一种具有温控滤光功能的水凝胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及智能材料技术领域，尤其涉及一种具有温控滤光功能的水凝胶及其制备方法。

背景技术

滤光材料是指能够选择性地透过不同波长段的光，从而从入射光中选取出所需辐射波段的光学器件。滤光材料（片）在从摄影摄像、光学传感、光纤通讯等各类光学装备设置和光学工程中具有重要应用价值。目前关于滤光材料的制备原理主要分为两类，其中一类为吸收型滤光材料，其主要是向基材（底）中掺入各种对于特定吸收波段的有机或无机物，第二类为干涉型滤光材料，其主要是将两种不同折射率的物质以特定的厚度交替蒸镀在基底上。吸收型滤光材料使用耐久性更好，但是滤光波段受滤波物质所决定，不能够精确调控。干涉型滤光材料能够通过蒸镀材料折射率和蒸镀厚度的涉及来精确调控滤光波段，但是制备过程更加复杂、昂贵。

值得强调的是目前这两种类型的滤光材料的滤光波段在材料制备完成后就彻底固定不变,即当前的滤光材料的滤光波段不会随着环境因素的变化而变化，外界因素如温度的变化并不会影响其滤光功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有温控滤光功能的水凝胶及其制备方法,用于解决：当前的滤光材料的滤光波段不会随着环境因素的变化而变化，外界因素的变化并不会影响其滤光功能。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有温控滤光功能的水凝胶，所述水凝胶包括聚合物水凝胶和分散在聚合物水凝胶中的温敏聚合物；

所述聚合物水凝胶由水溶性聚合物、交联剂和水组成。

进一步优选的，所述水溶性聚合物包括但不限于以下中的至少一个:

