一种粘性光子晶体水凝胶传感器及其制备方法及应用

1.本发明涉及功能材料技术领域，更具体地说，是涉及一种粘性光子晶体水凝胶传感器及其制备方法及应用。


背景技术：

2.现有可穿戴的可视化传感器大多数是依赖电的，需通过外加电源将电信号转化成可视的颜色变化(光信号)，并且还存在颜色亮度低、颜色变化范围有限等导致的传感器灵敏度以及检测范围不太理想、使用操作复杂、由于自身不具备粘性需借助辅助工具穿戴等问题，大大限制了可穿戴的可视化传感器的使用。
3.光子晶体是一类具有光学带隙的材料，能够选择性的反射某一波长的光线，当所反射的波长位于可见光范围时，便能够观察到颜色。由光子晶体和水凝胶复合而成的光子晶体传感器能够通过颜色变化实现运动监测，避免了外接电源的使用，简化了使用条件。
4.但现有的光子晶体传感器自身不具有粘性，需要借助胶水、胶带、皮筋等辅助工具进行穿戴，穿戴极为不方便；并且难以使光子晶体传感器和皮肤紧密贴合，降低了运动检测的准确性，在水环境中穿戴也极易脱落，无法在水中使用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种具有粘性的光子晶体水凝胶，以解决现有技术中光子晶体传感器穿戴不方便、无法在水中穿戴的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.第一方面，本发明提供一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，包括：
8.将丙烯酰胺(am)、丙烯酰基-l-苯丙氨酸(apa)、聚乙烯亚胺(pei)和交联剂在溶剂中溶解分散，加入石墨烯分散液和引发剂，制备预聚合溶液；用预聚合溶液填充光子晶体；紫外光下聚合，制得粘性光子晶体水凝胶传感器。
9.所述丙烯酰基-l-苯丙氨酸的化学结构式如下：
[0010][0011]
作为本发明所提供的制备方法的一个优选方案，所述丙烯酰胺和丙烯酰基-l-苯丙氨酸的摩尔比为(6-13)：1。
[0012]
进一步优选的，所述丙烯酰胺和丙烯酰基-l-苯丙氨酸的摩尔比为9：1。
[0013]
作为本发明所提供的制备方法的另一个优选方案，所述石墨烯的质量与丙烯酰胺、丙烯酰基-l-苯丙氨酸、聚乙烯亚胺三者质量之和的比值为(0.06-0.18)：100。
[0014]
进一步优选的，所述石墨烯的质量与丙烯酰胺、丙烯酰基-l-苯丙氨酸、聚乙烯亚胺三者质量之和的比值为(0.16-0.18)：100。
[0015]
作为本发明所提供的制备方法的另一个优选方案，所述聚乙烯亚胺和丙烯酰胺的质量摩尔比(g/mol)为1：(0.1-0.15)。
[0016]
作为本发明所提供的制备方法的另一个优选方案，所述聚乙烯亚胺的分子量为10000-70000。
[0017]
作为本发明所提供的制备方法的另一个优选方案，所述溶剂为二甲基亚砜。
[0018]
作为本发明所提供的制备方法的另一个优选方案，所述石墨烯分散液的制备方法包括：将石墨烯、分散剂和去离子水混合，超声处理，静置，取上层悬浊液作为石墨烯分散液。
[0019]
作为本发明所提供的制备方法的另一个优选方案，所述光子晶体的制备方法包括：制备粒径为170-230nm的聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球，采用垂直自组装法或气/液界面自组装法制备光子晶体。
[0020]
作为本发明所提供的制备方法的另一个优选方案，所述交联剂的摩尔量与丙烯酰胺、丙烯酰基-l-苯丙氨酸两者摩尔量之和的比值为(0.03-1.04)：100。
[0021]
作为本发明所提供的制备方法的另一个优选方案，所述引发剂的摩尔量与丙烯酰胺、丙烯酰基-l-苯丙氨酸两者摩尔量之和的比值为(0.2-0.4)：100。
[0022]
第二方面，本发明还提供一种粘性光子晶体水凝胶传感器，采用上述制备方法制备而成。
[0023]
第三方面，本发明还提供上述粘性光子晶体水凝胶传感器在可穿戴式运动传感器技术领域中的应用。
[0024]
本发明的有益效果至少在于：
[0025]
本发明提供的制备方法制备的粘性光子晶体水凝胶传感器可用于日常运动监测和康复训练病人的运动监测；通过添加石墨烯材料来提供导电性，不需要使用外加电源，可以通过光信号(结构色和光谱变化)和电信号(相对电阻变化)来监测人体的运动，具有灵敏的拉伸变色性能和电信号变化性能；并且具有良好的粘性，可以不借助胶水、胶带、皮筋等辅助工具的情况下方便地穿戴，能与皮肤紧密贴合，不易脱落，同时提高了运动监测的准确性，还使其可以用于水下穿戴。
附图说明
[0026]
图1为本发明的粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法的过程示意图；
[0027]
