一种热致变色光子晶体及其制备方法和应用

本发明涉及发光材料，更具体地，涉及一种热致变色光子晶体及其制备方法和应用。

背景技术：

1、“热响应型胶体晶体”是胶体领域和光物理学领域的研究热点。热响应型胶体晶体是一种能在外部温度刺激下改变自身结构色的新型材料，可应用于比色温度传感器、显示、防伪等领域。传统的热响应型胶体晶体的变色原理是温敏基质或者温敏结构基元受热时产生体积上的膨胀或收缩，导致胶体晶晶面间距的变化从而产生反射信号和结构色的变化。传统的热响应型胶体晶体通常是基于n-异丙基丙烯酰胺水凝胶开发，n-异丙基丙烯酰胺水凝胶是通过内部氢键与水分子的结合或释放以响应外界温度变化，因此其工作条件苛刻且不稳定；而受限于低临界溶解温度，其温度响应范围窄。

2、现有技术公开了一种双层热响应光子晶体薄膜器件，可以通过非阵列参数调控实现刺激响应，同时提高了可提高光子晶体器件的耐摩擦性、耐溶剂性，稳定性得到提升，但是并未改善该热响应光子晶体薄膜器件的响应温度范围和灵敏度。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有热致变色光子晶体响应温度范围窄的缺陷和不足，提供一种热致变色光子晶体，可以通过改变温度调整折射率的差值△n，进而调节反射率，实现结构色的变化，具有工作温度宽、响应速度快、高灵敏度、良好的可逆性和稳定性的优点。

2、本发明的另一目的是提供一种上述热致变色光子晶体的制备方法。

3、本发明的再一目的在于提供一种上述热致变色光子晶体在温度传感器中的应用。

4、本发明的又一目的在于提供一种上述热致变色光子晶体在显示器件中的应用。

5、本发明上述目的通过以下技术方案实现：

6、一种热致变色光子晶体，由聚合物基体和胶体颗粒组装形成，

7、所述聚合物基体为聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)、聚四乙二醇二甲基丙烯酸酯(ptegdma)、聚乙氧基化三羟基丙烷三丙烯酸酯(petpta)、聚二乙二醇二甲基丙烯酸酯(pdegeea)、聚甲基丙烯酸二丙酯(ppgma)、聚丙二醇丙烯酸酯(ppga)中的至少一种；

8、所述胶体颗粒为二氧化硅、聚苯乙烯、空心二氧化硅、二氧化钛、聚甲基丙烯酸甲酯、空心酚醛树脂中的至少一种。

9、其中需要说明的是：

10、结构色是指部分特殊结构的存在使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉等而产生的颜色变化。

11、本发明所述热致变色光子晶体为基于折射率匹配的液态透明的热致变色光子晶体，其存在状态为液态胶体晶体。通过设计折射率匹配的特定聚合物基体和特定胶体颗粒进行组合，在加热过程中，热致变色光子晶体中的胶体颗粒折射率不变，而聚合物基体(即液态部分)的折射率会随着温度的升高线性降低，导致热致变色光子晶体的内部折射率差增加，引起反射率的增加，实现结构色的变化。

12、本发明的聚合物基体，例如聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)，可以在20-100℃的温度区间内产生了比较明显的折射率降低，进而与特定胶体颗粒形成明显的折射率差变化，实现结构色的变化，响应温度范围为25～100℃，响应温度范围宽。

13、且本发明的热致变色光子晶体为液态光子晶体，反射率对折射率差的变化极其敏感，当温度变化引起细微的折射率差变化使得液态光子晶体的的反射率发生变，影响灵敏度高。且因为折射率对温度的响应的即时的，因此能够立即引起反射率变化，响应速度快。

14、且本发明的热致变色光子晶体的折射率基于温度的变化是可逆的，pegda等聚合物基体也具有非挥发性，因此，本发明的热致变色光子晶体材料还具有良好的稳定性和可逆性。