聚丙烯酰胺及其共聚物、聚乙烯醇、聚乙二醇及其共聚物、聚氧化乙烯、聚丙烯酸及其共聚物、明胶、黄原胶、瓜尔胶、淀粉及其衍生物、壳聚糖、聚乙烯基吡咯烷酮。

进一步优选的，所述聚合物水凝胶中的水含量为20%-99%。

进一步优选的，所述温敏聚合物指其在水中溶解度随温度显著变化的聚合物，包括但不限于以下中的至少一个：

聚异丙基丙烯酰胺均聚物或共聚物、聚乙二醇均聚物或共聚物、双丙酮丙烯酰胺与其他单体的共聚物、羟丙基纤维素。

进一步优选的，所述交联剂包括但不限于以下中的至少一个：

甲基丙烯酸酯缩水甘油醚、甲叉双丙烯酰胺、乙二醇二丙烯酸酯、硼酸、戊二醛、二乙烯基苯、甲醛。

一种具有温控滤光功能的水凝胶的制备方法，所述制备方法为单体聚合法或聚合物交联法。

进一步优选的，当制备方法为单体聚合法时，包括以下步骤：

S1.将聚合物单体溶解于水中，形成溶液；

S2.温敏聚合物和交联剂按照质量配比溶解在上述溶液中

S3.将自由基引发剂加入上述溶液中，引发体系聚合形成具有温控滤光功能的水凝胶。

进一步优选的，所述聚合物单体包括但不限于以下中的至少一个：丙烯酸类、丙烯酰胺类、甲基丙烯酸酯类、丙烯酸酯类单体；

所述聚合物单体和交联剂的质量比例为1∶0.0001-0.1；

所述温敏聚合物占溶液的质量含量为0.1%-1.6%；

所述水凝胶中水质量含量为20%-99%。

进一步优选的，当制备方法为聚合物交联法时，包括以下步骤：

S1.将水溶性聚合物、温敏聚合物溶解在水中；

S2.将交联剂加入上述溶液中；

S3.通过交联反应的发生形成具有温控滤光功能的水凝胶。

进一步优选的，所述水溶性聚合物占所有成分的质量分数为5%-20%；

所述温敏聚合物占所有成分的质量分数为0.0001%-30%；

所述交联剂占的含量为0.0001%-10%。

本发明至少具备以下有益效果：

本发明实现了滤光功能对外界温度变化的响应性，通过温度的变化即可使水凝胶材料呈现出不同的滤光功能。本发明的水凝胶在低温时，可见光波长以上所有波段的光都可透过，并不会对特定波段选择性透过；当升高至特定温度时，波长低于某临界波长的光将会被衰减，而波长高于该特定波长的光则会通过，呈现出对高波长光的选择性透过，即通常所说的长波通型滤光。由此实现了本发明的滤光材料的滤光波段可以随着环境因素的变化而变化，满足特定的使用需求。

图1为本发明的温控滤光示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据发明的第一个方面，本文公开提出了一种可以通过改变温度调控可见光透过率的水凝胶，在低温时无滤光功能，在高温时呈现出长波通型滤光功能。

在本发明中，提供了一种温控滤光功能水凝胶的典型实施方式，为单体聚合法。单体聚合法是将聚合物单体、温敏聚合物和交联剂溶解于溶剂中，而后加入自由基引发剂引发聚合，所述的聚合物单体为丙烯酰胺，所述的温敏聚合物为双丙酮丙烯酰胺与丙烯酰胺的共聚物，所述的交联剂为甲叉双丙烯酰胺，所述的自由基引发剂为硝酸铈铵/亚硫酸氢钠氧化还原体系。

首先，本发明公开以交联型聚合物水凝胶具有透明的特性。其次，本发明公开在合成过程中加入温敏聚合物，温敏聚合物在水中的溶解性随着温度的变化而显著变化，本发明公开通过将常规水凝胶与温敏聚合物复合，改变水凝胶的骨架性质，当温度低于聚合物的最低临界共溶温度（LCST）时，聚合物能够以分子形式非常好地溶解在水里，在宏观上水凝胶呈现为透明状态，当温度高于LCST时，聚合物就不溶于水，分子链塌缩并且以微球的形式分散在水凝胶中，由于水凝胶中的微球存在强烈的光散射现象，在宏观上水凝胶呈白色且透明性较差。第三，本发明公开可以有效抑制水凝胶相转变前后的体积收缩。

该实施方式的一种或多种实施例中，聚合物单体丙烯酰胺和交联剂的质量比例为1∶0.001-0.02。

该实施方式的一种或多种实施例中，温敏聚合物在体系中的含量（质量含量）为0.1%-1.6%。

该实施方式的一种或多种实施例中，聚合物水凝胶中水含量（质量含量）为80%-95%。

该实施方式的一种或多种实施例中，聚合物水凝胶中引发剂为硝酸铈铵/亚硫酸氢钠氧化还原体系。

该实施方式的一种或多种实施例中，聚合物单体丙烯酰胺和引发剂的质量比例为1∶0.001-0.015。

本发明公开的另一种实施方式为聚合物交联法。聚合物交联法是将水溶性聚合物、温敏聚合物和交联剂溶解于溶剂中交联，所述的水溶性聚合物为瓜胶，所述的温敏聚合物为双丙酮丙烯酰胺与丙烯酰胺的共聚物，所述的交联剂为硼酸。

该实施方式的一种或多种实施例中，水溶性聚合物瓜胶在体系中的含量（质量分数）为5%-20%。

该实施方式的一种或多种实施例中，温敏聚合物在体系中的含量（质量含量）为0.1%-1.6%。

该实施方式的一种或多种实施例中，硼酸在体系中的含量为0.01%-1%。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本公开的技术方案。

实施例1

1.称量1.11g丙烯酰胺将其加入10mL温敏聚合物溶液（质量分数为0.001），室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为FDAM-0.001-AM-10%-MBA-0。

实施例2

1.称量1.11g丙烯酰胺将其加入10mL温敏聚合物溶液（质量分数为0.001），加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0045g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为FDAM-0.001-AM-10%-MBA-0.0045。