图2为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器的拉伸变色性能研究中的反射光谱变化图。
[0028]
图3为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器的机电性能研究中的相对电阻变化图。
[0029]
图4为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器的循环利用研究中的反射光谱变化图。
[0030]
图5为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器的循环利用研究中的相对电阻变化图。
[0031]
图6为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器与不同材料间的粘性对比图。
[0032]
图7为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器间接穿戴的防水性测试结果图。
[0033]
图8为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器直接穿戴的防水性测试结果图。
[0034]
图9为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在非水环境中粘贴在丁腈手套表面的效果图；
[0035]
图10为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在非水环境中间接穿戴的相对电阻变化图。
[0036]
图11为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在非水环境中间接穿戴的反射光谱变化图。
[0037]
图12为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在非水环境中粘贴在手指皮肤上的效果图；
[0038]
图13为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在非水环境中直接穿戴的相对电阻变化图
[0039]
图14为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在非水环境中直接穿戴的反射光谱变化图。
[0040]
图15为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在水环境中粘贴在丁腈手套表面的效果图；
[0041]
图16为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在水环境中间接穿戴的反射光谱变化图。
[0042]
图17为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在水环境中粘贴在手指皮肤上的效果图；
[0043]
图18为实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器在水环境中直接穿戴的反射光谱变化图。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合具体的实施方式，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方式只是用于详细说明本专利，并不以任何方式限制本发明的保护范围。
[0045]
本发明提供的的粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，包括：
[0046]
将丙烯酰胺、丙烯酰基-l-苯丙氨酸、聚乙烯亚胺和交联剂在溶剂中溶解分散，加入石墨烯分散液和引发剂，制备预聚合溶液；用预聚合溶液填充光子晶体；紫外光下聚合，制得粘性光子晶体水凝胶传感器。
[0047]
其中，丙烯酰胺和丙烯酰基-l-苯丙氨酸的摩尔比为(6-13)：1。例如可以选择6：1、8：1、9：1、11：1、13：1等。
[0048]
石墨烯的质量与丙烯酰胺、丙烯酰基-l-苯丙氨酸、聚乙烯亚胺三者质量之和的比值为(0.06-0.18)：100。例如可以选择0.06：100、0.09：100、0.13：100、0.17：100、0.18：100等。
[0049]
聚乙烯亚胺和丙烯酰胺的质量摩尔比(g/mol)为1：(0.1-0.15)。例如可以选择1：0.1、1：0.12、1：0.13、1：0.15等。
[0050]
聚乙烯亚胺的分子量为10000-70000。例如分子量可以选择10000、20000、45000、50000、70000等。
