CN113861482B - 基于PDMS包覆片状SiO2的力致变色薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）包覆片状SiO₂的力致变色薄膜的制备方法，首先通过控制水热法的制备条件，氢氧化钠浓度为3.5mol/L，温度180℃下反应3小时得到片状SiO₂，清洗研磨后，放入异丙醇中超声分散，然后用喷枪喷在玻璃表面形成一层颗粒层，加入PDMS胶后抽真空去除气泡，加热固化后取下薄膜，预拉伸10%后进行氧等离子体处理30秒，即可得到力致变色薄膜，由于本发明的基于PDMS包覆片状SiO₂的力致变色薄膜在受拉伸时界面处裂纹更容易失稳扩展形成空腔，对光线进行反射散射，从而在较小变形量下产生很大的透过率变化，其力致变色性能有了大幅提高。

Description

基于PDMS包覆片状SiO2的力致变色薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于C08基于有机高分子化合物的复合材料，具体是一种基于PDMS包覆片状SiO₂的力致变色薄膜的制备方法。

背景技术

力致变色材料可以通过不同的机械变色结构和材料，获得不同的响应速度、灵敏度、和抗压强度，并将多种响应与机械响应材料集成在一起，以生产多功能器件。这些创新的机械变色材料可以满足机械传感、动态显示、智能窗口、流量监视器、可调谐滤色器和可调谐激光发射器等多种应用。但是基于分子染料的的力致变色材料大多化学稳定性不高，光照作用下会分解，而且大多有毒。而基于微纳结构的物理色又称结构色没有这些缺点，结构色在自然界中广泛存在，例如鸟的羽色，蝴蝶的翅色，通过诸如自组装和纳米光刻等人工方法可以制备出对机械刺激产生响应的结构色，即力致变色结构色，具有稳定无毒的优点，从而有着良好的应用前景。目前基于PDMS包覆SiO₂的力致变色材料采用的是球形SiO₂颗粒，拉伸后SiO₂颗粒和PDMS基体之间撕裂的裂纹扩展产生空腔，空腔界面对光产生散射和折射，从而让其状态从透明变为不透明。但是因为球形的缺口裂纹尖端应力场被钝化，裂纹较难扩展，球形颗粒与包覆的PDMS之间需要较大的变形才能撕裂产生空腔。例如论文Advanced Materials (2015)27.15:2489-2495中采用PDMS包覆球形SiO₂的力致变色薄膜需要40~60%的变形量才有较好的从透明-不透明状态间进行切换。因此不够灵敏，难以应用在很多场景中。

发明内容

本发明提供了一种基于通过水热法制备出片状的SiO₂纳米片，然后用PDMS包覆片状SiO₂构建力致变色薄膜，从而大大减小其变色所需的变形量的方法。在无拉伸应变下，PDMS和SiO₂的折射率相近，界面处无反射，薄膜为透明状态。对于PDMS@SiO₂力致变色薄膜拉伸变色过程，可视作平面应变状态下，在拉伸力的作用下，PDMS和二氧化硅的结合处由于结合力较小从而产生裂纹，裂纹迅速扩展产生空腔，从而空腔反射散射光线使得原来的透明变成不透明状态，释放应变后，PDMS的弹性使得薄膜收缩回去，空腔消失，回到最初的透明状态。如图1所示，对于文献Advanced Materials (2015)27.15:2489-2495中球形二氧化硅与PDMS界面处在外力作用下撕裂产生的球形裂纹，表面被钝化，难以扩展，需要超大的应变裂纹失稳扩展才能启动。而对于纳米片状的二氧化硅，如图2所示，其长厚比很大，裂纹尖端应力场强度因子要大的多，裂纹很容易在较小的应变下失稳扩展产生空腔，从而产生更灵敏的力致变色效果。

本发明采用以下技术方案：通过控制水热法反应参数，制备出片状SiO₂，然后将SiO₂研磨粉碎分散固化在PDMS中，具体包含以下步骤：

步骤1，将载玻片放入水热反应釜，加入2.5mol/L的NaOH溶液，填充率为60%，在180℃反应3小时，取出沉淀清洗过滤烘干。在其它NaOH浓度，温度或者反应时间下，都不能制备出高质量的纳米片。

步骤2，将烘干的粉末研磨细，以1:10的质量比与异丙醇混合，超声分散，将大的整块玻璃洗净烘干加热到60℃，将分散液放入喷枪中，将空气压缩机压力加至40kPa，进行喷涂，喷涂距离为10cm，喷枪移动速度10cms^-1，在玻璃表面形成一层白色颗粒层，然后烘干去除异丙醇。

