CN110204848A - 一种二维胶体光子晶体及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维胶体光子晶体及其制备方法和用途，该方法包含：步骤1：将单分散纳米胶体微球悬浮液用第一溶剂稀释，得到混合物；步骤2：将步骤1得到的混合物涂到基片上，以在气液界面形成单层胶体晶体；步骤3：将步骤2的基片加热蒸发溶剂，得到二维胶体光子晶体薄膜；步骤4：将聚合物溶解于第二溶剂中，得到透明聚合物溶液；步骤5：将步骤4得到的透明聚合物溶液渗透至步骤3得到的二维胶体光子晶体薄膜，然后将光子晶体薄膜转移至基底上，室温下固化。本发明的二维胶体光子晶体采用聚合物薄膜固定光子晶体阵列，使原本介稳态晶体阵列具有更好的稳定性，能够广泛应用于防伪涂层。

Description

一种二维胶体光子晶体及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种光子晶体，具体地，涉及一种二维胶体光子晶体及其制备方法和用途。
背景技术
光子晶体的概念最早是由Yablonovitch E和John在1987年分别独立提出来的，光子晶体是由两种以上具有不同介电常数(折射率)的材料在空间按照一定的周期性顺序排列所形成的有序结构材料。
光子晶体最基本的光学特征是具有光子带隙，即光子禁带。在光子晶体结构中，由于不同折射率材料在空间中的周期性分布，导致在其中传播的光波的色散曲线也会形成带状能带结构，即光子能带，光子能带之间在一定条件下会形成光子带隙。光子带隙分为完全光子带隙和不完全光子带隙，在各个方向上均有带隙的称为完全光子带隙，只在部分方向上产生带隙的称为不完全光子带隙。由于在光子带隙中态密度为零，因此处于禁带波段的光波在各个方向上均受到布拉格衍射，无法向任一方向传播。当光子晶体的禁带处在可见光频率范围内时，一定波长的光不能透过光子晶体，而是在光子晶体表面形成相干衍射，光子晶体就会呈现出该频率光的颜色，因此光子晶体会显现出绚丽的结构色。光子晶体的这种颜色与色素色(化学色)相比有着很大优势：亮度高、高饱和度且永不褪色等，因此对光子晶体的结构色的研究与应用一直备受人们关注。目前，光子晶体被广泛应用于传感器检测、光纤、波导、光电子学等领域。
基于胶体微粒的胶体光子晶体是光子晶体材料中的一种，但由于基于胶体微粒的胶体光子晶体属于介稳态结构，微粒之间的结合依靠微弱的静电力，因此容易受到破坏，很难推广其应用。
发明内容
本发明的目的是克服单一微球组装光子晶体稳定性差、对基底附着性差的缺点，提供一种稳定性强、透光性好，能够应用于防伪涂层的二维胶体光子晶体的制备方法。
为实现本发明的目的，本发明提供一种二维胶体光子晶体的制备方法，该方法包含：
步骤1：将单分散纳米胶体微球悬浮液用第一溶剂稀释，得到混合物；
步骤2：将步骤1得到的混合物涂到基片上，以在气液界面形成单层胶体晶体；
步骤3：将步骤2的基片加热蒸发溶剂，得到二维胶体光子晶体薄膜；
步骤4：将聚合物溶解于第二溶剂中，得到透明聚合物溶液；
步骤5：将步骤4得到的透明聚合物溶液渗透至步骤3得到的二维胶体光子晶体薄膜，然后将光子晶体薄膜转移至基底上，室温下固化。
较佳地，步骤1所述的单分散纳米胶体微球为聚合物微球、金属微球或无机非金属微球的任意一种。
较佳地，步骤1所述的单分散纳米胶体微球为聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球或二氧化硅胶体微球中的任意一种。
较佳地，步骤1中，所述的第一溶剂为1-丙醇，所述的微球悬浮液与所述的第一溶剂的体积比为1:1～10。
较佳地，步骤2中所述的基片选择石英玻璃片、玻璃片、塑料片、金属片的任意一种。
较佳地，步骤3中所述的加热的条件为：60～80℃，1～4h。
较佳地，步骤4中，所述的第二溶剂为DMSO；所述的聚合物的质量分数占所述的透明聚合物溶液的2％～10％。
较佳地，步骤4中所述的聚合物选自聚乙烯醇、聚乙二醇及聚氯乙烯中的任意一种或两种以上的组合。