[0051]
溶剂可以选择二甲基亚砜。
[0052]
石墨烯分散液的制备方法包括：将石墨烯、分散剂和去离子水混合，超声处理，静置，取上层悬浊液作为石墨烯分散液。
[0053]
本发明先后进行多次试验，现列举一部分试验作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明：
[0054]
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；以下实施例中所用的原材料、仪器和设备等，均可通过市场购买获得或者可通过现有方法获得；所述试剂用量，如无特殊说明，均为常规实验操作中试剂用量；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
[0055]
实施例1
[0056]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，包括：
[0057]
将319.86mg(4.5mmol)丙烯酰胺、109.62mg(0.5mmol)丙烯酰基-l-苯丙氨酸、35.3mg聚乙烯亚胺(分子量为70000)、0.23mg(1.5μmol)n,n'-亚甲基双丙烯酰胺溶于0.4ml二甲基亚砜中；加入1.6ml的石墨烯分散液(浓度0.5mg/ml)和2.8μl(13.9μmol)2,2-二乙氧基苯乙酮，超声处理和氮气鼓泡各10min制得预聚合溶液；用携带光子晶体的玻璃片覆盖在另一块玻璃片上制得三明治结构，玻璃片之间用载玻片隔开1.1mm的缝隙；将预聚合溶液从缝隙注入三明治结构中；紫外光照射2.5h，获得粘性光子晶体水凝胶传感器，置于水中浸泡24h。
[0058]
其中，携带光子晶体的玻璃片的制备方法如下：
[0059]
采用无皂乳液聚合法制备粒径为180nm的pmma胶体微球，配制pmma胶体微球的浓度为1.5mg/ml的pmma悬浊液，将盖玻片垂直插入pmma悬浊液中，在37℃、50％湿度的环境中待去离子水完全挥发后将其放入60℃烘箱中干燥3h，即可获得携带光子晶体的玻璃片。
[0060]
石墨烯分散液的制备方法如下：
[0061]
称取30mg石墨烯和40mg曲拉通x-100，置于50ml圆底烧瓶中，加入35ml去离子水；将圆底烧瓶置于超声波清洗器中超声处理2h，再静置12h；用滴管缓慢的吸取15ml上层悬浊液作为石墨烯分散液。
[0062]
石墨烯分散液的浓度通过下述方法确定：用规格为0.22μl的针筒式过滤器过滤石墨烯分散液，用去离子水洗涤3遍，将滤膜置于温度为50℃的鼓风干燥箱中12h，根据其质量变化计算得出石墨烯分散液中石墨烯的浓度为0.5mg/ml。
[0063]
对本实施例制备的粘性光子晶体水凝胶传感器进行性能研究，具体如下：
[0064]
(1)拉伸变色性能研究
[0065]
对粘性光子晶体水凝胶传感器进行手动拉伸，用钢尺记录长度变化，同时裸眼观察粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色变化；用光纤光谱仪记录反射光谱变化。
[0066]
经观察可知，当粘性光子晶体水凝胶传感器被从原始状态拉伸至增长86.7％时，其结构色从红色逐渐变化为橙色、黄色、绿色，直至最终变成蓝色。
[0067]
反射光谱变化情况如图2所示，当传感器被从原始状态拉伸至100％时，其反射光谱从639nm移至430nm，平均灵敏度为2.09nm/％。
[0068]
因此，本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器具有较宽的颜色变化跨度和灵敏
的拉伸变色性能。
[0069]
(2)机电性能研究
[0070]
对粘性光子晶体水凝胶传感器进行手动拉伸，用钢尺记录长度变化，同时用数字万用表记录电阻变化，结果如图3所示。当粘性光子晶体水凝胶传感器被从原始状态拉伸至200％时，其相对电阻变化从0增加至327％，表现出灵敏的电信号变化，因此可以通过电信号来反映本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器的应变。
[0071]
(3)循环利用研究
[0072]
拉伸变色性能：对粘性光子晶体水凝胶传感器进行手动拉伸，在应变为0和100％之间进行循环，用钢尺记录长度变化，用光纤光谱仪记录反射光谱变化，结果如图4所示。粘性光子晶体水凝胶传感器在900次循环实验中反射光谱峰的波长变化的是保持稳定的。900次之后，当应变为100％时出现轻微的信号衰减，说明本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器的拉伸变色性能具有良好的循环利用性。
[0073]
