體的制備方法，可以選擇不同的離子型單體及聚合方式，如熱聚合、化學(xué)交聯(lián)等，所制備的離子型凝膠光子晶體可對(duì)不同環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)，如pH、溫度、金屬離子、溶劑等。以本發(fā)明制備的凝膠光子晶體模板，也適用于非離子型凝膠的聚合，同樣可制得常規(guī)的非離子型凝膠光子晶體。以本發(fā)明制備的凝膠光子晶體模板，還適用于其他形式的物理、化學(xué)修飾，如其他物理凝膠的二次交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)、基團(tuán)改性坐寸ο
[0043]盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，該方法包含: 步驟1，將單分散的膠體微球分散在水中，配制成濃度為按質(zhì)量百分比計(jì)5?20%的懸浮液，經(jīng)透析形成光子晶體陣列懸浮液； 步驟2，將聚乙烯醇在二甲基亞砜中加熱至9(Γ100?，回流2飛小時(shí)，配制濃度為5?20%的聚乙烯醇溶液； 步驟3，將步驟I與步驟2所得的溶液以體積比1:0.5^2混合，形成凝膠光子晶體前驅(qū)體溶液； 步驟4，將步驟3所得的溶液注射入模具內(nèi)，經(jīng)過-2(T0°C冷凍2?24小時(shí)，2(T25°C解凍0.5^1小時(shí)后脫模，得到凝膠光子晶體模板； 步驟5，將離子型單體、交聯(lián)劑以及引發(fā)劑按比例溶解于水中形成濃度為按質(zhì)量百分比計(jì)1(Γ15%的凝膠前驅(qū)體溶液； 步驟6，將步驟4所得的凝膠光子晶體模板浸于步驟5所得的溶液中0.5^2小時(shí)后，以波長(zhǎng)為365 nm的紫外燈照射0.5^2小時(shí)引發(fā)聚合； 步驟7，將步驟6所得的產(chǎn)物浸于80°C水中0.5^1小時(shí)去除剩余的聚乙烯醇凝膠模板，最后得到所述的離子型凝膠光子晶體。
2.如權(quán)利要求1所述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟I所述的單分散的膠體微球?yàn)榫郾揭蚁┠z體微球、聚甲基丙烯酸甲酯膠體微球或二氧化硅膠體微球中的任意一種。
3.如權(quán)利要求2所述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，所述的單分散的膠體微球，其粒徑為100?200 nm。
4.如權(quán)利要求1所述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟2所述的聚乙烯醇溶液，其醇解度大于98%。
5.如權(quán)利要求4所述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，所述的聚乙烯醇，其分子量范圍為20000?120000。
6.如權(quán)利要求1所述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟5所述的離子型單體和交聯(lián)劑的比例為2(Γ30:1。
7.如權(quán)利要求1所述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟5所述的引發(fā)劑，其占離子型單體、交聯(lián)劑以及引發(fā)劑三者混合物的含量為按質(zhì)量百分比計(jì)0.5?1%。
8.如權(quán)利要求6或7所述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，所述的離子型單體為烯類有機(jī)物，包含丙烯酰胺、甲基丙烯酸酯、丙烯酸及其衍生物中的任意一種或幾種的混合。
9.如權(quán)利要求6或7所述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，所述的交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺或乙二醇二甲基丙烯酸酯。
10.如權(quán)利要求7所述的離子型凝膠光子晶體的制備方法，其特征在于，所述的引發(fā)劑為偶氮二異丁腈或2，2-二乙氧基苯乙酮。
【文檔編號(hào)】C08J7/18GK104262672SQ201410467443
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】陳誠, 朱志剛 申請(qǐng)人:上海第二工業(yè)大學(xué)