聚乙烯醇凝胶光子晶体的制备及性能研究

论文摘要

光子晶体（PC）是一种介电常数周期调制的结构,其特征是具有光子带隙（PBG）。当光子晶体材料的光子带隙与可见光频率相匹配的时候,则可抑制光子的传播,此类材料已广泛应用于多种功能化光学器件。其中,光子晶体传感材料是研究热点之一。表面高电荷密度的单分散胶体球可以依靠静电斥力自组装形成具有面心立方结构、非紧密堆积的三维（3D）胶体晶体阵列（CCA）,此阵列溶液根据其微球形成的晶格常数及折射率的不同,可以布拉格衍射紫外光、可见光或红外光。通过原位光聚合的方法可以将CCA包埋在水凝胶内形成聚合物胶体晶体阵列（PCCA）,并作为光学传感器使用。这种传感器可以将凝胶对于特定物质的响应造成的溶胀或收缩转变为凝胶内CCA晶格常数的变化,宏观表现为明显的结构色改变。由于CCA的有序性容易被震动、热运动或离子杂质所扰乱,所以光聚合的方法所用材料有限,而且通常PCCA的机械强度较差,影响其应用范围。由此,我们提出利用物理交联聚乙烯醇（PVA）的方法制备凝胶化胶体晶体阵列（GCCA）材料。PVA凝胶是一种无毒、生物相容性好且机械性能优良的材料,已经广泛应用于药物释放、组织工程、隐形眼镜、医用敷料等方面。PVA水凝胶的制备分为化学交联和物理交联,利用化学交联通常采用戊二醛作为交联剂,而制备PVA物理凝胶最常用的方法是低温冷冻-解冻法,据此,本文开展了系统的PVA凝胶光子晶体的制备及性能研究。首先,我们通过乳液聚合的方法制备了单分散的聚苯乙烯（PS）微球,并使其自组装形成具有强烈布拉格衍射的CCA阵列溶液。然后我们将CCA与PVA混合,通过2℃冷藏24小时使PVA凝胶化,同时将CCA阵列锁定在凝胶中。随低温凝胶化次数的增加,凝胶网络结构强度逐渐提高。通过进一步在凝胶中添加壳聚糖（CS）可以使GCCA且有pH敏感性,实验结果表明PVA/CS GCCA的敏感性随CS的浓度增加而上升。GCCA体系的特点在于不需要光引发,可以实现大尺寸制备和任意赋形。此外,GCCA可以有效地衍射可见光,并且具有热致可逆性和再水合性。通过加热或冷冻即可实现GCCA溶液态和凝胶态之间的转换。GCCA经过干燥和再溶胀过程仍然可以保持衍射性能,便于储存和使用。进而,我们发现对于物理凝胶过程,在有机溶剂的辅助下可以促进PVA的凝胶化并且能显著增强其机械强度。因此我们利用乙醇（EtOH）.二甲基亚砜（DMSO）.乙二醇（EG）和丙三醇（GC）等作为辅助溶剂制备了具有良好机械强度GCCA凝胶光子晶体材料,通过拉伸可以使之颜色在可见光范围内任意调节。然后,我们在溶剂辅助制备GCCA的基础上对其进行改性,获得了快速响应的多重敏感光了晶体传感器。此GCCA传感器能迅速反馈各种外部刺激,诸如溶剂、pH值、金属离子和机械力等,其结构色的改变可以通过肉眼辨别。因此,我们认为GCCA可以通过合理的设计和改性使其对于特定情况产生响应,从而制备各类不同需求的传感器件。我们还讨论了GCCA传感中存在的不同的传感机理,为今后设计其他光子晶体传感器提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 光子晶体基本理论及光学特性
• 1.3 天然光子晶体介绍
• 1.4 人工光子晶体的制备
• 1.4.1 机械制备法
• 1.4.2 光学法
• 1.4.3 化学法
• 1.4.4 自组装法
• 1.4.5 模板法
• 1.5 光子晶体的应用
• 1.5.1 光子晶体光纤
• 1.5.2 光子晶体增强二极管及荧光发光
• 1.5.3 光子晶体激光器
• 1.5.4 光子晶体传感器
• 1.6 凝胶光子晶体
• 1.6.1 水凝胶
• 1.6.2 凝胶光子晶体
• 1.6.3 物质测定传感器
• 1.6.4 状态响应传感器
• 1.7 课题研究内容及意义
• 1.7.1 课题研究目的及实验内容
• 1.7.2 课题创新点
• 第2章 聚苯乙烯胶体晶体阵列的构建
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2.2.2 聚苯乙烯微球制备
• 2.2.3 聚苯乙烯微球胶体晶体阵列的构建
• 2.2.4 测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 乳液聚合反应条件的讨论
• 2.3.2 聚苯乙烯胶体晶体阵列的形貌表征
• 2.3.3 聚苯乙烯胶体晶体阵列的光谱表征
• 2.4 本章小结
• 第3章 物理控制凝胶化的胶体晶体阵列
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 3.2.2 CCA的制备
• 3.2.3 PVA GCCA的制备
• 3.2.4 PVA/CS GCCA的制备
• 3.2.5 测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 脱水-再水合性
• 3.3.2 热可逆性
• 3.3.3 PVA/CS GCCA的制备与性能
• 3.3.4 溶胀性质
• 3.4 本章小结
• 第4章 溶剂辅助法制备聚乙烯醇凝胶光子晶体
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与仪器
• 4.2.2 CCA的制备
• 4.2.3 PVA GCCA的制备
• 4.2.4 拉伸行为
• 4.2.5 测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 凝胶化性能
• 4.3.2 再水合性能测试
• 4.3.3 溶胀性能测试
• 4.3.4 热可逆性能研究
• 4.3.5 拉伸性能测试
• 4.4 本章小结
• 第5章 多重敏感聚乙烯醇凝胶光子晶体传感材料
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂与仪器
• 5.2.2 CCA的制备
• 5.2.3 PVA GCCA的制备
• 5.2.4 GCCA改性
• 5.2.5 测试与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 乙醇传感
• 5.3.2 凝胶改性及传感性能研究
• 5.3.3 GCCA的压力响应
• 5.4 本章小结
• 第6章 聚乙烯醇GCCA与聚丙烯酰胺PCCA性能对比
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂与仪器
• 6.2.2 CCA的制备
• 6.2.3 PVA GCCA的制备
• 6.2.4 Poly（HEMA-co-AM）PCCA的制备
• 6.2.5 测试与表征
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 衍射性能对比
• 6.3.2 乙醇传感性能对比
• 6.3.3 拉伸性能比较
• 6.3.4 脱水-再水合性质
• 6.4 本章小结
• 第7章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 课题延伸
• 参考文献
• 攻读博士期间论文发表及专利情况
• 致谢