机电性能：对粘性光子晶体水凝胶传感器进行手动拉伸，在应变为0和100％之间进行循环，用钢尺记录长度变化，用数字万用表记录电阻变化，结果如图5所示。粘性光子晶体水凝胶传感器在2000次的循环实验中相对电阻变化保持稳定，说明本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器的机电性能具有良好的循环利用性。
[0074]
(4)粘性研究
[0075]
将粘性光子晶体水凝胶传感器分别覆盖在测试材料上，测试材料包括铁、玻璃、皮肤、丁腈橡胶、纸、聚丙烯。在万能试验机的传感部件上安装铁块，以50n的力将测试材料按压在铁块上10s，启动万能试验机使铁块和待测材料分离，根据接触面积和万能试验机所显示的最大荷载计算最大粘附力，测试结果如图6所示。粘性光子晶体水凝胶传感器对各类材质的粘附性良好，具有广泛的应用潜力，其中对皮肤具有约27kpa的粘附力，能够满足穿戴的需要。
[0076]
将粘性光子晶体水凝胶传感器粘附在丁腈手套上和直接黏附在皮肤上分别进行间接和直接穿戴。通过在水中浸泡，再用流速不断增加的水流冲洗粘合部位以研究粘附的防水性，出现剥离时则停止测试。其中，间接穿戴的浸泡时间为48h，每种流速的冲洗时间为20min；直接穿戴的浸泡时间为15min，每种流速的冲洗时间为5min。测试结果分别如图7和图8所示，间接穿戴的最大可承受流速约为1.83m/s，直接穿戴的最大可承受流速约为2.09m/s。人类游泳速度约为0.5-2m/s，说明本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器具有被用于水下穿戴的潜力。
[0077]
(5)非水环境的穿戴应用
[0078]
间接穿戴：将粘性光子晶体水凝胶传感器粘贴在丁腈手套的手腕上，再将手套穿戴在手上，如图9所示，从图中可以看出，粘性光子晶体水凝胶传感器很服帖地粘附在丁腈手套表面。弯曲手腕，粘性光子晶体水凝胶传感器的粘附效果未受到影响，裸眼观察粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色变化，粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色在手腕弯曲的过程中由红色逐渐变为蓝色，颜色变化明显；同时用数字万用表记录电阻变化(图10，从ⅰ到ⅲ代表手腕逐渐弯曲时对应的相对电阻变化)，用光纤光谱仪记录反射光谱变化(图11，从ⅰ到ⅲ代表手腕逐渐弯曲时对应的反射光谱变化)。结果显示本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器通过间接穿戴可同时通过光信号(结构色和光谱变化)和电信号(相对电阻变化)
监测关节运动，具有灵敏的信号转变，并且能够通过颜色变化的明显程度定位主要的运动部位，具有良好的运动监测性能。
[0079]
直接穿戴：将粘性光子晶体水凝胶传感器粘贴在手指皮肤上，如图12所示，从图中可以看出，粘性光子晶体水凝胶传感器很服帖地粘附在手指皮肤上。弯曲手指，粘性光子晶体水凝胶传感器的粘附效果未受到影响，裸眼观察粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色变化，粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色在手指弯曲的过程中由红色逐渐变为蓝色，颜色变化明显；同时用数字万用表记录电阻变化(图13，从ⅰ到ⅳ代表手指逐渐弯曲时对应的相对电阻变化)，用光纤光谱仪记录反射光谱变化(图14，从ⅰ到ⅳ代表手指逐渐弯曲时对应的反射光谱变化)。结果显示本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器通过直接穿戴可同时通过光信号(结构色和光谱变化)和电信号(相对电阻变化)监测关节运动，具有灵敏的信号转变，表现出良好的运动监测性能。
[0080]
(6)水环境中的穿戴应用
[0081]
间接穿戴：将粘性光子晶体水凝胶传感器粘贴在丁腈手套的手指上，再将手套穿戴在手上，放入水中，如图15所示，从图中可以看出，粘性光子晶体水凝胶传感器很服帖地粘附在丁腈手套的手指位置。在水中弯曲手指，粘性光子晶体水凝胶传感器的粘附效果未受到影响，裸眼观察粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色变化，粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色在手指弯曲的过程中由红色逐渐变为蓝色，颜色变化明显；同时用光纤光谱仪记录反射光谱变化，结果如图16(从ⅰ到ⅱ代表手指逐渐弯曲时对应的反射光谱变化)所示。结果显示本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器可通过光信号(结构色和光谱变化)监测关节运动，具有灵敏的信号转变，表现出良好的水下运动监测性能。
