Page 98 - 《精细化工》2020年第8期

·1596· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷

周期性结构，根据布拉格衍射规律而产生结构色 胶网络结构中。传感器的显色原理如图 1b 和图 1c
（λ=2ndsinθ，其中，λ 为反射光的波长，n=1.33 为 所示。当对传感器施加 1 个拉伸应变或者按压其局
水的折射率，d 为双分子层之间的距离，θ 为光的入 部时，结构色水凝胶中 PDGI 层之间的距离 d 0 会减
射角）。在注入模具过程中自组装得到的 DGI 双分 小，根据布拉格衍射公式，当 d 减小时，反射光波
子层在剪切力诱导作用下沿着模具方向定向排列， 长 λ 也会减小，结构色就会发生蓝移。拉伸或者压
聚合后这种双分子层结构可以在丙烯酰胺水凝胶网 缩程度越大，结构色水凝胶的最大反射波长越小，
络结构中得到保持，制备得到颜色亮丽的结构色水 可以从红色变化到蓝色。图 1d 是 1 个实际使用中模
凝胶。传感器的结构、拉伸过程和弯曲过程的颜色 拟关节弯曲的颜色变化示意图，在静止条件下传感
变化及其效果如图 1 所示。 器整体显示红色，当其随关节弯曲变化时，中间的
如图 1a 所示，将两层掺盐的结构色水凝胶作为 部位会因受到的挤压最严重，厚度的改变就会越大，
导电电极，用导电铜箔胶带引出，正对放置在一层 其结构色就会发生最明显的蓝移效果。两侧的结构
VHB 胶带两侧，得到一种三明治结构，再使用 VHB 色水凝胶随着离中间部位的距离越远，受到的形变
胶带对其进行封装，最终得到具有 5 层结构的电容 影响就会越小，从而颜色受到的影响也会越小。所
型传感器。这种结构的优点是不仅可以防止结构色 以从模拟的效果图中可以看出，基于传感器的结构
水凝胶因外力而发生位移，保证了传感器的重复性 色可以在整个可见光区内进行动态变化的特点，在
能，还可以有效阻止结构色水凝胶中水分的挥发。 实际使用中人们就可以清楚地观察到传感器上光学
从冷冻干燥后的截面 SEM 照片中可以看出水凝胶 信号的改变，这种特性在传感器的可视化领域具有
网络的分层结构，说明 DGI 双分子层被固定在水凝 广阔的应用前景。

图 1 传感器结构示意图（a）；传感器拉伸过程颜色变化示意图（b）；传感器弯曲过程颜色变化示意图（c）；传感器弯
曲过程颜色变化效果图（d）
Fig. 1 Schematic diagram of sensor structure (a)； schematic diagram of color change during sensor stretching (b)；
schematic diagram of color change during sensor bending (c)； effect of color change during sensor bending (d)