一种具有刺激响应能力的光致聚合物及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及全息光学材料有关，特别是一种具有刺激响应能力的光致聚合物及其制备方法。
【背景技术】
[0002]全息技术是一种相对成熟的技术，人们对全息存储领域已经较为熟知。具有一次写入永久读取能力的光致聚合物被认为是解决全息存储缺乏高性能存储介质的主要手段。在与之相关联的全息光学领域，采用全息光栅衍射方式实现环境因素传感近年来成为一种新兴传感方式而受到较多关注。通过记录于材料内部的全息光栅对外部环境感应，将包括气体、液体浓度等环境因素以光栅的条纹间距、折射率调制度改变直观反映为宏观衍射效率、峰值波长等参量的定量变化，从而实现环境因素的全息传感。以光致聚合物中全息光栅的微形变来实现环境探测，开创了环境质量监测的全息光学新途径。
[0003]全息传感装置的核心是光栅记录介质。刺激-响应型聚合物凝胶材料能够根据周围环境因素的改变可逆的吸收或释放水分和其他化学成分，并导致材料自身的膨胀与收缩。尽管凝胶材料有着全息传感器所需要的刺激-响应能力，但是其并不是光致聚合物，材料内部并不能记录全息光栅，很难实现全息传感器的研制。因此现有的刺激-响应凝胶的传感多集中于压阻式、光纤光栅式、光子晶体式等。虽然凝胶也能够将光栅引入材料内部，但是存在着制备方式复制、成本高、稳定性差、不适合普及等显著缺陷。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种在水溶液环境中能够发生膨胀收缩特性、非常适合于全息传感器研制的具有刺激响应能力的光致聚合物及其制备方法。
[0005]本发明的技术方案:
[0006]一种具有刺激响应能力的光致聚合物，为菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸羟乙酯光致聚合物，其由单体甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸羟丙酯、交联剂乙二醇类二甲基丙烯酸酯化合物、光敏剂菲醌和热引发剂偶氮二异丁腈热引发聚合而成，各组分的质量百分比为:乙二醇类二甲基丙稀酸醋化合物0.05-5%、菲醌0.05-1.0%、偶氮二异丁腈0.5% -1.0%、余量为甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸羟丙酯。
[0007]所述乙二醇类二甲基丙烯酸酯化合物为乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯或四乙二醇二甲基丙烯酸酯。
[0008]一种所述具有刺激响应能力的光致聚合物的制备方法，步骤如下:
[0009]I)将甲基丙烯酸羟乙酯或甲基丙烯酸羟丙酯与乙二醇类二甲基丙烯酸酯化合物混合，得到混合液；
[0010]2)将菲醌和偶氮二异丁腈加入上述混合液中，超声振荡10分钟以使菲醌和偶氮二异丁腈混合均匀，得到混合溶液；
[0011]3)向上述混合溶液中通入氮气下持续搅拌10分钟以除去混入液体内部的溶解氧；
[0012]4)在氮气保护下将温度升至50°C进行预聚合反应，反应时间为I小时，然后将混合溶液放入密闭容器内或直接灌入具有密封能力的模具中并封口；
[0013]5)将温度升至70°C放置10分钟，而后降至65°C恒温放置48_72小时，最后将样品从模具中取出，制得光致聚合物材料。
[0014]本发明的工作机理
[0015]该光致聚合物材料由于存在具有绿光敏感的光敏成分菲醌，因此在敏感光作用下将发生光化学反应过程。聚合物基底聚甲基丙稀酸羟乙酯成分将与菲醌发生光致聚合反应。在调制光作用下，光亮区的菲醌分子将与聚甲基丙烯酸羟乙酯发生键合，而光暗区的分子不发生反应，从而导致分子浓度的空间调制，宏观上导致聚合物材料折射率调制度发生变化，实现全息光栅的记录。同时聚甲基丙烯酸羟乙酯材料是一种能够遇水发生膨胀的吸水型聚合物材料。当遇到水溶液，或者水溶液中的PH值、离子强度等发生改变，将导致聚甲基丙稀酸羟乙酯基底的膨胀收缩性能发生改变。这种改变将直接导致记录于材料内部的全息光栅条纹间距发生变化，从而产生衍射特征改变。若能够定量表征膨胀与衍射特征间的关系，将能够实现全息传感器的研制。
