[发明专利]一种颜色可调的化学交联的光子晶体水凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光子晶体水凝胶领域，特别涉及一种颜色可调的化学交联的光子晶体水凝胶的制备方法。

背景技术

光子晶体(photonic crystal)是由两种以上具有不同介电常数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的具有有序结构的材料，其所具有的光子带隙结构可以对光的传播方向进行有效调控。其中，胶体晶体(colloidal crystal)是指由单分散的亚微米级(submicro)或纳米级(nano)的胶体微球在低离子强度的溶剂中经过特定的排列方式构成的二维或三维有序的、类似于晶体结构的体系。

水凝胶是一种介于液体和固体之间的能显著地溶胀于水并保持大量水分但不溶解于水的亲水聚合物，作为一类“软材料”在自然界中广泛存在。水凝胶的这种特性使得它在药物的控制释放，酶的固定化、物料分离和生物医用材料等领域应用广泛。温度响应性水凝胶是应用最为广泛、研究者最感兴趣的一类环境敏感性水凝胶，它是可随温度的变化而发生可逆性收缩-膨胀的水凝胶。

近年来，研究者们将胶体光子晶体自组装特性与环境敏感性水凝胶的溶胀交联等特性相结合，制得了一系列新型的凝胶光子晶体材料。这类凝胶光子晶体材料能通对环境变化做出快速灵敏的响应，通过水凝胶的收缩或膨胀，引起光子晶体光子带隙的变化使布拉格衍射峰发生位移，宏观上可以通过肉眼直接观察材料颜色变化，对其响应性进行评价。凝胶光子晶体材料在生物传感器、光学开关、仿生、油漆、陶瓷工艺、以及离子探针等领域取得了巨大进展。Hu等（Hu Z,Lu X,Gao J,Adv.Mater.2001,13,1708-1713）通过用二乙烯基砜（DVS）在碱性条件下共价交联结合凝胶纳米粒子自组装，合成了具有温度响应性的蛋白石凝胶聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸（2-羟乙基丙烯酸酯））（PNIPAM-co-AA（HEAc））。此材料有天然蛋白石般耀眼的色彩，可以替代染料、荧光剂等起生色作用。但由于HEAc中酯基在碱中易水解，导致NIPAM和HEAc共聚交联形成的纳米凝胶机械强度很差，限制了其应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种颜色可调的化学交联的光子晶体水凝胶的制备方法，该方法工艺简单，成本低，所制备的光子晶体水凝胶具有温度响应性；另外，共聚单体HEAA的引入，得到的光子晶体水凝胶稳定性很好，不会水解，解决了由于HEAc中酯基水解而造成纳米水凝胶易分解的问题，弥补了其在应用上的缺憾。

所述共聚物是有单体结构A N-异丙基丙烯酰胺（N-isopropylacrylamide，NIPAM）和单体结构B N-羟乙基丙烯酰胺（N-Hydroxyethyl acrylamide，HEAA）的两种单体共聚合成。

本发明的一种颜色可调的化学交联的光子晶体水凝胶的制备方法，包括：

（1）将N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、N-羟乙基丙烯酰胺（HEAA）、交联剂和乳化剂溶于去离子水中，在氮气氛围中，在20～25℃条件下，搅拌80～120min，然后升温至50-80℃，保温30～50min，然后加入引发剂，继续反应1～4h，透析，即得胶体晶体水凝胶溶液；其中N-异丙基丙烯酰胺和N-羟乙基丙烯酰胺的质量比为1:0.1～0.9，N-异丙基丙烯酰胺占反应原料总重量的1～4%；

（2）将所得的胶体晶体水凝胶溶液浓缩，静置至室温，采用NaOH溶液调节pH，加入交联剂，混匀、离心，取出后室温下静置，即得颜色可调的化学交联的光子晶体水凝胶。

所述步骤（1）中的交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，加入量为N-异丙基丙烯酰胺和N-羟乙基丙烯酰胺质量总和的1%～2%。

所述步骤（1）中的乳化剂为十二烷基硫酸钠，加入量为N-异丙基丙烯酰胺和N-羟乙基丙烯酰胺质量总和的0.6%～5%。

所述步骤（1）中的引发剂为过硫酸铵，加入量为N-异丙基丙烯酰胺和N-羟乙基丙烯酰胺质量总和的1%～6%。

所述步骤（1）中的透析为采用去离子水浸泡3-7天，每天换一次水；所用透析袋的截留分子量为8000～14000。

所述步骤（2）中浓缩后的胶体晶体水凝胶溶液的浓度为1～10wt%。

所述步骤（2）中调节pH为9～15。

所述步骤（2）中的交联剂为二乙烯基砜（DVS），加入量为N-异丙基丙烯酰胺和N-羟乙基丙烯酰胺质量总和的0.2%～5%。

所述步骤（2）中的离心速度为4000r/min，离心时间为5min。

所述步骤（2）中的静置时间为20～300min。