光学各向异性水凝胶、制备方法及其生产系统和光学器件技术方案

本发明专利技术公开了一种光学各向异性水凝胶、制备方法及其生产系统和光学器件。该光学各向异性水凝胶包括水凝胶和在所述水凝胶中定向排列的磁性材料，所述磁性材料在可见光或近红外波段的吸收系数小于3L

【技术实现步骤摘要】
光学各向异性水凝胶、制备方法及其生产系统和光学器件


[0001]本专利技术涉及光学材料
，尤其是涉及一种光学各向异性水凝胶、制备方法及其生产系统和光学器件。

技术介绍

[0002]水凝胶是一种包含结合水的三维网络结构聚合物。由于其具有弹性，湿润性以及生物相容性，水凝胶在很多行业，尤其是生物工程领域具有广泛的应用，例如药物传送，软致动器，人工组织，水凝胶机器等，但其在光学领域的实际应用受制于水凝胶的光学各向异性不可控。光学各向异性又称折射率各向异性，是材料的一种重要性质，在光学调制领域具有重要应用。在光学材料中，光学各向异性决定着材料的双折射率，具有光学各向异性的材料在众多光学器件中均具有广泛的应用前景。目前研究者多集中于调控液晶材料的光学各向异性，如利用向列相液晶材料的光学性质将其应用于液晶显示器件中，研发具有光学各向异性可控的水凝胶在光学材料及生物工程领域具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种光学各向异性水凝胶、制备方法及其生产系统和光学器件，该光学各向异性水凝胶双折射率可调，表现出良好的光学和力学性质，在光学波片、滤光片、光衰减器、防伪元件、力致变色材料等光学器件中具有较好的应用前景。
[0004]本专利技术所采取的技术方案是：
[0005]本专利技术的第一方面，提供一种光学各向异性水凝胶，包括水凝胶和在所述水凝胶中定向排列的磁性材料，所述磁性材料在可见光及近红外波段的吸收系数小于3L
·
g-1
·
cm-1
。
[0006]由于吸收系数a＝A/bc＝lg(1/T)/(1cm*1g/L)，根据本专利技术的一些实施例，在磁性材料浓度为1g/L，光程为1cm条件下，磁性材料在可见光或近红外波段的透射率约为5％～95％。
[0007]根据本专利技术的一些实施例，所述磁性材料为掺钴钛氧化物，由包括以下步骤的方法制得：
[0008]S1、取碱金属盐、TiO2和CoO，在800℃～1100℃加热制得碱金属离子插层；
[0009]S2、将所述碱金属离子插层加入酸中进行质子化处理，得到质子化掺钴钛酸盐；
[0010]S3、取所述质子化掺钴钛酸盐加入四丁基氢氧化铵水溶液，混合得到掺钴钛氧化物。
[0011]上述制备的磁性材料能够在一定的外力磁场下产生排列，并且具有高透射率，长径比大，在水中分散性良好的特点，容易分散在水凝胶中制成光学各向异性水凝胶，在生物工程领域具备较好的应用潜力。
[0012]根据本专利技术的一些实施例，所述质子化掺钴钛酸盐的H
+
和四丁基氢氧化铵水溶液
的OH-的摩尔比值为10:1～1:10。
[0013]根据本专利技术的一些实施例，所述水凝胶由包括水溶性单体和光引发剂的原料聚合形成。
[0014]根据本专利技术的一些实施例，所述水溶性单体选自聚乙二醇二丙烯酸酯、N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺中的任一种或多种组合的混合物；所述光引发剂为Irgacure 2959。
[0015]根据本专利技术的一些实施例，所述聚乙二醇二丙烯酸酯的分子量为200～10000。
[0016]本专利技术的第二方面，提供一种上述的光学各向异性水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0017]取包括磁性材料、水溶性单体和光引发剂的原料混合，形成混合液；
[0018]对所述混合液施加磁场和光照，光固化得到光学各向异性水凝胶。
[0019]加入的磁性材料在磁场中的排列程度决定了制得材料的光学各向异性，通过改变光固化前施加的磁场强度、添加的磁性材料的浓度和施加光照的光程长度，能够精确控制材料的光学各向异性。
[0020]在制备的过程中，盛装混合液的容器采用透光且光学各向同性的材料，包含但不限于玻璃、石英等。光固化形成光学各向同性材料后，可以从容器中取出，或留在容器内部进行封装，取出后的材料可以用于外力压缩作为力致变色材料使用，其他情形采用不透气密封的目的是防止水分蒸发。