[0082]
直接穿戴：将粘性光子晶体水凝胶传感器粘贴在手指皮肤上，放入水中，如图17所示，从图中可以看出，粘性光子晶体水凝胶传感器很服帖地粘附在手指皮肤上。在水中弯曲手指，粘性光子晶体水凝胶传感器的粘附效果未受到影响，裸眼观察粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色变化，粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色在手指弯曲的过程中由红色逐渐变为蓝色，颜色变化明显；同时用光纤光谱仪记录反射光谱变化，结果如图18(从ⅰ到ⅱ代表手指逐渐弯曲时对应的反射光谱变化)所示。结果显示本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器可通过光信号(结构色和光谱变化)监测关节运动，具有灵敏的信号转变，表现出良好的水下运动监测性能。
[0083]
实施例2
[0084]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，包括：
[0085]
将329.81mg(4.64mmol)丙烯酰胺、78.93mg(0.36mmol)丙烯酰基-l-苯丙氨酸、35.3mg聚乙烯亚胺(分子量为70000)、0.23mg(1.5μmol)n,n'-亚甲基双丙烯酰胺溶于0.4ml二甲基亚砜中；加入1.6ml的石墨烯分散液(浓度0.48mg/ml)和2.8μl(13.9μmol)2,2-二乙氧基苯乙酮，超声处理和氮气鼓泡各10min制得预聚合溶液；用携带光子晶体的玻璃片覆盖在另一块玻璃片上制得三明治结构，玻璃片之间用载玻片隔开1.1mm的缝隙；将预聚合溶液从缝隙注入三明治结构中；紫外光照射2.5h，获得粘性光子晶体水凝胶传感器，置于水中浸泡24h。
[0086]
光子晶体的制备方法与实施例1中相同。
[0087]
本实施例制备的粘性光子晶体水凝胶传感器具有明显的结构色、灵敏的拉伸变色
性能和电信号变化性能，粘性与实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器相当。
[0088]
实施例3
[0089]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，与实施例1不同的是：石墨烯分散液的浓度为0.19mg/ml。
[0090]
本实施例制备的粘性光子晶体水凝胶传感器具有明显的结构色、灵敏的拉伸变色性能和电信号变化性能，粘性与实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器相当。
[0091]
实施例4
[0092]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，与实施例1不同的是：石墨烯分散液的浓度为0.32mg/ml。
[0093]
本实施例制备的粘性光子晶体水凝胶传感器具有明显的结构色、灵敏的拉伸变色性能和电信号变化性能，粘性与实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器相当。
[0094]
实施例5
[0095]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，与实施例1不同的是：聚乙烯亚胺的分子量为10000。
[0096]
本实施例制备的粘性光子晶体水凝胶传感器具有明显的结构色、灵敏的拉伸变色性能和电信号变化性能，粘性与实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器相当。
[0097]
对比例1
[0098]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，包括：
[0099]
将296.40mg(4.17mmol)丙烯酰胺、181.97mg(0.83mmol)丙烯酰基-l-苯丙氨酸、35.3mg聚乙烯亚胺(分子量为70000)、0.23mg(1.5μmol)n,n'-亚甲基双丙烯酰胺溶于0.4ml二甲基亚砜中；加入1.6ml的石墨烯分散液(浓度0.55mg/ml)和2.8μl(13.9μmol)2,2-二乙氧基苯乙酮，超声处理和氮气鼓泡各10min制得预聚合溶液；用携带光子晶体的玻璃片覆盖在另一块玻璃片上制得三明治结构，玻璃片之间用载玻片隔开1.1mm的缝隙；将预聚合溶液从缝隙注入三明治结构中；紫外光照射2.5h，获得粘性光子晶体水凝胶传感器，置于水中浸泡24h。
