CN112940507B - 具有动态变色的锗酸盐基柔性复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种具有动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料及其制备方法,涉及光学信息安全领域,并应用于多模动态光学的商标防伪。柔性复合材料由荧光粉CaZnGe2O6:Pb2+和聚二甲基硅氧烷PDMS等载体材料构成,发光材料由高温固相法合成,该材料的动态光致发光性能稳定,产品的韧性好、柔性好且对温度较为敏感,因此,CaZnGe2O6:Pb2+/PDMS复合材料在动态光致光学商标防伪和信息加密领域具有潜在的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及发光防伪材料领域,尤其涉及一种具有动态变色的锗酸盐基柔性复合材料及其制备方法。
背景技术
发光防伪材料在假冒伪劣产品正对个人、公司和整个国家构成严重的安全威胁的大环境下,由于其具有可见性、多色性和设计简单等优点,通常被用作商标防伪和信息加密,也被认为是最理想的信息安全光功能材料。
光功能材料的防伪特征是多色和多模发射,这意味着光致发光图案是彩色的,一些光致发光的特征,如荧光粉的颜色、寿命、强度等,在不同的刺激模式下表现不同。如常见有机物的动态余辉,众所周知,有机物的余辉强度不够高,并且有机物的余辉时间很短(小于1秒),因此很难被人发现。CdS/ZnS纳米晶体是一种激发-强度依赖性双发射的材料,但光致发光颜色的变化必须通过改变激发源的功率来实现动态发光[Chen et al.Excitation-intensity-dependent color-tunable dual emissions from manganese-doped CdS/ZnScore/shell nanocrystals.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2010,49(52),10132-10135.]。然而,这些发光模式或参数总是依赖于刺激,也就是说,这些图像的颜色或强度在固定的刺激(即静态光致发光)下不会改变。因此,静态光致发光防伪材料都可以通过类似静态属性的替代品轻松地伪造。
光致发光图像最重要的加密特性是信息在自然光下的不可见性,这意味着信息的光致发光只能在辐照下才能观察到。不幸的是,这个加密特性是众所周知的,加密的信息在解密期间是不变的(静态的)。这表明,加密的信息可能会被其他人多次读取,而且不够安全,因此,基于静态光致发光的防伪加密信息的安全级别实际上很低。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种具有光致动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料,该材料在紫外光激发下,可实现光致发光颜色由红色到淡紫色的动态变化,解决了静态光致发光防伪材料的可替代性、安全性低等问题。
(二)技术方案
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种具有动态变色的锗酸盐基柔性复合材料,原料包括荧光粉Ca(1-x)ZnGe2O6:xPb2+,其中0%≤x≤2%,所述载体材料为聚二甲基硅氧烷、环氧乙烷、天然橡胶、硅胶、PU或PVDF。
本发明进一步的提供了一种具有动态变色的锗酸盐基柔性复合材料制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按化学式Ca(1-x)ZnGe2O6:xPb2+中对应元素的化学计量比称取各原料:含有钙离子的化合物、含有锌离子的化合物、含有锗离子的化合物和含有铅离子化合物,放入玛瑙研钵中充分研磨至均匀混合;
步骤2:将步骤1得到的各种原料混合后置于坩埚中,在空气气氛下煅烧,煅烧温度为800-1200℃,煅烧时间为4-8小时,随后自然冷却至室温,即可获得荧光粉CaZnGe2O6:Pb2 +;
步骤3:将聚二甲基硅氧烷A液和B液按照比例混合,B液占3%-10%均可,在得到的聚二甲基硅氧烷中加入一定量的荧光粉CaZnGe2O6:Pb2+,荧光粉和聚二甲基硅氧烷的质量比在0.1-1;