[0021]根据本专利技术的一些实施例，还包括步骤：使用线偏振光照射所述混合液，以获得相位差，并根据所述相位差来调整施加的磁场大小。先对混合液预先施加磁场，并利用线偏振光获得该混合液的相位差，由于相位差与最终制得材料的双折率相关，通过该相位差的信息可以判断施加该磁场获得产品的双折率是否符合目标期望值，然后根据实际需求调整施加磁场的大小，该步骤的目的是在光固化前调整施加磁场，进而精准控制获得产品的双折射率。
[0022]根据本专利技术的一些实施例，所述磁场的磁场强度≤2T；所述光照的功率密度为0.001～10W/cm2。
[0023]根据本专利技术的一些实施例，所述光照的光程长度为0.1～100mm。
[0024]根据本专利技术的一些实施例，光固化过程的温度为室温，光照的时间为5s～5min。
[0025]本专利技术的第三方面，提供一种实施上述的光学各向异性水凝胶的制备方法的生产系统，包括：
[0026]传输装置，所述传输装置用以传送所述混合液；
[0027]偏振测量仪，所述偏振测量仪用以测定所述混合液的相位差；
[0028]磁场装置，所述磁场装置用以提供磁场，所述磁场作用于所述混合液；
[0029]光源，沿所述传输装置的传送方向，所述光源位于所述磁场装置的后端，所述光源用于照射所述混合液使其光固化。
[0030]本申请中使用的偏振测量仪为现有装置，可以是已经集成好的偏振态检测器如Thorlabs的PAX1000系列偏振测量仪；也可以根据偏振测量的原理自行组装器件，如利用激光光源、起偏器、解偏器、CCD和示波器构成测量装置。
[0031]本申请中使用的磁场装置为现有装置，可以例举的为电磁铁、永磁铁等。
[0032]根据本专利技术的一些实施例，传输装置可以为传送带。
[0033]根据本专利技术的一些实施例，光源为汞灯或紫外LED面光源等含有紫外线的光源。
[0034]本专利技术的第四方面，提供一种光学器件，包括上述的光学各向异性水凝胶。
[0035]根据本专利技术的一些实施例，所述光学器件为光学波片、滤光器、光衰减器、防伪元件、力致变色材料中的一种。制备得到的光学各向异性水凝胶具有良好的弹性，通过外力形变能够使得内嵌的磁性材料的朝向发生变化，从而能够控制其光学各向异性，进而可以作为一种力致变色材料使用。
[0036]根据本专利技术的一些实施例，作为力致变色材料使用时，施加的外力形变为应变在80％以内的压缩形变。
[0037]本专利技术实施例的有益效果是：
[0038]本专利技术实施例提供了一种光学各项异性材料，磁性材料在水凝胶中定向排列并且具有较高的透射率，形成的材料具有均匀性良好且双折射率简单可调的特点，易于实现光强度和相位差的调制，并表现出良好的力学性能，在形变下也能改变内嵌磁性材料的朝向，具有各向异性简单可控的优势，在光学器件如光学波片、滤光器、光衰减本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学各向异性水凝胶，其特征在于，包括水凝胶和在所述水凝胶中定向排列的磁性材料，所述磁性材料在可见光及近红外波段的吸收系数小于3L
·
g-1
·
cm-1
。2.根据权利要求1所述的光学各向异性水凝胶，其特征在于，所述磁性材料为掺钴钛氧化物，由包括以下步骤的方法制得：S1、取碱金属盐、TiO2和CoO，在800℃～1100℃加热制得碱金属离子插层；S2、将所述碱金属离子插层加入酸中进行质子化处理，得到质子化掺钴钛酸盐；S3、取所述质子化掺钴钛酸盐加入四丁基氢氧化铵水溶液，混合得到掺钴钛氧化物。3.根据权利要求2所述的光学各向异性水凝胶，其特征在于，所述质子化掺钴钛酸盐的H
+
和四丁基氢氧化铵水溶液的OH-的摩尔比值为10:1～1:10。4.根据权利要求1至3任一项所述的光学各向异性水凝胶，其特征在于，所述水凝胶由包括水溶性单体和光引发剂的原料聚合形成。5.根据权利要求4所述的光学各向异性水凝胶，其特征在于，所述水溶性单体选自聚乙二醇二丙烯酸酯、N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺中的任一种或多种组合的混合物；所述光引发剂为Irgacure...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘碧录，曾鹏源，丁宝福，潘意坤，
申请(专利权)人：清华伯克利深圳学院筹备办公室，
类型：发明
国别省市：