[0100]
光子晶体的制备方法与实施例1中相同。
[0101]
对比例2
[0102]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，包括：
[0103]
将335.50mg(4.72mmol)丙烯酰胺、61.39mg(0.28mmol)丙烯酰基-l-苯丙氨酸、35.3mg聚乙烯亚胺(分子量为70000)、0.23mg(1.5μmol)n,n'-亚甲基双丙烯酰胺溶于0.4ml二甲基亚砜中；加入1.6ml的石墨烯分散液(浓度0.46mg/ml)和2.8μl(13.9μmol)2,2-二乙氧基苯乙酮，超声处理和氮气鼓泡各10min制得预聚合溶液；用携带光子晶体的玻璃片覆盖在另一块玻璃片上制得三明治结构，玻璃片之间用载玻片隔开1.1mm的缝隙；将预聚合溶液从缝隙注入三明治结构中；紫外光照射2.5h，获得粘性光子晶体水凝胶传感器，置于水中浸泡24h。
[0104]
光子晶体的制备方法与实施例1中相同。
[0105]
对比例3
[0106]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，包括：
[0107]
将355.40mg(5mmol)丙烯酰胺、35.3mg聚乙烯亚胺(分子量为70000)、0.23mg(1.5μ
mol)n,n'-亚甲基双丙烯酰胺溶于0.4ml二甲基亚砜中；加入1.6ml的石墨烯分散液(浓度0.42mg/ml)和2.8μl(13.9μmol)2,2-二乙氧基苯乙酮，超声处理和氮气鼓泡各10min制得预聚合溶液；用携带光子晶体的玻璃片覆盖在另一块玻璃片上制得三明治结构，玻璃片之间用载玻片隔开1.1mm的缝隙；将预聚合溶液从缝隙注入三明治结构中；紫外光照射2.5h，获得粘性光子晶体水凝胶传感器，置于水中浸泡24h。
[0108]
光子晶体的制备方法均与实施例1中相同。
[0109]
对比例4
[0110]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，与实施例1不同的是：用1.6ml去离子水代替石墨烯分散液。
[0111]
对比例5
[0112]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，与实施例1不同的是：石墨烯分散液的浓度为0.63mg/ml。
[0113]
对比例6
[0114]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，与实施例1不同的是：聚乙烯亚胺的分子量为1800。
[0115]
对比例7
[0116]
一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，与实施例1不同的是：聚乙烯亚胺的分子量为600。
[0117]
丙烯酰胺和丙烯酰基-l-苯丙氨酸的用量比对粘性光子晶体水凝胶传感器性能的影响评价
[0118]
取实施例1-2和对比例1-3的粘性光子晶体水凝胶传感器，裸眼观察其结构色，随着丙烯酰基-l-苯丙氨酸含量的减少，粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色由黄色(对比例1)逐渐变为红色(实施例1)，最后变成浅紫色(实施例2、对比例2-3)，说明粘性光子晶体水凝胶传感器的溶胀率在不断增大。其中实施例1制备的粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色最明显，其次为实施例2制备的粘性光子晶体水凝胶传感器。而对比例1制备的粘性光子晶体水凝胶传感器中呈现出不透明度较高的白色，严重影响了表面光子晶体结构色的呈现，这是因为白色背景能够反射已经透过光子晶体阵列的波长，从而削弱了的由光子禁带产生的结构色。对比例2和对比例3制备的粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色很不明显，不利于裸眼观察。
[0119]
用光纤光谱仪测试实施例1-2和对比例1-3的粘性光子晶体水凝胶传感器的反射光谱。结果显示，随着丙烯酰基-l-苯丙氨酸含量的不断减少，粘性光子晶体水凝胶传感器的反射光谱峰在不断的红移。
[0120]
sem表征显示实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器中的粒子间距明显小于对比例3的粘性光子晶体水凝胶传感器中的粒子间距，说明实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器具有相对更低的溶胀率。低溶胀率的粘性光子晶体水凝胶传感器可以将反射波长有效地控制在可见光区内，使粘性光子晶体水凝胶传感器具有可视化的结构色，适合作为拉伸变色的可穿戴传感器。