本发明还提供了上述的方法制备得到的二维胶体光子晶体。
本发明另外提供了上述的二维胶体光子晶体在防伪涂层中的用途。
本发明提供的能够用于防伪涂层的二维胶体光子晶体的制备方法具有以下优点：
本发明的方法制备简便，制得的用于防伪涂层的二维胶体光子晶体既具有二维光子晶体的单层有序结构，又具有聚合物的附着性，克服了单一微球组装光子晶体稳定性差、对基底附着性差的缺点。本发明制备的用于防伪涂层的二维胶体光子晶体稳定性好、透光性强，可附着于多种基底表面，且具有绚丽的光子晶体结构色，而且由于油墨不能渗透至涂层内部，可有效防止保护内容被涂改和篡写。
附图说明
图1为本发明的实施例1制备的二维光子晶体膜的实物图。
图2为本发明的实施例2制备的二维光子晶体膜的实物图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
将二维胶体光子晶体嵌入水凝胶中，可显著提高胶体光子晶体结构的稳定性，且由于水凝胶具有憎油性，因此油墨不能渗透至水凝胶内部，很容易去除薄膜表面的油墨。因此制备的二维凝胶光子晶体薄膜不仅可以提供可覆盖基底的彩色层，防止被伪造，而且可以保护基底上文字图案被篡改。
本发明提供的用于防伪涂层的二维胶体光子晶体的制备方法包含以下步骤：
步骤1：将单分散纳米胶体微球悬浮液用第一溶剂1-丙醇稀释，微球悬浮液与1-丙醇体积比为1比3；该单分散的胶体微球的粒径为100～600nm。单分散的胶体微球为聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球或二氧化硅胶体微球等中的任意一种。相应的，悬浮液即为单分散的胶体微球悬浮液，如聚苯乙烯悬浮液、聚甲基丙烯酸甲酯悬浮液、二氧化硅悬浮液等。
步骤2：将步骤1得到的混合物滴涂到基片上，在气液界面形成单层胶体晶体；其中基片可以是石英玻璃片、玻璃片、塑料片、金属片的任意一种。
步骤3：将步骤2得到的基片转移到烘箱中加热蒸发溶剂，得到二维胶体光子晶体薄膜；加热温度为80℃，加热时间为2h。
步骤4：在氮气氛围中将聚合物溶解于第二溶剂DMSO中，冷却得到质量分数为2％的透明聚合物溶液；聚合物应具有较好的成膜性能，较高的透明度，例如聚乙烯醇(聚合度为1700，醇解度为78％～99％)、聚乙二醇(聚乙二醇-4000、聚乙二醇-6000、聚乙二醇-8000)及聚氯乙烯中的任意一种或两种以上的组合。
步骤5：将步骤4得到的透明聚合物溶液渗透至步骤3得到的二维胶体光子晶体薄膜，然后将光子晶体薄膜转移至基底上，室温下固化。
本发明采用的单分散聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球通过将甲基丙烯酸甲酯经乳液聚合法制备，也可以市购；单分散聚苯乙烯胶体微球通过将苯乙烯经乳液聚合法制备，也可以市购；聚乙烯醇1799购自国药试剂公司；聚乙二醇6000购自国药试剂公司；1-丙醇(AR)购自Sigma-Aldrich；DMSO购自国药试剂公司。
实施例1
步骤1：将粒径为600nm的单分散聚苯乙烯微球悬浮液用1-丙醇稀释，微球悬浮液与1-丙醇体积比为1比3；
步骤2：将步骤1得到的混合物滴涂到石英玻璃上，在气液界面形成单层胶体晶体；
步骤3：将步骤2得到的石英玻璃基片转移到烘箱中，80℃下加热蒸发溶剂2h，使微球在热力下自组装为二维光子晶体结构，平铺在石英玻璃表面；
步骤4：在氮气氛围中将聚乙烯醇1799在二甲亚砜(DMSO)溶解2h，冷却得到质量分数为2％的透明聚乙烯醇溶液；
步骤5：将石英玻璃覆盖在步骤3得到的二维光子晶体表面，形成夹层结构，将步骤4得到的透明聚乙烯醇溶液通过夹层结构缝隙渗透至二维胶体光子晶体薄膜，然后将二维胶体光子晶体薄膜在15～30℃下固化后去除上层石英玻璃。
实施例1制备的二维光子晶体膜的实物图如图1所示。所制得的胶体光子晶体薄膜具有绚丽的结构色，透光性强，可将薄膜从石英玻璃转移至其他基底表面，防止薄膜下保护的内容被篡改，因此可作为防伪涂层应用。