15、由于本发明的热致变色光子晶体为液态胶体晶体，具有优异的可塑性，可以通过封装到不同的模具中，得到一维、二维或三维的形态。

16、将本发明所述热致变色光子晶体封装在模具中，对模具进行加热，可以实现热致变色光子晶体从透明到显现结构色的转变，其亮度随着温度的不断升高而增强。

17、具体地，所述模具为透明的聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚氨酯、玻璃、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸中的一种或几种，更具体为聚二甲基硅氧烷。

18、此外，与传统热致变色胶体晶凝胶相比，本发明所述热致变色光子晶体具有流动性，在受到应力时能够流动以抵抗变形，具有优异的抗力致变色性能。

19、具体地，所述胶体颗粒的体积分数为20～40％。

20、优选地，所述胶体颗粒的体积分数为25～35％。

21、具体地，所述胶体颗粒的平均粒径为100～400nm。

22、优选地，所述胶体颗粒的平均粒径为140～200nm。

23、在具体实施方式中，优选地，所述聚合物基体为聚乙二醇二丙烯酸酯。

24、在具体实施方式中，优选地，所述胶体颗粒为二氧化硅。

25、本发明具体保护一种上述热致变色光子晶体的制备方法，包括如下步骤：

26、s1.将胶体颗粒均匀分散在乙醇和聚合物基体的混合液中，得到含有胶体颗粒的悬浮液；

27、s2.将步骤s1得到的悬浮液进行加热浓缩，得到液态胶体晶体，即热致变色光子晶体。

28、上述制备过程中，步骤s1主要是为了使胶体颗粒充分分散在聚合物基体中，并充分混合，经过步骤s2的加热浓缩，除去大部分乙醇，约残留3～5％的乙醇，使胶体颗粒达到临界组装浓度，得到热致变色光子晶体。直接将胶体颗粒通过超声仪器分散到聚合物基体会受到聚合物单体粘度的限制而导致二氧化硅颗粒无法均匀分散，采用上述制备方法可以将胶体颗粒均匀分散在聚合物基体中。

29、具体地，所述步骤s2中的加热温度为90～100℃。

30、具体地，所述加热时间为1h～2h，优选为1h。

31、本发明还保护一种上述热致变色光子晶体在温度传感器中的应用。

32、随着温度的变化，本发明所述热致变色光子晶体内部折射率差会发生改变，致使反射率发生变化，实现结构色的变化，且具有工作温度范围宽、响应速度快、灵敏度高、可逆性和稳定性良好等优点，与传统热致变色胶体晶凝胶相比，本发明所述热致变色光子晶体还具有优异的抗力致变色性能，适合应用于温度传感器中。

33、本发明具体保护一种显示器件，所述显示器件的显示单元包括上述热致变色光子晶体。

34、由于本发明所述热致变色光子晶体具有工作温度范围宽、响应速度快、灵敏度高、可逆性和稳定性良好等优点，同时表现出优异的抗力致变色性能，因此尤其适用于显示器件中。

35、将本发明的热致变色光子晶体封装到模具中，组成显示单元，对显示单元进行加热，可以实现对应显示单元的结构色显示。

36、具体地，所述显示单元的厚度为90～270μm，优选为170～190μm，更优选为180μm。

37、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

38、本发明提供一种热致变色光子晶体，通过设计折射率匹配的特定聚合物基体和特定胶体颗粒进行组合，得到的热致变色光子晶体可以通过改变温度调整折射率的差值△n，进而调节反射率，实现结构色变化。

39、本发明所述热致变色光子晶体具有25～100℃的宽工作温度范围，反射率每秒的变化高达1.75％，响应速度快，每变化1℃的温度，反射率变化0.46％，灵敏度高，同时具有良好的可逆性，可重复进行30次的热致变色过程。此外，所述热致变色光子晶体还表现出优异的可塑性和抗力致变色能力，尤其适用于温度传感器和显示器件中。