本发明属于纳米材料制备及应用领域，具体涉及一种可通过颜色变化反应应力变化的应力变化传感薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
聚合物材料如塑料、复合材料和涂层通常用于许多日常应用中，这些材料可承受高应力，这会导致变形，缺陷或裂纹，并导致其性能降低。因此，检测早期应变的有效和可靠的方法是高的利益。传统上，用于检测聚合物膜内部应变的大多数方法主要是侵入性的，破坏性的，并且不允许进行实时原位分析。更直接和有效的技术已经开发出变形的视觉检测。这些方法是基于使用染料分子，这些染料分子被封装，与聚合物基质交联，或作为简单添加剂并入聚合物基体，然而在许多情况下，分散染料的机械变色效率取决于许多因素，包括聚合物基体的类型，外部参数如温度，染料之间的最佳相分离和聚合物主体，以及染料本身的浓度。
最近出现的响应于机械应变的新一代光学传感器是基于金纳米粒子，其局域等离子体共振最大值取决于周围环境和粒子间距离。这些传感器的应用还很少，它们依赖于使用传统的自顶向下方法通过光刻来组装纳米金，或经过精细调整颗粒分散体离子强度，它们虽然有精确和高效的优点，但缺乏多功能性，因为它们的效率取决于颗粒与聚合物基材的相容性。而基于等离子体的微纳米传感器可以很容易地分散在各种媒介如聚合物材料中，这对检测和测量可能会产生巨大的影响。这种基于等离子体的微纳米传感器可能会导致无数应用，其中材料变形的早期检测至关重要，可广泛应用在纳机电系统或微机电系统等小物体中，也用于航空航天和航天工业中的小部件，以及大型诸如水坝或桥梁等物体。在这些应用中，从非常早的阶段检测损坏将使得在发生不可逆转的恶化和可能的灾难发生之前修复或替换材料成为可能。
技术实现要素：
针对目前检测聚合物膜内部应力变化的方法为破坏性的，不允许进行实时原位分析等问题，本发明提供了一种基于变色胶粒体的应力变化传感薄膜，可以通过光学方法进行实时原位分析。
本发明的另一目的在于提供一种上述应力变化传感薄膜的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种应力变化传感薄膜的制备方法，包括以下步骤：将合成树脂加入溶剂配成溶液，加入应变感应颗粒溶液搅拌均匀，然后注入模具、干燥成膜即得应力变化传感薄膜。
所述合成树脂优选自pva（聚乙烯醇）、pvc（聚氯乙烯）或ppe（聚苯醚）；所述溶剂选自水或有机溶剂，如醚、酮、氯化脂肪烃和芳香烃。
所述合成树脂的分子量优选为2.5-15万；其溶液的质量百分浓度为5-15%，更优选的为10%。
所述模具的材料为聚四氟乙烯。
所述应变感应颗粒的质量百分浓度为30-65%，更优选为50%。
所述合成树脂溶液与所述应变感应颗粒溶液混合的质量比为10:1-25:1，优选为20:1。
一种上述方法制备的应力变化传感薄膜。
上述应变感应颗粒，内核为pvp-dadman（聚（二烯丙基二甲基-硝酸铵）乙烯基吡咯烷酮）接枝的改性纳米金颗粒，内核包埋在peos（聚乙氧基硅氧烷）内；纳米金、pvp-dadman和peos的质量比为4:1:2-2:3:10，平均直径为35-75nm；形状为不规则多边形。
一种上述应变感应颗粒的制备方法，包括以下步骤：
（1）将haucl4（四氯金酸）和pvp-dadman（聚（二烯丙基二甲基-硝酸铵）乙烯基吡咯烷酮）溶于水后煮沸，然后加入还原剂，避光搅拌反应，离心后上清液真空干燥后得到改性纳米金颗粒；
（2）将peos（聚乙氧基硅氧烷）溶于有机溶剂中，作为油相；将步骤（1）制备的改性纳米金溶于水中，加入保护剂，调节ph为酸性，作为水相；将水相和油相在室温下超声波搅拌，静置后得到水包油型pickering乳液，清洗并离心浓缩，室温干燥得到应变感应颗粒。
