[发明专利]一种基于光子晶体凝胶膜的温度和应力传感器及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种基于光子晶体凝胶膜的温度和应力传感器由温度响应性胶体光子晶体和半互穿网络水凝胶预聚液复合而成，其中，温度响应性胶体光子晶体由微凝胶乳液通过针尖流动法制备而成，所采用的功能性单体的质量分数为0.5-2.0wt％，共聚单体的质量分数为0.1-0.5wt％，交联剂的质量分数为0.05-0.1wt％，引发剂的质量分数为0.03-0.1wt％，余量为水；半互穿网络水凝胶预聚液以N，N，N’，N’-四甲基乙二胺(TEMED)和过硫酸盐为氧化还原体系，所采用的反应单体的质量分数为6-10wt％，交联剂的质量分数为0.005-0.01％，高分子聚合物的质量分数为1.1-1.5wt％，余量为水；所述的微凝胶乳液制备过程中采用的功能性单体为N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸β-羟丙酯、丙烯酸、N，N-二乙基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N-正丙基丙烯酰胺、N-乙烯基异丁酰胺丙烯酸中的任意一种，共聚单体为丙烯酸叔丁酯、丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇、N-乙烯基-2-吡咯烷酮、甲基丙烯酸、苯乙烯、丙烯酰胺、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸羟乙酯、N，N-二甲基丙烯酰胺中的任意一种，两种单体的摩尔比为3.5∶1-8.0∶1；所述的交联剂为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、三缩丙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二缩水甘油醚、戊二醛中的任意一种；所述水凝胶预聚液制备过程中采用的反应单体是丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺、丙烯酸、N-乙烯基吡咯烷酮、N-羟甲基丙烯酰胺、N-乙烯基己内酰胺中的任意一种，高分子聚合物是海藻酸钠、丝胶蛋白、聚乙烯醇、聚环氧乙烷中的任意一种，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钠和过硫酸钾等过硫酸盐类的任意一种。

2.一种基于光子晶体凝胶膜的温度和应力传感器的制备，其特征在于：

(1)微凝胶乳液的合成：在安装有冷凝管、水浴锅、搅拌装置并通有氮气的三口烧瓶中添加30-70ml去离子水，将温度调至55-80℃，在烧杯中配置质量分数为0.5-2.0wt％的功能性单体，与质量分数为0.05-0.1wt％的交联剂的混合溶液，搅拌至完全溶解后倒入三口烧瓶中，当温度稳定在55-80℃时，用移液枪快速加入共聚单体，20-40min后将引发剂加入到混合溶液中，在氮气保护下反应4-8h后，缓慢降温至20-25℃，即得到微凝胶乳液；

(2)微凝胶的离心提纯：将步骤(1)得到的微凝胶乳液进行离心，用吸管吸取上清液，将离心后的微凝胶固体置于阴凉处，自然晾干后加入2-5mL蒸馏水超声分散备用；

(3)响应性光子晶体制备：将100-300μL步骤(2)得到的微凝胶乳液放入5mL小烧杯中，依次加入20-40μL的去离子水和20-40μL正丙醇，超声分散1-3min备用；利用微型移液针的针尖滴至水面上，得到大面积的单层光子晶体；将处理后的载玻片45°斜插入水面以下，将光子晶体薄膜挑起，擦掉反面残留光子晶体，并将其与水平面呈30-60°晾干，即可得到2D光子晶体，激光照射后，可观察到德拜环；

(4)半互穿网络水凝胶预聚液的配制：在装有20mL去离子水的烧杯中配制质量分数为6-10wt％的反应单体和质量分数为0.005-0.01％的交联剂的混合溶液，加入转子搅拌至完全溶解，加入高分子聚合物至其质量分数为1.1-1.5wt％，搅拌至液体透明，静置2-3h脱泡后，通入N₂，依次加入引发剂和催化剂，搅拌均匀后静置脱泡，得到半互穿网络水凝胶预聚液；

(5)响应性光子晶体凝胶膜传感器的制备：将3-10mL步骤(4)得到的半互穿网络水凝胶预聚液倾倒在步骤(3)得到的光子晶体薄膜上，并用0.1-0.5mm的铁片控制厚度，之后覆盖另一玻璃板，放入30-60℃烘箱中，1-3h后得到光子晶体凝胶膜，随后，将样品浸入25-45℃的去离子水中，拿去上玻璃板并用刀片刮下，即可制得基于光子晶体凝胶膜的温度和应力传感器。

3.根据权利要求2，所述的基于光子晶体凝胶膜的温度和应力传感器的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的在氮气保护下反应4-8h后，需先通入N₂并将转速调至原来的30％-60％，再缓慢降温至室温，速度为1-5℃/min。

4.根据权利要求2，所述的基于光子晶体凝胶膜的温度和应力传感器的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的移液枪的量程为100-1000μL。