本發(fā)明屬于功能高分子材料，具體涉及一種ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、光子晶體的結(jié)構(gòu)顏色在顯示器、傳感器、墨水、智能窗等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。光子晶體的制備方法主要包括自上而下的方法(如噴墨打印、微加工或干涉光刻等技術(shù))和自下而上的方法(例如膠體或嵌段共聚物組裝)，通過這些方法可以制造具有不同長度尺度的不同結(jié)構(gòu)和形狀的光子晶體。自上向下方法通常需要復(fù)雜且昂貴的光刻儀器，沉積設(shè)備和潔凈室等設(shè)施，實施條件苛刻，通常不用于光子晶體結(jié)構(gòu)的制造。自下而上的方法通常是單分散納米顆粒在重力場中或相互排斥的靜電作用下自組裝排列成規(guī)整的結(jié)構(gòu)。但是，采用這種方法制備光子晶體通常制備時間較長，制備過程易受環(huán)境影響，得到光子晶體的結(jié)構(gòu)顏色具有角度依賴性。

2、因此，為了實現(xiàn)光子晶體低成本且大批量的制備，近年來通過電沉積技術(shù)來制備光子晶體成為一種很有前途的方法。電沉積技術(shù)具有許多優(yōu)勢：電沉積所需設(shè)備簡單，通常只需要合適的電源、電極材料和電鍍槽，成本低；電沉積方法制備效率高，沉積工藝不受襯底的形狀和尺寸的限制，因此適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和批量生產(chǎn)；沉積工藝易于控制，通過調(diào)整諸如電壓、電流和沉積時間等參數(shù)，可以容易地控制制備材料的表面形態(tài)，并且工藝條件是可重復(fù)的。然而，目前報道出的通過電沉積技術(shù)制備光子晶體存在以下問題：(1)電沉積過程中不可避免會因為電解水產(chǎn)生氣泡從而影響膠體粒子的排列，為減少氣泡的產(chǎn)生，人們選用水和乙醇混合溶液(其中乙醇的體積分數(shù)達到了90％以上)作為電沉積液，然而由于乙醇不導(dǎo)電，因此為保證電沉積過程中實現(xiàn)對膠體粒子向陰極或陽極的牽引，只能通過增大電壓來實現(xiàn)(文獻報道通常為5v、10v或者40v)，而增大電壓勢必會造成能耗的增加，從而給工業(yè)化生產(chǎn)帶來高昂的成本。(2)目前也有使用sio2膠體粒子和氨水組成的電沉積液在50v電壓下制備光子晶體的，其中sio2在氨水中能夠更好的電離，而不論是氨水還是乙醇的使用都會造成環(huán)境的污染。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體及其制備方法和應(yīng)用，使用由聚苯乙烯顆粒、水以及能與氫離子反應(yīng)的無機鹽或金屬氧化物組成的電沉積液，在較低的電壓下，通過聚苯乙烯顆粒失穩(wěn)沉積制備聚苯乙烯光子晶體，制備工藝簡單、可控且環(huán)保。

2、為解決本發(fā)明所提出的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體的制備方法，包括以下步驟：

3、1)將水、丙烯酸和引發(fā)劑加入反應(yīng)器中，在氮氣保護和攪拌條件下，升溫至聚合溫度，然后向反應(yīng)器中勻速滴加苯乙烯進行聚合反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)產(chǎn)物取出，離心后留取固體物，加水稀釋，得到聚苯乙烯乳液；

4、2)向聚苯乙烯乳液中加入能與氫離子反應(yīng)的無機鹽或金屬氧化物粉末，充分混合均勻，得到電沉積液；

5、3)以氧化銦錫玻璃電極作為陽極，金屬鉑片作為陰極，將陽極和陰極垂直于液面放入電沉積液中，且陽極和陰極之間保持平行，在兩個電極之間施加電壓進行電沉積，沉積后將陽極取出干燥，得到ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體。

6、上述方案中，所述引發(fā)劑為過硫酸銨、過硫酸鉀中的一種。

7、上述方案中，所述攪拌速度為200～400r/min。

8、上述方案中，所述聚合溫度為73～75℃，升溫速率為2～3℃/min。

9、上述方案中，所述苯乙烯在0.5h內(nèi)滴加完畢，滴加結(jié)束后聚合8～10h。

10、上述方案中，步驟1)中聚合反應(yīng)所用原料的質(zhì)量份數(shù)為：水150～170份、苯乙烯4.5～18份、丙烯酸0.2～0.4份、引發(fā)劑0.2～0.4份。

11、上述方案中，所述聚苯乙烯乳液的質(zhì)量分數(shù)為4～6％。

12、上述方案中，所述聚苯乙烯乳液中聚苯乙烯膠體粒子的平均粒徑為170～300nm，粒徑呈單分散分布，分散系數(shù)(pdi)小于0.05。

13、上述方案中，所述無機鹽或金屬氧化物粉末為碳酸鈣、氧化鋁、氧化鋅、氧化鎂、氧化銅、三氧化二鐵中的一種，粒徑為0.5～1mm。

14、上述方案中，所述無機鹽或金屬氧化物粉末與聚苯乙烯乳液的質(zhì)量比為(0.5～2)：100。

15、上述方案中，所述陽極和陰極在電沉積前需要采用無水乙醇進行5～10min的超聲清洗，然后烘干。

16、上述方案中，所述陽極和陰極之間的間距為0.5～1cm。

17、上述方案中，所述電沉積施加1.5～4.0v恒定直流電壓，沉積時間3～10min。

18、上述方案中，所述干燥過程維持陽極垂直放置，干燥溫度60～65℃，干燥時間5～10min。

19、本發(fā)明還提供一種ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體，由上述方法制備得到。

20、上述方案中，所述ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體具有鮮艷的結(jié)構(gòu)色，且在不同ph環(huán)境下會呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)色。