所述pvp-dadman的重均分子量mw为55-68kg/mol，更优选为60kg/mol。
所述haucl4和pvp-dadman的质量比为60:1-20:1，优选为35:1。所述haucl4的浓度优选为1×10-2-1×10-4m，更优选为3×10-3m；所述pvp-dadman的浓度优选为1×10-7-1×10-5m，更优选为6×10-6m。
所述还原剂选自抗坏血酸或硫脲；优选为抗坏血酸。
所述haucl4与还原剂的质量比为3:1-1:5，优选为1:2。
所述步骤（1）中，煮沸时间为1h；还原反应的温度为98℃，反应时间为1h；离心速度为5000-20000rpm，离心时间为5-30min。
所述peos的重均分子量mw为1-3kg/mol，更优选为1.3kg/mol。
步骤（2）中，所述有机溶剂选自甲苯、二甲苯或乙苯；优选为甲苯。进一步的，peos与甲苯的质量比为1:2-1:8；更优选为1:5。
步骤（2）中，所述改性纳米金溶液的质量百分浓度为0.1%-2%。
所述peos与改性纳米金的质量比例为1:2-5:1，优选为2:1。
所述油相和水相的体积比为1:5-1:1，优选为1:3。
所述保护剂为水溶性醇；优选为c1-c4的醇；更优选为正丁醇。所述改性纳米金与保护剂的质量比为5-2:1。
所述ph为1-4；优选为2。调节ph的酸为可是是无机酸或有机酸；优选自盐酸或柠檬酸。
步骤（2）中，静置时间为3-5天。
本发明具有以下优点：
本发明制备的应变感应颗粒本身就是一种光机械传感器，可以很容易地将其回收并掺入到聚合物薄膜中，当薄膜被拉伸时，乳化剂变形为椭圆形的细长形状，乳化剂之间的距离随之增加，进而改变它们的消光特性和底色；嵌入到聚合物膜中时，应变感应颗粒在被伸长（或挤压）时就会呈现出不同的颜色，从而可以将这些新型敏感胶粒体用于通过输出颜色信息来检测和测量聚合物膜（或其它材料）中的应力变化。
附图说明
图1是实施例1中应变感应颗粒的透射电镜图片；
图2是实施例2中应力变化传感薄膜的图片。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明做进一步说明，但本发明不受下述实施例的限制。
实施例1应变感应颗粒的制备
（1）将35重量份的haucl4和1重量份的mw为60kg/mol的pvp-dadman分别溶于水，得到浓度为3×10-3m的haucl4溶液和浓度为6×10-6m的pvp-dadman的溶液，混合后煮沸1h，然后加入70重量份的硫脲，98℃避光搅拌反应1h，经10000rpm离心15min后得上清液；将上清液真空干燥后得到改性纳米金颗粒，平均粒径为43nm。
（2）将1重量份的mw为1.3kg/mol的peos溶于5重量份的二甲苯中，作为油相；将步骤（1）制备的改性纳米金取2.5重量份溶于水中，制成质量百分浓度为1%的溶液；加入1重量份的丁醇，滴加稀盐酸调节ph至2，作为水相；将水相加入油相中，油相和水相的体积比为1:3在，室温下超声波搅拌，静置4天后得到水包油型pickering乳液，清洗并离心浓缩，沉淀、室温干燥得到应变感应颗粒，其透射电镜图片如图1所示。
实施例2应力变化传感薄膜的制备
将分子量为2.5-3.5万的pva溶于75℃去离子水中，配制成质量分数为15%浓度的pva溶液，然后将实施例1所制备的应变感应颗粒分散到去离子水中，配制成50%质量浓度的溶液，将10份pva溶液与1份应变感应颗粒溶液，小心缓慢搅拌均匀，防止混入气泡，然后注入聚四氟乙烯模具，室温下干燥5天后得到应力变化传感薄膜，如图2所示，传感薄膜在光学显微镜下呈现淡蓝色。