实施例2
重复实施例1中步骤1～步骤4。
步骤5：将步骤4得到的透明聚乙烯醇溶液滴涂在步骤3得到的二维光子晶体表面，随后将铝箔覆盖在二维光子晶体表面，使得聚乙烯醇溶液渗透至二维胶体光子晶体薄膜，然后将二维胶体光子晶体薄膜在15～30℃下固化，最后去除石英玻璃。同样可得到的二维胶体光子晶体膜，该薄膜覆盖于铝箔表面，具有绚丽的结构色，透光性好、稳定性强。实施例2制备的二维光子晶体膜的实物图如图2所示。
实施例3
用粒径为600nm的单分散聚甲基丙烯酸甲酯微球取代实施例1步骤1中的粒径为600nm的单分散聚苯乙烯胶体微球，用聚乙二醇6000粉末取代实施例1步骤4中的聚乙烯醇1799，其余重复实施例1中的步骤1～步骤5。同样的方法得到的二维胶体光子晶体膜，该薄膜同样具有绚丽的结构色，较好的透光性、稳定性。
综上所述，本发明提供的一种用于防伪涂层的二维胶体光子晶体的制备方法，采用聚合物薄膜固定光子晶体阵列，使原本介稳态晶体阵列具有更好的稳定性，克服了单一胶体微球自组装得到的光子晶体膜强度低、稳定性差的问题，该光子晶体具有绚丽的结构色，且能牢固附着于基板表面，能够广泛应用于防伪涂层。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种二维胶体光子晶体的制备方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1：将单分散纳米胶体微球悬浮液用第一溶剂稀释，得到混合物；
步骤2：将步骤1得到的混合物涂到基片上，以在气液界面形成单层胶体晶体；
步骤3：将步骤2的基片加热蒸发溶剂，得到二维胶体光子晶体薄膜；
步骤4：将聚合物溶解于第二溶剂中，得到透明聚合物溶液；
步骤5：将步骤4得到的透明聚合物溶液渗透至步骤3得到的二维胶体光子晶体薄膜，然后将光子晶体薄膜转移至基底上，室温下固化。
2.如权利要求1所述的二维胶体光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤1所述的单分散纳米胶体微球为聚合物微球、金属微球或无机非金属微球的任意一种。
3.如权利要求1所述的二维胶体光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤1所述的单分散纳米胶体微球为聚苯乙烯胶体微球、聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球或二氧化硅胶体微球中的任意一种。
4.如权利要求1所述的二维胶体光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的第一溶剂为1-丙醇，所述的微球悬浮液与所述的第一溶剂的体积比为1:1～10。
5.如权利要求1所述的二维胶体光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的基片选择石英玻璃片、玻璃片、塑料片、金属片的任意一种。
6.如权利要求1所述的二维胶体光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的加热的条件为：60～80℃，1～4h。
7.如权利要求1所述的二维胶体光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述的第二溶剂为DMSO；所述的聚合物的质量分数占所述的透明聚合物溶液的2％～10％。
8.如权利要求1所述的二维胶体光子晶体的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的聚合物选自聚乙烯醇、聚乙二醇及聚氯乙烯中的任意一种或两种以上的组合。
9.权利要求1-8任意一项所述的方法制备得到的二维胶体光子晶体。
10.权利要求9所述的二维胶体光子晶体在防伪涂层中的用途。
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