自支撑和溶剂响应型胶体晶光子晶体的制备及防伪应用研究

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光子晶体(PCs)是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构,它特有的光子禁带能对可见光进行选择性反射,产生明亮的结构色。这些特性使其在显示、印刷、防伪等诸多领域具有广阔的应用前景。传统的胶体光子晶体(胶体晶)由微球密堆积而成的有序结构,但其机械稳定性差,不具备功能性,限制了胶体晶的发展与应用。我们通过溶剂选择性挥发并结合光固化策略,制备了一系列具有自支撑和溶剂响应特性的胶体晶材料,并将其用于防伪。本论文分为五章,包括胶体晶的研究背景,自支撑近红外胶体晶的制备及其编码-解码应用、乙酸响应型胶体晶的制备及防伪应用及乙醇响应型胶体晶印刷物的制备及防伪应用。主要研究内容为:通过溶剂选择性挥发驱动胶体组装并结合光固化策略,制备了具有自支撑性质“SiO2/聚(乙二醇)苯醚丙烯酸酯”的近红外胶体晶(NIRPCs)薄膜。通过控制SiO2颗粒的尺寸,制得波长不同NIRPCs薄膜,我们将不同波长的NIRPCs排列成线性编码,由于人眼无法识别NIRPCs薄膜,只能通过空间反射光谱(SRS)进行解码。制备编码的方法简单高效,并且具有编码可循环使用的优势。引入多层编码,由于上层编码对光的遮挡,下层编码的反射信号变弱,编码的反射强度揭示堆叠顺序,进一步实现了更为复杂的线路编码。这种新开发的编码-解码系统扩展PCs在防伪、信息保护和通信方面的应用。通过胶体自组装策略,制备“SiO2/聚合物聚(乙二醇)苯醚丙烯酸酯(PEGPEA)”乙酸响应型自支撑胶体晶。在乙酸溶液中该自支撑响应型胶体晶发生溶胀,晶格间距变大,峰位发生红移。研究发现,在支架聚合物中引入聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA,交联剂)控制交联度,控制峰位的最大红移;调整乙酸和乙醇混合溶液的比例,调控反射峰的具体位置。基于以上特性,通过选择性聚合将不同交联度的响应型胶体晶图案组合,制得多级变色光子印刷物(CCPPs)。干燥环境下,图案与背底之间的反射峰位置一致信息隐藏,当CCPPs浸入响应溶剂中,不同交联度的响应型胶体晶红移程度不同,色差信息显现。干燥后,CCPPs的恢复隐藏状态,隐藏和显示完全可逆。这种制备CCPPs的方法简单新颖,促进了CCPPs在高安全级别和多级防伪方面的应用。通过溶剂选择性挥发驱动胶体组装并结合光固化策略,制得对乙醇响应快速的“SiO2/聚(丙二醇)丙烯酸酯(PPGA)”光子纸。将与PPGA结构相似的甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)作为无色墨水,局部溶胀光子纸并进行二次光固化,溶胀部分晶格间距变大发生红移,与背景形成具有显著色差的图案,由此制得响应型光子印刷物(RPPs)。RPPs的图案部分,由于被二次溶胀固化交联度变大,乙醇无法溶胀。RPPs的背景在乙醇溶液中,被溶胀晶格间距变大峰位发生对应红移,图案部分不发生溶胀,调控乙醇和水混合溶液的体积分数,色差多级显示。在干燥下与溶胀的状态之间,颜色变化是可逆的,该RPPs可循环使用。这种新型的多色RPPs制备方法简单,制得的RPPs响应迅速,显色丰富,可循环使用,充实了RPPs在安全防伪的应用。
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