[发明专利]具有响应性隐形图案的光子晶体材料的制备与应用

说明书

本发明公开了具有响应性隐形图案的光子晶体材料的制备与应用，属于纳米材料和功能高分子材料技术领域。本发明以聚苯乙烯微球为模板制备中空二氧化硅光子晶体，再通过迈克尔加成反应在中空二氧化硅光子晶体上选择性构建具有不同亲疏水性的区域，形成可对水蒸汽选择性响应的隐形图案。本发明所制备的具备隐形图案的改性中空二氧化硅光子晶体材料可用于湿气检测和其他溶剂检测，在动态湿气作用下，在1秒内便能显示不同颜色的明显图案，且其具有长期稳定的响应性高，重复100次之后无明显误差。本发明提供的方法可在聚苯乙烯微球、中空二氧化硅微球及其光子晶体的制备、图案化的制备、多种溶剂及其蒸汽的检测等领域都有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料和功能高分子材料技术领域，尤其是涉及具有响应性隐形图案的光子晶体材料的制备与应用。

背景技术

光子晶体材料是一种受天然材料(如蝴蝶翅膀和鸟羽毛)启发而制备的具有周期性微纳结构的光学材料。这些周期性的微纳结构会使光发生相干干涉，进而使光子晶体材料呈现出特定的结构色。在过去十年中，人们发现并扩展了光子晶体材料在光学设备，图案打印，传感器，信息编码和防伪等领域中的应用。将具有响应性的隐形图案封装于光子晶体中在防伪及信息加密领域是一种常见的策略。但是，现有的加密策略具有许多局限性：例如通过交联引入的“隐形”图案会导致图案区响应能力(如溶胀或拉伸性能)变差，并且在多次的响应后图案的机械性能会变差，使得显色图案与背景区分度低甚至不能显色。此外，传统方法制备的响应性图案只能对单一的刺激进行响应，只能对图案区(响应区)或背景区(非响应区)进行单一改性修饰，对另一区域的改性会破坏原有区域的化学性质。

发明内容

本发明构建了一种具有响应性隐形图案的中空二氧化硅光子晶体，利用硅烷偶联剂将丙烯酸酯引入中空二氧化硅光子晶体中，接着利用紫外光引发迈克尔加成反应将含功能基团的巯基化合物引入中空二氧化硅光子晶体中，作为图案区，实现响应性的隐形图案的制备目的。本发明中空二氧化硅光子晶体材料有望用于信息加密以及防伪图案领域。

本发明以迈克尔加成反应将功能基团引入中空二氧化硅光子晶体中，使中空二氧化硅光子晶体能多种环境下作用下产生不同颜色的图案，以期能扩展中空二氧化硅光子晶体在防伪及信息加密方面的应用。

中空二氧化硅光子晶体是一种由中空二氧化硅球形成新型光子晶体。中空二氧化硅球的空心核能在溶剂渗入中空二氧化硅光子晶体时形成很大的对比，使渗入后的光子晶体呈现另一种明显的结构色。并且由于中空二氧化硅光子晶体的二氧化硅壳层能提供易改性的表面，使得中空二氧化硅光子晶体能成为一种能用于信息加密和防伪的潜在材料。然而用于中空二氧化硅光子晶体的通用加密策略却很少报导。设计一种具有良好性能且具有设计性的中空二氧化硅光子晶体图案的策略在防伪及信息加密领域具有很大的应用价值。

本发明的设计思路是：利用硅烷偶联剂将丙烯酸酯引入中空二氧化硅光子晶体中，接着利用紫外光引发迈克尔加成反应将含功能基团的巯基化合物与丙烯酸酯反应，以改变光子晶体亲疏水性，得到可对水蒸汽等溶剂蒸汽响应的隐形图案。

本发明的第一个目的是提供一种制备具有响应性隐形图案的中空二氧化硅光子晶体材料的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)制备聚苯乙烯@二氧化硅光子晶体：

将苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、引发剂分散在水中进行聚合反应，得到聚苯乙烯微球；然后将所得的聚苯乙烯微球与硅源、氨水加入到乙醇中进行溶剂热反应，反应结束后，收集固体，即得聚苯乙烯@二氧化硅胶体；

将所得聚苯乙烯@二氧化硅胶体配置成悬浮液，然后将基板垂直放置在悬浮液中进行垂直沉积，在基板表面形成聚苯乙烯@二氧化硅光子晶体；

(2)将所得聚苯乙烯@二氧化硅光子晶体进行煅烧，除去其中的聚苯乙烯核，得到中空二氧化硅光子晶体，记作HSPCs；