聚合胶体晶体阵列中微凝胶与水凝胶基质的相互作用及图案化的研究

摘要

我们通过自由基沉淀聚合制备了单分散的、表面带有少量负电荷的P(NIPAM-AAc)微凝胶。微凝胶通过自组装可以形成高度有序的胶体晶体阵列(colloidal crystal array，CCA)，将CCA嵌入在聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶基质中制备了聚合胶体晶体阵列(Polymerized crystalline colloidal array，PCCA)薄膜。PCCA由于具有明显的光学衍射现象，在传感器和光学材料方面有很好的应用前景。但是对PCCA复合水凝胶薄膜中包埋微凝胶与水凝胶基质之间的相互作用的研究却很少。
　　 在第一个课题中，我们以Bragg衍射作为研究手段，研究了PCCA复合水凝胶薄膜中包埋微凝胶与水凝胶之间的相互作用。衍射峰的强度和位置随着温度的变化而变化，据此可以推导出微凝胶与水凝胶之间的相互作用。我们的研究表明，非温敏的、亲水性PAAm水凝胶会显著影响温敏性P(NIPAM-AAc)微凝胶的体积相转变。与自由分散在溶液中的微凝胶相比，包埋状态的微凝胶在相转变前后体积变化很小。另外，微凝胶随温度的溶胀/收缩行为引起周围水凝胶基质的溶胀/收缩，这表明在两者之间存在着复杂的相互作用。微凝胶随温度的溶胀/收缩是快速的，而水凝胶基质则相对较慢。水凝胶的强度会影响微凝胶与水凝胶基质的相互作用。随着水凝胶强度的增加，水凝胶对微凝胶的影响更加明显，而与之相反，微凝胶对水凝胶的影响则变弱。在这一章的最后，我们还研究了PCCA膜的pH和葡萄糖响应，在其动力学数据中，我们发现与PCCA膜的快速响应有所不同，PCCA膜的pH和葡萄糖响应相对较慢，这可能是由扩散控制的。
　　 我们课题组对PCCA膜在葡萄糖和离子传感器方面的应用有诸多研究，而对其在光学材料方面却研究甚少。在第二个课题中，我们提出利用PCCA膜结构色的优势，通过掩膜制备具有不同图案的水凝胶薄膜。在图案化过程中，我们发现光引发时间、水凝胶基质组成和基底的选择等因素都会影响图案的分辨率及图案与背景的对比度。通过对条件的优化，我们制备的图案化的PCCA薄膜在低温下透明均一，在高温下呈现明显的彩色图案。用光纤光谱仪检测，图案部分有明显的Bragg衍射峰，随温度的降低，衍射峰强度降低，峰位置基本不变;而背景部分为无序结构，则不存在衍射峰，随温度的降低，膜的平均折射率降低，只出现基线的降低。我们还可以通过调节微凝胶的粒径和浓度来调节图案的颜色，制备整个可见光范围内不同颜色的图案化PCCA膜。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 水凝胶简介

第二节 微凝胶及其应用

1．2．1 微凝胶的定义

1．2．2 智能型微凝胶

1．2．3 PNIPAM微凝胶的应用

第三节 光子晶体

1．3．1 光子晶体的定义

1．3．2 光子晶体的制备

第四节 胶体晶体及聚合胶态晶体阵列

1．4．1 胶体晶体

1．4．2 胶体晶体的形成机理

1．4．3 制备胶体晶体的粒子分类

1．4．4 聚合胶体晶体阵列薄膜

第五节 课题的提出

第二章 水凝胶复合薄膜中微凝胶与水凝胶基质相互作用的研究

第一节 前言

第二节 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验试剂的预处理

2．2．3 实验仪器及设备

2．2．4 微凝胶的合成

2．2．5 微凝胶聚合胶体晶体阵列薄膜的制备

2．2．6 表征方法

第三节 结果与讨论

2．3．1 微凝胶的合成与表征

2．3．2 微凝胶PCCA薄膜的制备

2．3．3 平衡态下PCCA温度敏感的光学性质

2．3．4 动态下PCCA的温度敏感的光学性质

2．3．5 AAm与BIS含量对水凝胶基质的影响

2．3．6 PCCA薄膜的pH响应性

2．3．7 PCCA膜的功能化

第四节 本章小结

第三章 聚合胶体晶体阵列的图案化

第一节 前言

第二节 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验试剂的预处理

3．2．3 实验仪器及设备

3．2．4 P(NIPAM-AAc)微凝胶的制备

3．2．5 图案化PCCA膜的制备

第三节 结果与讨论

3．3．1 CCA的制备及表征

3．3．2 图案化PCCA膜的制备

3．3．3 PCCA膜图案化影响因素的研究

3．3．4 图案化PCCA膜的表征

3．3．5 不同颜色图案化PCCA膜的制备

第四节 本章小结

第四章 全文总结

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果