[发明专利]一种具有湿度响应变色特性的光子晶体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，尤其是涉及一种具有湿度响应变色特性的光子晶体材料及其制备方法。

背景技术

光子晶体是指由两种或两种以上具有不同介电常数周期性排列所形成的材料，将具有响应特性的材料与光子晶体相结合能够获得具有响应特性的光子晶体材料，外界施加的刺激信号会改变响应性材料的物理化学特性，因而对光子晶体本身的周期结构或折光指数产生影响，造成材料本身的结构色发生变化，实现了不同信号向光信号的转化。在响应性光子晶体领域，湿度响应性光子晶体被广泛关注，在传感、防伪、可擦写光子纸张等方面具有应用前景。

目前湿度响应性光子晶体所使用的响应材料包括无机材料和有机材料，其中有机聚合物凝胶由于其优异的响应特性，种类的多样性和合成的可调控性受到了广泛的关注。聚丙烯酰胺即为一种优异的湿度响应材料，其凝胶网络在吸水后会产生明显的溶胀现象。主要的方法是，将光子晶体结构引入到聚丙烯酰胺凝胶网络中，经对现有技术文献的检索发现，利用聚丙烯酰胺制备的响应性光子晶体大多为单一结构，如PierreWiltzius等在《Langmuir》于2006年第22期，第1369页报道了将聚丙烯酰胺制备成为三维反蛋白石结构的光子晶体，具体方法是将丙烯酰胺单体，交联剂和光引发剂按一定的比例浇筑进聚苯乙烯小球堆垛形成的蛋白石结构模板中，在紫外光照射下完成聚合反应后将聚苯乙烯模板刻蚀掉，所得到的反蛋白石结构的聚丙烯酰胺凝胶网络具有明显的结构色，并且在不同的湿度下产生了明显的颜色变化。此外，IzabelaNaydenova等在《SensorsandActuatorsB:Chemical》于2009年第139期第35页报道了制备基于聚丙烯酰胺的一维布拉格堆栈结构，在不同湿度下其光谱产生了明显的改变。

然而，人工制备的光子晶体材料本身具有一定的局限性，如易引入缺陷，且难以制备出具有其他复杂的分级结构的光子晶体材料。而具有分级结构的光子晶体在响应方面是具有独特的性质的。根据RadislavA.Potyrailo等人的研究表明，闪蝶的鳞片所具有的特殊分级结构，能够在不同种类和浓度的气体下产生灵敏的光谱变化，是一种优良的生物模板。自然界提供了大量的类似的具有特殊分级光子结构的天然生物模板，因此利用这些模板制备气体响应性光子晶体材料具有广阔的研究及应用前景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有湿度响应变色特性的光子晶体材料及其制备方法。本发明利用具有光子结构的天然生物材料作为生物模板，利用热碱液和交联剂溶液表面改性以及聚合物单体原位聚合的方法制备具有湿度响应变色特性的光子晶体材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有湿度响应变色特性的光子晶体材料的制备方法，将原始生物模板进行碱处理，碱处理后的生物模板在交联剂的交联作用下，与高分子单体进行化学键连接，再通过加热使高分子单体均匀包覆在生物模板表层，得到具有湿度响应变色特性的光子晶体材料。

其中化学键连接的原理为：

生物模板(如蝶翅等)碱处理后其组成成分几丁质能够部分转变为壳聚糖，其表面富含反应活性的氨基官能团，能够与交联剂(如戊二醛等中的醛基)反应生成碳氮化学键；类似地，交联剂(如戊二醛分子中的另一个醛基)能够与高分子单体中的氨基或酰胺基团发生反应生成碳氮键，因此通过引入交联剂能够实现高分子单体与生物模板之间的化学键连接作用。

制备方法具体包括以下步骤：

(1)将原始生物模板进行碱处理；优选使用的碱液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液，质量分数为5-10％，碱处理的温度为40-65℃，处理时间为5-15分钟，随后取出并置于去离子水中浸泡3-6小时。

(2)将碱处理后的生物模板浸泡于交联剂溶液中进行表面改性处理，在60-80℃下加热处理30-120分钟，取出并清除生物模板表面多余的溶液；

作为优选，所述的交联剂溶液中交联剂的质量分数为5-20％，所使用的交联剂的种类为两端具有相同官能团的小分子，如戊二醛、戊二酸等。

(3)配制前驱体溶液：所述的前驱体溶液包含高分子单体、交联剂和引发剂，且高分子单体、交联剂和引发剂摩尔比为1：(0.01-0.02)：(0.01-0.03)，配制前驱体溶液所用溶剂为水，高分子单体的浓度在0.5-3mol/L之间；

所述的交联剂为两端具有相同官能团的小分子，优选选自戊二醛或戊二酸。

所述的高分子单体为具有吸水特性聚合物的单体，优选选自丙烯酸、丙烯酰胺或异丙基丙烯酰胺。