德国STOBER电机(微流体纺丝制造彩色光子晶体纤维 学习翻译)

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https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.01.093

亮点

微流体纺丝制造彩色胶体光子晶体光纤（CPCF）。

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和单分散SiO2颗粒的均匀混合物来制造微尺度纤维。

煅烧去除PVP而组装成光子晶体结构，并显示出明亮的结构颜色，

湿敏聚丙烯酰胺（PAM）/ CPCF，对环境湿度有明显的色彩响应。

图形概要

关键词

聚合物复合材料

光学材料和性能

SiO2

微流体纺丝

1 。介绍

胶体光子晶体（CPC）因其优异的光学性质而受到越来越多的关注。特别是，禁止光在特定波长传播的光子带隙已经应用于许多光学领域，如显示，传感器，能量转换和光增强[1]， [2]， [3]。最近，CPC促进了对彩色和功能性纤维的探索 [4]。然而，很难将单分散嵌段组装成一个方向结构，这很大程度上阻碍了CPC纤维（CPCF）的发展 [5]。已经做了一些努力来解决这个问题，包括挤压 [6]和模板方法[7]。以上研究在CPCF方面取得了很大进展。然而，制造的CPC光纤总是在几百微米宽或更宽，这可能限制它们在微光学器件中的应用[8]。因此，在直径小于100微米或甚至更小的CPCF的制备中仍然存在挑战。

微流体纺丝技术（MST）作为一种新兴的强大平台，已被用于制造具有多种形态，结构和阵列的微/纳米纤维，并广泛应用于微反应器，仿生传感[9]， [10]。我们小组提出了一种快速，简便的微流体旋转策略来构建多维微反应器阵列，用于制造具有多种模式的各种荧光聚合物混合微阵列 [11]， [12]。受此启发，在此，我们提出了一种易于实施的通过MST制造CPCF的方法，其中含有胶体颗粒的粘性聚乙烯吡咯烷酮（PVP）乙醇溶液可以容易地组织成一维结构。通过改变MST的电机速度，可以轻松调节CPCF的直径，范围从5μm到20μm。获得了 CPC聚合物纤维的平行排列，甚至没有环境污染和很小的功耗。通过煅烧除去PVP后，SiO2胶体组装成光子晶体结构，形成多彩的SiO2CPCFs。此外，我们通过使用功能性聚丙烯酰胺（PAM）来固定胶体块，赋予CPCF湿度感应能力。得到的CPCF几乎在整个可见光下显示出明显的颜色变化，同时改变了环境湿度，这可能在微感区域有潜在的应用。

2 。实验部分

2.1 。化学品和材料

聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mn=1.3×106，K88-96），乙醇（99.7％），聚丙烯酰胺（PAM，Mn = 1.3×10 6）购自标准商业供应商，无需进一步纯化即可使用。在整个实验中使用电阻大于18MΩcm-1的纯净水。

2.2 。通过MST制造CPCF

通过改进的Stöber方法[13]，通过溶胶-凝胶法制备了各种尺寸的单分散SiO2 胶体。在超声波的帮助下将2g固体SiO2 颗粒分散到5g乙醇中，然后向该溶液中加入2g PVP（K88-96）。充分搅拌后，制备具有足够粘度和适当浓度的SiO2 颗粒的微流体纺丝前体。通过注射泵精确注入粘性前体以产生纤维结构。用于拉伸纤维的接收器设置在距注射泵适当的距离处。接收器配有旋转和水平电动机以产生光纤阵列，其速率可由控制面板精确控制。通过优化工艺参数，我们的工作将纺丝前驱体的流速设定为1mlh-1。调节旋转速度以制备具有不同直径和相邻距离的纤维。在乙醇挥发后，将浅SiO2/PVP纤维在600℃下煅烧4小时以除去马弗炉中的PVP组分。剩余的SiO2颗粒组装成CPC纤维。

2.3 。通过MST构建湿度响应CPC光纤传感器

选择功能性PAM来填充SiO2颗粒的空隙。通常，将PAM（30wt％）加入浓度为40wt％的SiO2水溶液中。然后将混合物搅拌4小时以产生均匀的溶液，其具有足够的粘度用于微流体纺丝。然后，用注射泵注入均匀溶液，将纤维收集在固定在MST设备接收器上的载玻片基板上。几小时后，CPC纤维中的水与环境处于平衡状态，最终产生响应性PAM/CPCF。通过将纤维置于具有25％，25％，50％，75％和100％的相对湿度的湿度室中至少1小时来测试对所制备的纤维的环境湿度的敏感性。

