[发明专利]一种基于纳米凝胶的光子晶体比色湿度传感器及其制备方法

说明书

本发明属于新材料制备领域，具体涉及一种基于纳米凝胶的光子晶体比色湿度传感器及其制备方法。所述传感器由基质和固化在所述基质上的布拉格反射膜组成，所述布拉格反射膜是由纳米凝胶和与纳米凝胶具有折射率差的物质在基质上交替排列而成；所述纳米凝胶是由亲水性聚合单体和交联剂聚合而成或亲水性高分子制备而成；所述与纳米凝胶具有折射率差的物质为亲水性无机物或疏水性高分子。本发明比色湿度传感器具有对环境湿度变化响应速度快，达到响应平衡时间短，颜色变化易识别的优点。可以很好地解决光子晶体比色传感器响应速度不理想，达到平衡时间较长的问题。此传感器在湿度检测方面具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于新材料制备领域，具体属于传感新材料制备领域，具体涉及一种基于纳米凝胶的光子晶体比色湿度传感器及其制备方法。

背景技术

“湿度”在国民经济多个领域，包括食品存储、农业、化学、冶金、电力、汽车、纺织工业等都作为重要的检测指标，影响着生产和人们生活，因此湿度检测具有着重要的意义。近年来，比色湿度传感器的研究受到关注，比色传感是通过颜色信号来体现环境参数的变化，具有设备简便、观测直观等优点，在传感研究方面具有重要的应用价值。光子晶体是具有光子带隙特性的周期性电介质结构，当光子带隙落于可见光区时，产生颜色。将光子晶体结构与湿度敏感材料相结合制备比色湿度传感器是理想的湿度传感器设计。水凝胶是一种亲水的三维网状结构，它会随着周围水分含量的变化发生溶胀或收缩，将水凝胶引入周期变化的光子晶体结构中，在外界湿度发生变化时，随着水凝胶的溶胀或收缩，引起光子晶体纳米结构变化，产生颜色变化，达到比色传感的目的。但是致密的大块凝胶对于湿度变化的响应不是瞬时完成的，需要通过水蒸气的渗透扩散逐渐溶胀，导致响应速度慢，达到响应平衡时间长，不利于实时湿度监测。

发明内容

为解决上述问题，将尺寸在纳米级别的水凝胶与光子晶体结构相结合，利用纳米凝胶与水蒸汽接触面积大，凝胶间孔隙利于水蒸汽的渗透扩散，提高传感速度和响应时间，从而实现高灵敏度、实时湿度监测。布拉格反射膜是一种典型的光子晶体结构，是由不同厚度的两种材料交替排列而成，具有反射率高、色泽饱满的特点。本发明将纳米凝胶引入布拉格反射膜结构中，研制色彩对比度大的比色湿度传感器。

本文所述的纳米凝胶为尺寸在纳米级别的水凝胶。

一种基于纳米凝胶的光子晶体比色湿度传感器，所述传感器由基质和固化在所述基质上的布拉格反射膜组成，

所述布拉格反射膜是由纳米凝胶和与纳米凝胶具有折射率差的物质在基质上交替排列而成；

所述纳米凝胶是由亲水性聚合单体和交联剂聚合而成或亲水性高分子制备而成；其中，所述亲水性聚合单体为丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、乙二醇丙烯酸酯；所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯；所述亲水性高分子为壳聚糖、聚乙烯醇、聚乙二醇、阳离子淀粉、羧甲基纤维素；

所述与纳米凝胶具有折射率差的物质为亲水性无机物或疏水性高分子；其中，所述亲水性无机物为氧化硅、氧化锌、氧化钛；所述疏水性高分子为聚甲基丙烯酸甲酯、乙酰基淀粉、聚苯乙烯、乙酰基壳聚糖。

文中所述传感器是一种简单的比色传感膜，通过颜色变化实现环境相对湿度的检测。

进一步地，所述亲水性聚合单体为丙烯酸、丙烯酰胺；所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；所述亲水性高分子为壳聚糖、阳离子淀粉；所述亲水性无机物为氧化锌、氧化钛；优选所述疏水性高分子为聚甲基丙烯酸甲酯、乙酰基淀粉。

优选地，所述基质为玻璃片、石英片或硅片。

本发明所述基于纳米凝胶的光子晶体比色湿度传感器通过调节纳米凝胶和与纳米凝胶具有折射率差的物质的折射率差和布拉格反射膜厚度调节传感器的初始禁带位置和反射率，通过调节纳米凝胶对环境湿度的响应敏感程度调节传感器的比色效果。

本发明的比色效果是指用于衡量传感器对湿度的敏感程度。