21、本發(fā)明還提供一種ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體在可視化檢測溶液ph中的應(yīng)用，應(yīng)用方法為：將ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體浸泡在待測溶液中，取出待水分揮發(fā)后，通過觀察結(jié)構(gòu)色的變化，確定待測溶液的ph。

22、上述方案中，所述浸泡時間為8～15s。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

24、1)本發(fā)明以丙烯酸和苯乙烯共聚制備聚苯乙烯乳液，丙烯酸上含有羧基，得到的聚苯乙烯乳液中的聚苯乙烯顆粒帶有羧基基團，一方面，羧基基團使最終得到的聚苯乙烯光子晶體具有ph響應(yīng)性，在不同ph環(huán)境下會呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)色，從而可以實現(xiàn)對ph的可視化檢測，另一方面，電沉積時陽極附近的水電解產(chǎn)生的氫離子與電解液中的無機鹽或金屬氧化物反應(yīng)形成金屬陽離子，從而導(dǎo)致表面帶有羧酸根負離子的聚苯乙烯顆粒失穩(wěn)，在陽極電極表面發(fā)生沉積形成聚苯乙烯光子晶體，由于聚苯乙烯光子晶體是通過聚苯乙烯顆粒失穩(wěn)后沉積得到的，聚苯乙烯顆粒呈現(xiàn)出“長程無序，短程有序”的堆砌，從大面積來看膠體粒子的排列是無規(guī)則的，但是從小面積來看彼此之間又是排列整齊堆砌緊密的，因此得到的聚苯乙烯光子晶體的結(jié)構(gòu)色沒有角度依賴性，具有更好的使用性能。

25、2)本發(fā)明制備ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體過程中使用的電沉積液完全由聚苯乙烯顆粒、水以及能與氫離子反應(yīng)的無機鹽或金屬氧化物組成，不含有機試劑，因此符合環(huán)保理念。另外無機鹽的引入導(dǎo)致整個體系中電荷量增大，電流強度增大，導(dǎo)電性增強，因此只需要很小的電壓通過幾分鐘就能實現(xiàn)光子晶體的制備。同時電壓的降低也會使得單位時間內(nèi)水電解產(chǎn)生的氣泡減少，聚苯乙烯顆粒在沉積時受到的影響減少。

26、3)本發(fā)明方法制備效率高、沉積工藝易于控制，且制備的光子晶體顏色、形狀和厚度具有可控性，是一項環(huán)保節(jié)能且高效的技術(shù)。

技術(shù)特征：

1.一種ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體的制備方法，其特征在于，步驟1)中聚合反應(yīng)所用原料的質(zhì)量份數(shù)為：水150～170份、苯乙烯4.5～18份、丙烯酸0.2～0.4份、引發(fā)劑0.2～0.4份。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體的制備方法，其特征在于，所述聚合溫度為73～75℃，升溫速率為2～3℃/min；所述苯乙烯在0.5h內(nèi)滴加完畢，滴加結(jié)束后聚合8～10h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體的制備方法，其特征在于，所述聚苯乙烯乳液的質(zhì)量分數(shù)為4～6％；所述聚苯乙烯乳液中聚苯乙烯膠體粒子的平均粒徑為170～300nm，粒徑呈單分散分布，分散系數(shù)小于0.05。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體的制備方法，其特征在于，所述無機鹽或金屬氧化物粉末為碳酸鈣、氧化鋁、氧化鋅、氧化鎂、氧化銅、三氧化二鐵中的一種，粒徑為0.5～1mm；所述無機鹽或金屬氧化物粉末與聚苯乙烯乳液的質(zhì)量比為(0.5～2)：100。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體的制備方法，其特征在于，所述陽極和陰極之間的間距為0.5～1cm；所述電沉積施加1.5～4.0v恒定直流電壓，沉積時間3～10min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體的制備方法，其特征在于，所述干燥過程維持陽極垂直放置，干燥溫度60～65℃，干燥時間5～10min。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體的制備方法，其特征在于，所述引發(fā)劑為過硫酸銨、過硫酸鉀中的一種；所述攪拌速度為200～400r/min。

9.一種由權(quán)利要求1～8中任一項所述的方法制備得到的ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體。

10.一種如權(quán)利要求9所述的ph響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體在可視化檢測溶液ph中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于功能高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種pH響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體及其制備方法和應(yīng)用。首先，以苯乙烯為主單體、丙烯酸為功能單體通過無皂乳液共聚制備聚苯乙烯乳液；然后，向聚苯乙烯乳液中加入能與氫離子反應(yīng)的無機鹽或金屬氧化物粉末，作為電沉積液；最后，以氧化銦錫玻璃電極作為陽極，金屬鉑片作為陰極，通過電沉積在陽極沉積得到pH響應(yīng)性聚苯乙烯光子晶體。本發(fā)明使用由聚苯乙烯顆粒、水以及能與氫離子反應(yīng)的無機鹽或金屬氧化物組成的電沉積液，在較低的電壓下，通過聚苯乙烯顆粒失穩(wěn)沉積制備聚苯乙烯光子晶體，制備工藝簡單、可控且環(huán)保。

技術(shù)研發(fā)人員：陳艷軍,鄭灣,呂瀚林,高釋龍,王藝峰,胡正升,王宇航
受保護的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10