步骤3，将PDMS与固化剂以10:1质量比混合，搅拌均匀，然后将其倒入白色颗粒层上，在重力作用下流动摊开，放入真空干燥箱，抽真空去除气泡，加热固化形成薄膜。

步骤4，将薄膜取出剥离下来，放在夹具上预拉伸10%，进行氧等离子体处理形成褶皱，即可得到力致变色薄膜。

有益效果：本发明提出的基于PDMS包覆片状SiO₂构建的力致变色薄膜，在拉伸变形量仅从10%增加到20%时，550nm可见光透过率就从74%下降到44%，而同等条件基于球状基于PDMS包覆球状SiO₂构建的力致变色薄膜，透过率仅能从62%下降到57%，其力致变色性能提升了6倍。

附图说明

图1 PDMS包覆球形SiO₂的力致变色原理示意图；

图2 PDMS包覆片状SiO₂的力致变色原理示意图；

图3 片状SiO₂的扫描电镜图片；

图4 PDMS包覆片状SiO₂的力致变色薄膜扫描电镜图片；

图5 PDMS包覆片状SiO₂的力致变色薄膜与PDMS包覆球形SiO₂的力致变色薄膜在不同拉伸变形率下的可见光透过率变化；

图6 PDMS包覆片状SiO₂的力致变色薄膜变色效果，未拉伸（左）和拉伸（右）。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释。

实施例1：

步骤1，用乙醇和去离子水在超声波浴中依次清洗商用载玻片（尺寸为25.4×76.2×1mm）后，将清洗后的商用载玻片放入聚四氟乙烯反应釜，加入60mL，2.5mol/L氢氧化钠溶液，反应釜拧紧后放入180℃预热好的鼓风干燥箱3h，反应后取出空冷却室温。除去剩余的载玻片，部分反应物会残留在载玻片上，可以用去离子水冲洗，将沉淀物用去离子水、乙醇依次洗涤在进行离心分离5次，最后在70℃下干燥240min获得最终产物片状SiO₂。制备出的片状制备出的片状SiO₂如图3所示，长度1微米，厚度约50纳米。

步骤2，将获得SiO₂进行充分研磨，研磨成为均匀的白色细粒状的粉末，以1:10的质量比与异丙醇混合，超声分散2h。将大的整块玻璃洗净烘干加热到60℃，将分散液迅速加入喷枪中，将空气压缩机压力加至40kPa，进行喷涂，喷涂距离为10cm，喷枪移动速度10cms^-1，在玻璃表面形成一层白色颗粒层，然后烘干去除异丙醇。

步骤3，将PDMS与固化剂以10:1质量比混合，搅拌均匀，在玻璃上放上模具以阻挡PDMS液体流走，在然后将PDMS缓缓倒入白色颗粒层上，在重力作用下流动摊开，厚度大约2mm，然后放入真空干燥箱，抽真空去除气泡，70℃固化6小时形成薄膜。薄膜包裹片状SiO₂的扫描电镜如图4所示，可见片状SiO₂复合在PDMS中。

步骤4，将薄膜取出剥离下来，裁剪成条状，放在定制的夹具上预拉伸10%，进行氧等离子体处理，射频功率为90W，氧气流速为100mL/min，处理30s，在表面形成褶皱，即可得到力致变色薄膜。其力致变色效果如图5所示，可见光透过率在拉伸率从10%变化到20%大幅下降。可见薄膜拉伸后如图6所示，从透明变为不透明，释放应变，薄膜重新变回透明。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于PDMS包覆片状SiO₂的力致变色薄膜的制备方法，其特征在于，通过控制水热反应参数得到片状SiO₂，然后以PDMS包覆，预拉伸进行氧等离子体处理得到褶皱，获得力致变色薄膜，具体包含以下步骤：

步骤1，将清洗过的载玻片放入水热反应釜，加入浓度为2.5mol/L的NaOH溶液，填充率为60%，在180℃反应2小时，将反应釜底部的沉淀清洗过滤烘干，得到长度为1微米，厚度为50nm的片状SiO₂；

步骤2，将片状SiO₂以1:10的质量比与异丙醇混合，超声分散，将大的整块玻璃洗净烘干加热到60℃，将分散液放入喷枪中，将空气压缩机压力加至40kPa，进行喷涂，喷涂距离为10cm，喷枪移动速度10cms^-1，在玻璃表面形成一层白色颗粒层，然后烘干去除异丙醇；

步骤3，将PDMS与固化剂以10:1质量比混合，搅拌均匀，然后将其倒入白色颗粒层上，在重力作用下流动摊开，放入真空干燥箱，抽真空去除气泡，加热固化形成薄膜；

步骤4，将薄膜取出剥离下来，放在夹具上预拉伸10%，进行氧等离子体处理形成褶皱，即可得到力致变色薄膜。

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