[0016]本发明的优点是:该光致聚合物材料能够通过全息干涉方式直接将全息光栅记录于材料内部，同时具有智能型凝胶所具备的遇水溶胀能力，在遇到外部刺激，尤其是水溶液时，能够发生膨胀与收缩，通过环境因素诱发的光栅间距的改变，实现光栅衍射特征变化，从而实现全息光学传感，非常适合于全息传感器研制。
【附图说明】
[0017]图1为连续曝光过程中光栅衍射效率时间变化曲线。
[0018]图2为曝光50s后光栅衍射效率的暗增强曲线。
【具体实施方式】
[0019]下面通过具体实施例对本发明提供的具有刺激响应能力的光致聚合物成分及制备方法进行详细说明。
[0020]实施例1:
[0021]一种具有刺激响应能力的光致聚合物，为菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸羟乙酯光致聚合物，其由单体甲基丙烯酸羟乙酯、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯、光敏剂菲醌和热引发剂偶氮二异丁腈热引发聚合而成，各组分的质量百分比为:乙二醇二甲基丙烯酸酯3.5%、菲醌1.0%、偶氮二异丁腈0.5%、甲基丙烯酸羟乙酯为95% ;其制备方法如下:
[0022]I)将9.5g甲基丙烯酸羟乙酯与0.35g乙二醇二甲基丙烯酸酯混合，得到混合液；
[0023]2)将0.1g菲醌和0.05g偶氮二异丁腈加入上述混合液中，超声振荡10分钟以使菲醌和偶氮二异丁腈混合均匀，得到混合溶液；
[0024]3)向上述混合溶液中通入氮气下持续搅拌10分钟以除去混入液体内部的溶解氧；
[0025]4)在氮气保护下将温度升至50°C进行预聚合反应，反应时间为I小时，然后将混合溶液直接灌入具有密封能力的模具中并封口；
[0026]5)将温度升至70°C放置10分钟，而后降至65°C恒温放置72小时，最后将样品从模具中取出，制得光致聚合物材料。
[0027]图1为连续曝光过程中光栅衍射效率时间变化曲线，图中表明:随着记录时间的增加，光栅衍射效率显著增加，最大值超过30%。这说明通过全息干涉方式在新型材料内部记录了体全息光栅，证明了所研制的聚合物材料适合于全息光栅的直接写入。这将为全息传感器研制中最为关键的全息光栅记录提供直接证据。
[0028]图2为曝光50s后光栅衍射效率的暗增强曲线，图中表明:当采用适当光强，相干光曝光50s时间后，光栅初步建立。然后将材料放置于暗室中，实时监控光栅衍射效率。实验结果发现，虽然没有采用持续曝光，但光栅衍射效率仍然能够持续增长，并具有较高增长幅度与速率。这表明材料可以通过内部小分子的扩散，进一步自行增加光栅强度，这将为全息传感提尚光棚衍射效率提供更为便捷、有效的实验策略。
[0029]实施例2:
[0030]一种具有刺激响应能力的光致聚合物，为菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸羟乙酯光致聚合物，其由单体甲基丙烯酸羟乙酯、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯、光敏剂菲醌和热引发剂偶氮二异丁腈热引发聚合而成，各组分的质量百分比为:乙二醇二甲基丙烯酸酯5.0%、菲醌1.0%、偶氮二异丁腈1.0%、甲基丙烯酸羟乙酯为93%。
[0031]I)将9.3g甲基丙烯酸羟乙酯与0.5g乙二醇二甲基丙烯酸酯混合，得到混合液；
[0032]2)将0.1g菲醌和0.1g偶氮二异丁腈加入上述混合液中，超声振荡10分钟以使菲醌和偶氮二异丁腈混合均匀，得到混合溶液；
[0033]3)向上述混合溶液中通入氮气下持续搅拌10分钟以除去混入液体内部的溶解氧；
[0034]4)在氮气保护下将温度升至50°C进行预聚合反应，反应时间为I小时，然后将混合溶液直接灌入具有密封能力的模具中并封口；
[0035]5)将温度升至70°C放置10分钟，而后降至65°C恒温放置72小时，最后将样品从模具中取出，制得光致聚合物材料。
[0036]光栅衍射效率检测结果与实施例1类同。
[0037]实施例3:
[0038]一种具有刺激响应能力的光致聚合物，为菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸羟乙酯光致聚合物，其由单体甲基丙烯酸羟乙酯、交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯、光敏剂菲醌和热引发剂偶氮二异丁腈热引发聚合而成，各组分的质量百分比为:乙二醇二甲基丙烯酸酯4%、