[0121]
石墨烯用量对粘性光子晶体水凝胶传感器性能的影响评价
[0122]
对实施例1，3，4和对比例4-5的制备方法制备的粘性光子晶体水凝胶传感器进行
对比。
[0123]
其中，对比例4的粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色难以通过裸眼观察到，这是因为未加入石墨烯的粘性光子晶体水凝胶传感器是白色的，白色能够反射已经透过光子晶体阵列的波长，从而削弱了的由光子禁带产生的结构色。
[0124]
实施例1，3，4的粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色均可以通过裸眼观察到，这主要归因于石墨烯对透射波长的吸收。其中实施例1的粘性光子晶体水凝胶传感器的结构色最为明显，颜色饱和度最高。
[0125]
对比例5的制备方法没有成功制备出粘性光子晶体水凝胶传感器，这是由于强的光谱吸收阻碍了紫外光的透过，使依赖于光引发的聚合反应难以发生。
[0126]
聚乙烯亚胺的分子量对粘性光子晶体水凝胶传感器性能的影响评价
[0127]
测试实施例1、实施例5和对比例6-7的制备方法制备的粘性光子晶体水凝胶传感器的拉伸性能。
[0128]
四组粘性光子晶体水凝胶传感器均具有很好的拉伸应变，其拉伸应变至少大于600％，完全可以满足穿戴式传感器对拉伸应变性能的要求。
[0129]
实施例1和实施例5的粘性光子晶体水凝胶传感器在拉伸过程中还具有较大的拉伸应力，有利于粘性光子晶体水凝胶传感器在被释放后可以恢复到初始状态。其中实施例5的粘性光子晶体水凝胶传感器的拉伸应力最大。
[0130]
对比例6-7的粘性光子晶体水凝胶传感器的拉伸应力较小，拉伸被释放后无法完全恢复到初始状态。
[0131]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法，其特征在于，包括：将丙烯酰胺、丙烯酰基-l-苯丙氨酸、聚乙烯亚胺和交联剂在溶剂中溶解分散，加入石墨烯分散液和引发剂，制备预聚合溶液；用预聚合溶液填充光子晶体；紫外光下聚合，制得粘性光子晶体水凝胶传感器。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺和丙烯酰基-l-苯丙氨酸的摩尔比为(6-13)：1。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺和丙烯酰基-l-苯丙氨酸的摩尔比为9：1。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的质量与丙烯酰胺、丙烯酰基-l-苯丙氨酸、聚乙烯亚胺三者质量之和的比值为(0.06-0.18)：100。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺和丙烯酰胺的质量摩尔比(g/mol)为1：(0.1-0.15)。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯亚胺的分子量为10000-70000。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为二甲基亚砜。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯分散液的制备方法包括：将石墨烯、分散剂和去离子水混合，超声处理，静置，取上层悬浊液作为石墨烯分散液。9.一种粘性光子晶体水凝胶传感器，采用权利要求1-8任一所述的制备方法制备而成。10.权利要求9所述的粘性光子晶体水凝胶传感器在可穿戴式运动传感器技术领域中的应用。

技术总结
本发明涉及功能材料技术领域，提供了一种粘性光子晶体水凝胶传感器及其制备方法及应用。所述粘性光子晶体水凝胶传感器的制备方法包括将丙烯酰胺、丙烯酰基-L-苯丙氨酸、聚乙烯亚胺和交联剂在溶剂中溶解分散，加入石墨烯分散液和引发剂，制备预聚合溶液；用预聚合溶液填充光子晶体；紫外光下聚合，制得粘性光子晶体水凝胶传感器。本发明制备的粘性光子晶体水凝胶传感器可用于日常运动监测和康复训练病人的运动监测，不需要使用外加电源，具有灵敏的拉伸变色性能和电信号变化性能；并且具有良好的粘性，可以不借助辅助工具方便地穿戴，能与皮肤紧密贴合，不易脱落，同时提高运动监测的准确性，还使其可以用于水下穿戴。还使其可以用于水下穿戴。还使其可以用于水下穿戴。


技术研发人员：薛敏 李琪 孟子晖
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2021.12.16
技术公布日：2022/3/8