实施例3

1.称量1.11g丙烯酰胺将其加入10mL温敏聚合物溶液（质量分数为0.001），加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0100g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为FDAM-0.001-AM-10%-MBA-0.0100。

实施例4

1.称量1.11g丙烯酰胺将其加入10mL温敏聚合物溶液（质量分数为0.001），加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0156g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为FDAM-0.001-AM-10%-MBA-0.0156。

实施例5

1.称量1.11g丙烯酰胺将其加入10mL温敏聚合物溶液（质量分数为0.001），加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0222g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为FDAM-0.001-AM-10%-MBA-0.0222。

实施例6

1.称量0.53g丙烯酰胺将其加入10mL温敏聚合物溶液（质量分数为0.001），加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0100g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0005g和亚硫酸氢钠0.0010g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为FDAM-0.001-MBA-0.0100-AM-5%。

实施例7

1.称量2.00g丙烯酰胺将其加入10mL温敏聚合物溶液（质量分数为0.001），加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0100g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0020g和亚硫酸氢钠0.0040g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为FDAM-0.001-MBA-0.0100-AM-15%。

实施例8

1.称量2.50g丙烯酰胺将其加入10mL温敏聚合物溶液（质量分数为0.001），加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0100g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0025g和亚硫酸氢钠0.0050g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为FDAM-0.001-MBA-0.0100-AM-20%。

实施例9

1.称量1.11g丙烯酰胺和0.02g温敏聚合物将其加入10mL去离子水中，加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0150g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为AM-10%-MBA-0.0150-FDAM-0.02。

实施例10

1.称量1.11g丙烯酰胺和0.04g温敏聚合物将其加入10mL去离子水中，加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0150g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为AM-10%-MBA-0.0150-FDAM-0.04。

实施例11

1.称量1.11g丙烯酰胺和0.08g温敏聚合物将其加入10mL去离子水中，加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0150g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为AM-10%-MBA-0.0150-FDAM-0.08。

实施例12

1.称量1.11g丙烯酰胺和0.16g温敏聚合物将其加入10mL去离子水中，加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0150g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为AM-10%-MBA-0.0150-FDAM-0.16。

实施例13

1.称量1.11g丙烯酰胺和0.04g温敏聚合物将其加入10mL去离子水中，加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0150g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0011g和亚硫酸氢钠0.0022g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为AM-10%-MBA-0.0150-FDAM-0.04-引发剂-0.0030。

实施例14

1.称量1.11g丙烯酰胺和0.04g温敏聚合物将其加入10mL去离子水中，加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0150g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0017g和亚硫酸氢钠0.0034g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为AM-10%-MBA-0.0150-FDAM-0.04-引发剂-0.0046。

实施例15

1.称量1.11g丙烯酰胺和0.04g温敏聚合物将其加入10mL去离子水中，加入交联剂甲叉双丙烯酰胺0.0150g，室温下在超声波清洗机中以40KHz功率超声震荡5min促进溶解。

2.待上述溶液混合均匀后加入引发剂硝酸铈铵0.0022g和亚硫酸氢钠0.0044g，混合均匀后进行预聚合。

3.将预聚合的溶液转移至模具中，待反应完全，得到温控滤光功能水凝胶，记为AM-10%-MBA-0.0150-FDAM-0.04-引发剂-0.0060。、

图1为图1为本发明所制备的材料的温控滤光示意图

结合上述和说明书附图的图1可知：

本发明实现了滤光功能对外界温度变化的响应性，通过温度的变化即可使水凝胶材料呈现出不同的滤光功能；该水凝胶在低温时，可见光波长以上所有波段的光都可透过，并不会对特定波段选择性透过。当升高至特定温度时，波长低于某临界波长的光将会被衰减，而波长高于该特定波长的光则会通过，呈现出对高波长光的选择性透过，即通常所说的长波通型滤光。该临界波长可在300nm-700nm之间调控，转变温度可以在5℃-90℃调控。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。