应变传感薄膜的应变传感测试：
（1）拉伸（单轴应变）测试：将厚度为1mm的pva应变传感薄膜放置在透明玻璃表面，加热到60℃，用钳子夹住薄膜并缓慢进行拉拽薄膜，用光学显微镜观察薄膜微观颜色变化，随着薄膜的拉伸，薄膜颜色从淡蓝色逐渐变为粉色、最后变为红色；
（2）冲击测试：将厚度为1mm的pva应变传感薄膜水平铺展，取1公斤重的铁块悬于薄膜上，按照不同的高度进行下落并掉落到薄膜上，用光学显微镜观察记录受到铁块冲击后的薄膜颜色变化，结果显示，随着铁块下落高度的逐渐升高，受铁块冲击的薄膜位置呈现出蓝色、粉色和红色的变化趋势；
（3）穿孔测试：用纸张打孔器对1mm厚的pva应变传感薄进行打孔（圆孔），用光学显微镜对孔洞进行观察，薄膜孔洞边缘呈现出不同的颜色，距离薄膜孔洞边缘由远及近的颜色变化为：深蓝色、淡蓝色、粉色和红色。
实施例3应力变化传感薄膜的制备
将分子量为12-15万的pva溶于75℃去离子水中，配制成质量分数为5%浓度的pva溶液，然后将实施例1所制备的应变感应颗粒分散到去离子水中，配制成60%质量浓度的溶液，将20份pva溶液与1份应变感应颗粒溶液，小心缓慢搅拌均匀，防止混入气泡，然后注入聚四氟乙烯模具，室温下干燥4天后得到应力变化传感薄膜，传感薄膜在光学显微镜下呈现淡蓝色。
应变传感薄膜的应变传感测试：
（1）拉伸（单轴应变）测试：将厚度为1mm的pva应变传感薄膜放置在透明玻璃表面，加热到60℃，用钳子夹住薄膜并缓慢进行拉拽薄膜，用光学显微镜观察薄膜微观颜色变化，随着薄膜的拉伸，薄膜颜色从淡蓝色逐渐变为粉色、最后变为红色；
（2）冲击测试：将厚度为1mm的pva应变传感薄膜水平铺展，取1公斤重的铁块悬于薄膜上，按照不同的高度进行下落并掉落到薄膜上，用光学显微镜观察记录受到铁块冲击后的薄膜颜色变化，结果显示，随着铁块下落高度的逐渐升高，受铁块冲击的薄膜位置呈现出蓝色、粉色和红色的变化趋势；
（3）穿孔测试：用纸张打孔器对1mm厚的pva应变传感薄进行打孔（圆孔），用光学显微镜对孔洞进行观察，薄膜孔洞边缘呈现出不同的颜色，距离薄膜孔洞边缘由远及近的颜色变化为：深蓝色、淡蓝色、粉色和红色。
实施例4应力变化传感薄膜的制备
将分子量为12-15万的pva溶于75℃去离子水中，配制成质量分数为10%浓度的pva溶液，然后将实施例1所制备的应变感应颗粒分散到去离子水中，配制成45%质量浓度的溶液，将25份pva溶液与1份应变感应颗粒溶液，小心缓慢搅拌均匀，防止混入气泡，然后注入聚四氟乙烯模具，室温下干燥5天后得到应力变化传感薄膜，传感薄膜在光学显微镜下呈现淡蓝色。
应变传感薄膜的应变传感测试：
（1）拉伸（单轴应变）测试：将厚度为1mm的pva应变传感薄膜放置在透明玻璃表面，加热到60℃，用钳子夹住薄膜并缓慢进行拉拽薄膜，用光学显微镜观察薄膜微观颜色变化，随着薄膜的拉伸，薄膜颜色从淡蓝色逐渐变为粉色、最后变为红色；
（2）冲击测试：将厚度为1mm的pva应变传感薄膜水平铺展，取1公斤重的铁块悬于薄膜上，按照不同的高度进行下落并掉落到薄膜上，用光学显微镜观察记录受到铁块冲击后的薄膜颜色变化，结果显示，随着铁块下落高度的逐渐升高，受铁块冲击的薄膜位置呈现出蓝色、粉色和红色的变化趋势；
（3）穿孔测试：用纸张打孔器对1mm厚的pva应变传感薄进行打孔（圆孔），用光学显微镜对孔洞进行观察，薄膜孔洞边缘呈现出不同的颜色，距离薄膜孔洞边缘由远及近的颜色变化为：深蓝色、淡蓝色、粉色和红色。