[发明专利]一种生物质复合光刻水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种生物质复合光刻水凝胶及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明以木质素、纤维素为原料，在碱/尿素溶液中低温快速溶解，制备出高强度、高弹性、磁响应的生物质水凝胶。制备出的生物质水凝胶具有优异的紫外吸收性能，热稳定性，机械稳定性。更重要的是，在室温下，磁性水凝胶在近红外光的照射下不仅能够呈现稳定的光刻图案而且能被切割成块。图案的设计与切割的时间可以通过光照时间和光源功率来控制。本发明操作简单、灵活性高，可以在水下和狭小空间内精准、可控操作。在光、电、磁材料具有很好应用前景。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种生物质复合光刻水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

光刻胶技术是一种新兴的、强大的制造技术，可以精确构建复杂的微观结构图案。该技术在电子、光子、光学和磁性器件等应用中具有巨大潜力，因此在学术界和工业界都备受关注。目前，通过低成本、室温和低压条件实现水凝胶的光刻，具有明显的困难，例如大多数水凝胶的机械性能较弱，在承受小应力和大应变时容易破裂；当温度接近水的沸点时，传统的水凝胶将不可避免地结构遭到破坏，它们结构会变得松散，在高温下失去原始的弹性。水凝胶的双交联网络结构可以在凝胶发生变形时，起着重要作用。强化学交联网络为水凝胶提供高强度，而密集的物理交联网络(离子键和氢键)保持水凝胶的弹性，通过氢键和离子键的断裂重新排列来消耗能量。

磁性水凝胶由于在微电子器件、传感器方面的应用潜力，受到科研工作者广泛的关注。目前报道的磁性水凝胶可以依赖它的磁响应性，通过外磁场进行简单的驱动，然而，在狭小的空间以及水下环境实现精准、可控的光刻操作仍是巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物质复合光刻水凝胶及其制备方法和应用，所制备的磁性水凝胶具有优异的紫外吸收性能、热稳定性和机械稳定性，在近红外光照射的情况下，应用于光刻或切割中。

为实现上述目的，采用技术方案如下：

一种生物质复合光刻水凝胶的制备方法，该方法是将磁性纤维素溶液、木质素的碱溶液、氯化钙和环氧氯丙烷混合，所得混合溶液于室温条件下在模具中放置至少36小时，即获得所述生物质复合光刻水凝胶；该方法具体包括如下步骤：

(1)制备磁性纤维素：所述磁性纤维素是在纤维素表面原位生长四氧化三铁纳米粒子形成的纳米四氧化三铁/纤维素复合材料；其中：所述四氧化三铁纳米粒子为球形或类球形粒子，具有超顺磁性，粒径为10-20nm；

(2)制备磁性纤维素溶液：将步骤(1)所得纳米四氧化三铁/纤维素复合材料加入氢氧化纳与尿素的水溶液中，在-12℃和搅拌条件下2分钟内形成均一的磁性纤维素溶液；

(3)木质素的碱溶液制备：将玉米秸秆溶解于强碱溶液中得到木质素的碱溶液；

(4)将步骤(2)制备的磁性纤维素溶液、步骤(3)制备的木质素的碱溶液、氯化钙和环氧氯丙烷混合，在模具中室温条件下存放36小时后即获得所述生物质复合光刻水凝胶。

步骤(1)中，所述纳米四氧化三铁/纤维素复合材料的制备过程为：将FeCl₃·6H₂O、FeCl₂·4H₂O、纤维素与去离子水混合搅拌，并在65℃条件下滴入1mol/L的氢氧化钠溶液，持续保温搅拌反应2小时，冷却至室温，磁铁分离后冷冻干燥，即得到所述纳米四氧化三铁/纤维素复合材料。