[发明专利]一种磁组装光子晶体水凝胶薄膜及其制备方法与其在空气湿度传感器中的应用

说明书

本发明一种磁组装光子晶体水凝胶薄膜及其制备方法与其在空气湿度传感器中的应用。本发明采用磁性纳米粒子Fe₃O₄@SiO₂作为光子晶体构建材料，通过引入光固化水凝胶和甘油保湿剂，实现了磁场驱动一步制备湿度响应的光子晶体水凝胶薄膜，获得了能够通过颜色变化对空气湿度响应的光子晶体传感器。由于光子晶体湿度传感器的结构色变化是由水凝胶的溶胀和收缩驱动的，不需要电源，因此与市场上的电子湿度计相比更节能环保，而且结构简单，无电子元件，故障率低，生产成本少。保湿剂的引入，使这种光子晶体湿度传感器具备了出色的耐久性和耐疲劳性，解决了水凝胶型光子晶体湿度传感器在干燥环境中失去过量的水分导致光子晶体结构坍塌的问题。

技术领域

本发明属于磁组装光子晶体水凝胶薄膜和湿度传感器技术领域，尤其是指一种磁组装光子晶体水凝胶薄膜及其制备方法与其在空气湿度传感器中的应用。

背景技术

湿度监测由于其在农业生产、天气预报、环境控制、食品储存和许多化学过程中的重要作用，在过去的几十年里，越来越受到人们的重视。目前，人们已经研发和制造出了不同类型的湿度传感器，他们通过检测一些器件的某种物理变化来指示湿度，如电阻、电容、表面声波、衍射和反射、透射率、荧光发射、悬臂梁偏转和石英晶体谐振器的质量相关频率等。如今，基于电能的湿度传感器已经进入了商业化生产，并被广泛应用在生活和生产中。然而，在许多情况下，成本低、方便、直观可读，而且不需要特定的设备和能源的比色湿度传感器是迫切需要的。

响应性光子晶体是解决这些问题的一个很好的策略，因为它可以通过外部刺激(如湿度)改变明亮的结构颜色。光子晶体是一种特殊的光学材料，它是由两种不同折射率的材料周期交替排列构成的，这种结构使它拥有了光子禁带，即能屏蔽并反射某一特定波长的光波。当波长在可见光谱中时，被称为结构颜色，而通过改变排列周期距离和折射率，可使结构颜色的改变能够被人眼识别。对于湿度响应的光子晶体，这通常是通过将湿度响应聚合物引入胶体填料的间隙来实现的。当湿度响应聚合物吸收环境中的水分子时，聚合物的体积发生改变，使的光子晶体的晶格常数也随之变化，结构色也改变。因此，湿度响应光子晶体是一种直观可读、成本低、无需外部电源和特定设备的湿度传感器。

目前，光子晶体湿度传感器的制备，主要是先通过过饱和沉积或重力驱动等方法将聚苯乙烯或二氧化硅纳米球组装成蛋白石型胶体光子晶体，然后将湿度影响的聚合物单体溶液渗入模板中，然而不管是胶体光子晶体的组装和聚合物溶液的渗入都需要较长的时间，限制了规模化生产。而且，聚合物在光子晶体模板之间聚合时，会放热和膨胀，可能造成光子晶体模板的破坏。另外，湿度响应光子晶体传感器的耐久性和耐疲劳性，也是需要考虑的问题

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁组装光子晶体水凝胶薄膜及其制备方法与其在空气湿度传感器中的应用。本发明的空气湿度传感器，制备简单快速、成本较低、方便直观，不需要特定设备和能源，同时重复性和耐久性良好，可以作为湿度传感器应用。

一种磁组装光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将疏水性磁性纳米粒子分散于有机溶剂中作为油相，将乳化剂溶于水中作为水相，将油相和水相混合后进行细乳化，得到水包油型细乳液。

(2)将步骤(1)中所述的水包油型细乳液中的有机溶剂去除，得到磁性纳米晶簇，然后用水溶性大分子进行修饰；具体修饰步骤为：将上述得到的磁性纳米晶簇加入水溶性大分子水溶液进行超声处理，中性大分子可以替换粒子表面带负电的表面活性剂，有利于步骤(3)中同样带负电的硅酸离子包覆在表面，形成二氧化硅层。

(3)将步骤(2)中修饰过的磁性纳米晶簇通过溶胶-凝胶法进行二氧化硅包覆，获得磁性胶体纳米粒子；由于磁性纳米晶簇容易自聚集，需要用二氧化硅进行包覆，得到稳定均一的粒子。另外，二氧化硅壳层赋予了溶剂化力，提供了与磁吸引力相平衡的斥力，是构筑光子晶体结构的关键。