[发明专利]一种应力变色的光子晶体纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种应力变色的光子晶体纤维的制备方法。

背景技术

自然界中，许多动物的体色都可以随着环境的改变而发生改变，比如变色龙、墨鱼等，具备了这种特殊的本领可以帮助它们躲避天敌、调节体温、捕食、交流等^[1,2]。受到自然界中生物结构色改变的启发，人们对制备可以改变颜色的人造功能化材料或器件的兴趣越来越浓^[1]。仿造自然界的结构，制备的人造功能材料吸引了大量的关注，因为这些材料制备的器件在许多领域得到广泛的运用，如智能显示器、感应器、驱动器等等。这种材料的颜色在光照、温度、化学试剂、应力、电场或磁场的作用下的变色行为研究已经非常广泛了^[3-10]。但是传统的平面状的变色材料难以运用到轻便且可编织的电子器件中，而纤维状的变色材料不但可以编织成织物，还具有优良的透气性。所以，纤维状的变色材料的运用很有潜力。

目前报道的变色材料多是电致变色的原理^[11-14]，比如一种电致变色的碳纳米管/聚二炔复合纤维，在电流作用下，纤维中的聚二炔的构型发生翻转，纤维颜色可以实现从蓝色到红色的转变^[15]。但是这种材料的颜色单调（蓝色与红色），并且仅仅循环使用几十次之后其颜色就再难以发生改变。一些研究者也尝试采用其他类型的共轭高分子作为电致变色材料来改善这种材料^[16]。但是总的来说，这些材料既没有拉伸性，在使用过程中也容易遭到破坏。另外，电致变色材料往往需要提供一定的电压，而这些应用大多都会直接接触到我们的皮肤，所以这种材料存在着很大的安全隐患。因此，一种在拉伸或者弯曲作用下就可以实现颜色改变的应力变色材料具有更大的市场^[17-22]。应力变色材料具有许多优点，比如他们更加安全，如果编织成衣服穿在身上，在运动过程中就能引起形变而使颜色改变，使得它们在实际应用中更加方便。目前报道的大部分应力变色材料都是薄膜状的，而纤维状的应力变色材料很少有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种循环上千次变色后仍然能够稳定的显示多种颜色的应力变色的光子晶体纤维及其制备方法。

本发明提供的应力变色的光子晶体纤维的制备方法，是基于碳纳米管的，以可拉伸的弹性高分子纤维作为基底，通过在外面缠绕高度取向的碳纳米管作为导电层，用电泳沉积的方法沉积聚合物微球形成具有周期性结构的光子晶体，然后封装在透明弹性体中，最后通过接枝高分子等方法达到溶胀的效果从而制备具有应力变色效果的光子晶体纤维。

本发明制备的应力变色的光子晶体纤维，其本身的结构色可以通过聚合物微球的粒径与微球之间的球心距来调控。在拉伸与回复过程中，光子晶体纤维结构色改变快速且可逆，包含红色、绿色和蓝色，并且即使来回拉伸一千次已上其颜色改变仍然快速而稳定。这种光子晶体纤维不仅可以编制到许多织物中，显示各种各样的图案，而且还可以用作感应器。

本发明所述的基于碳纳米管的应力变色的光子晶体纤维的制备方法，具体步骤如下：

（1）通过化学气相沉积方法合成高度取向的碳纳米管阵列；

（2）将弹性体的前驱物灌入塑料管中，固化制备具有弹性的聚合物纤维，或者直接采用商业弹性纤维；

（3）将高度取向的碳纳米管均匀缠绕在弹性纤维基底上；

（4）通过电泳沉积法在弹性纤维外面沉积一层具有周期性排列的聚合物微球，形成光子晶体；

（5）将制备的光子晶体封装在溶剂与透明弹性体前驱物的混合物中；

（6）将封装在透明弹性体中的光子晶体浸泡在反应性溶剂中，一定条件下使其膨胀。

步骤（2）中，所述纤维具有弹性，直径为0.5-5毫米。

步骤（3）中，所述缠绕在弹性纤维外面的碳纳米管层厚度为20-1000纳米，具有导电性，黑色。

步骤（4）中，所述电泳沉积法以缠绕碳纳米管的弹性纤维作为正极，聚合物微球本身带有负电荷，粒径为100-300纳米，如聚苯乙烯微球，制备的光子晶体层的厚度为1-100 微米。

步骤（5）中，所述溶剂可与弹性体互溶，如六甲基二硅氧烷、聚二甲基硅氧烷（PDMS），混合物中溶剂与弹性体前驱物的体积比为1:99 - 99:1（优选两者体积比为20:80 - 80:20），在75-90 ℃条件下固化封装（优选80 ℃下固化封装）。