3 。结果和讨论

利用PVP与乙醇的良好相容性，分散在乙醇（40wt％）中的SiO2颗粒在搅拌后可以均匀地分散在PVP中。微流体纺丝工艺的示意图如图1a所示。为了研究转速对纤维直径的影响，我们采用30rad/s，45rad/s，60rad/s，75rad/s和90rad/s的不同转速进行旋转。如图所示图1的B-f时，观察到纤维相互呈平行直线。纤维直径随转速的增加而减小（图1g）。通常，图1b-f中的直径分别为20μm，16μm，13μm，9μm和5μm 。

图1。（a）微流体纺丝工艺的示意图。（b-f）在30rad / s，45rad / s，60rad / s，75rad / s和90rad / s的不同转速下具有不同直径的纤维。（g）纺纱过程中纤维直径与电机速度的关系。

图2a 显示煅烧前的纤维。正如所料，这些纤维表现出经典的圆柱形态，表面光滑，符合最小表面能的规律。然而，由于SiO2颗粒的分散和无序排列，这些纤维没有显示出结构颜色（图 2d）。煅烧后，这些纤维仍保持圆柱形态，表面光滑。有吸引力的是，这些纤维呈现明亮的蓝色（图 2b和c）。图 2e和f分别显示煅烧后CPCF的低和高放大倍数SEM图像。我们可以清楚地看到PVP被消除了和SiO2颗粒紧紧排列。正是因为SiO2颗粒在煅烧过程中自发地组织成具有最大堆积密度的有序结构，导致沿着纤维的明亮颜色。

图2。（a）煅烧前纤维的显微镜图像。（b，c）煅烧后纤维的显微镜图像。（d）煅烧前纤维的SEM图像。（e）煅烧后CPCF的低和（f）高倍放大SEM图像。（g-i）显微镜图像显示（g）蓝色，（h）绿色和（i）红色结构色，SiO 2直径分别为190,228和279nm。（j-1）分别对应于（j）蓝色，（k）绿色和（1）红色CPCF的反射光谱。（有关此图例中对颜色的引用的解释，读者可参考本文的Web版本。）

通过改变SiO 2 颗粒的初始直径，我们可以获得具有不同光子带隙的 CPCF ，呈现出不同的颜色。如图所示图2的G-I中，所制备的CPCFs显示明亮的蓝色，绿色和红色的构造色用的SiO 2点的直径在190，分别228和279纳米。图 2j-1表示蓝色，绿色和红色CPCF的相应反射光谱，反射峰位置为446,533和652nm。

为了赋予CPCF对外部信号的刺激响应行为，我们选择PAM作为微流体纺丝聚合物（图3a），其对湿度敏感。研究了所制造的纤维的形态，表明PAM成功地引入CPCF结构并填充SiO 2颗粒的空隙空间（图 3b-d）。由于PAM在不同湿度下的体积相变行为，我们进一步研究了PAM /CPCF的湿度 - 刺激行为。如图3所示e，PAM/CPCF的颜色从蓝色变为黄色，橙色，然后变为红色，同时将相对湿度从25％增加到100％。应该注意，该过程在湿度变化期间是可逆的。颜色变化可归因于PAM内水的吸收的动态平衡，导致较高湿度下的颗粒之间的较大空间。PAM / CPCF在不同湿度下的相应反射光谱如图3f 所示。当环境湿度从25％增加到100％时，PAM/CPCF的带隙从525nm红移到637nm。这种现象表明，PAM/CPCF的各种颜色可以很容易地监测环境湿度。因此，这种PAM/CPCF在传感器中显示出巨大的潜力。

图3。（a）具有湿度传感能力的CPC纤维的示意图。（b-d）在不同放大条件下PAM/CPCF的SEM图像。（e）证明PAM/CPCF的湿度刺激行为的照片。（f）PAM/CPCF在不同湿度下的相应反射光谱。

4 。结论

我们利用粘性PVP聚合物和SiO2混合物作为前驱体，通过微流体纺丝技术成功制备了直径为几微米的胶体光子晶体光纤（CPCFs）。通过改变SiO2的尺寸可以容易地调节CPCF的结构颜色。此外，我们通过将PAM引入CPCF的空隙赋予CPCF湿度响应能力。功能性PAM / CPCF的结构颜色和反射光谱随环境湿度的变化而变化，显示出视觉传感器的潜在应用。

利益冲突

作者声明他们没有竞争性的经济利益。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（21736006）和江苏省高等学校优先学术发展计划（PAPD）的支持。

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