步骤4:将荧光粉和聚二甲基硅氧烷的混合物搅拌均匀,通过丝网印刷技术制成前驱体,将前驱体放入保温箱,在特定温度下保温十小时以上,获得锗酸盐基动态发光荧光粉的柔性复合材料。
优选地,步骤1中,x=1.4%。
优选地,步骤2中,烧结温度范围为1000~1100℃。
优选地,步骤3中,聚二甲基硅氧烷的A液和B液的最佳质量比为10:1,动态荧光粉和聚二甲基硅氧烷的最佳质量比为1:5。
优选地,步骤4中,前驱体放入保温箱保温的温度为60℃,保温时间为12小时。
(三)有益效果
与现有技术相比,本发明提供了一种具有光致动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料及其制备方法,具备以下有益效果:
本发明提供的一种具有光致动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料,发现在固定紫外灯(254nm)照射下,该材料的光致发光颜色在室温下可在数秒内从红色动态转变为淡紫色,并在关闭紫外灯的瞬间,余辉颜色可从淡紫色转变为红色。相比于静态发光防伪材料,该材料大大提高了商标安全性的设计水平,并在动态发光防伪材料和信息加密方面具有广阔的应用前景,本发明中荧光粉的化学式为Ca(1-x)ZnGe2O6:xPb2+,且0%≤x≤2%。该荧光粉在固定紫外灯(254nm)持续照射30s内,可产生由红光(675nm)到淡紫光(450nm+675nm)的动态变化。该结果说明,基质在烧结过程中会产生多种缺陷,当受到紫外灯254nm激发时,宿主的电荷发生转移,产生蓝光(450nm)为动态变色提供基础;Pb2+作为掺杂离子,与Ca2+进行晶体格位替换,形成Pb2+中心或缺陷,掺杂后的荧光粉被固定紫外灯(254nm)持续照射30s,由于Pb2+电荷转移跃迁效应的存在,该材料相比于基质会多出红色发射峰(675nm),实现荧光粉的动态光致变色效果。
本发明采用高温固相法来制备上述荧光粉,具有工艺简单、易操作、成本低、重复性好等优点,该动态变色的柔性复合材料通过丝网印刷法印在3D打印的基板上,经过固化后得到成品,无污染且发光效率高,易于工业化生产。
附图说明
图1是按本发明实施例1-2所制得的系列荧光粉样品的X射线粉末衍射图。
图2是按本发明实施例1所制得的CaZnGe2O6荧光粉样品受紫外灯(254nm)照射30s后的发射光谱图。
图3是按本发明实施例2所制得的Ca0.994ZnGe2O6:0.6%Pb2+荧光粉样品受紫外灯(254nm)照射30s后的发射光谱图。
图4是按本发明实施例2所制得的Ca0.986ZnGe2O6:1.4%Pb2+荧光粉样品受紫外灯(254nm)照射30s后的发射光谱图。
图5是按本发明实施例2所制得的Ca0.986ZnGe2O6:1.4%Pb2+荧光粉样品受紫外灯(254nm)照射30s内的动态色坐标图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明公开提供了一种具有光致动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料,原料包括荧光粉Ca(1-x)ZnGe2O6:xPb2+,其中0%≤x≤2%,所述载体材料为聚二甲基硅氧烷、环氧乙烷、天然橡胶、硅胶、PU或PVDF。
本发明进一步的提供了一种具有光致动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按化学式Ca(1-x)ZnGe2O6:xPb2+中对应元素的化学计量比称取各原料:含有钙离子的化合物、含有锌离子的化合物、含有锗离子的化合物和含有铅离子化合物,放入玛瑙研钵中充分研磨至均匀混合;
步骤2:将步骤1得到的各种原料混合后置于坩埚中,在空气气氛下煅烧,煅烧温度为800-1200℃,煅烧时间为4-8小时,随后自然冷却至室温,即可获得荧光粉CaZnGe2O6:Pb2 +;
步骤3:将聚二甲基硅氧烷A液和B液按照比例混合,B液占3%-10%均可,在得到的聚二甲基硅氧烷中加入一定量的荧光粉CaZnGe2O6:Pb2+,荧光粉和聚二甲基硅氧烷的质量比在0.1-1;
步骤4:将荧光粉和聚二甲基硅氧烷的混合物搅拌均匀,通过丝网印刷技术制成前驱体,将前驱体放入保温箱,在特定温度下保温十小时以上,获得锗酸盐基动态发光荧光粉的柔性复合材料。
步骤1中,x=1.4%。
步骤2中,烧结温度范围为1000~1100℃。
步骤3中,聚二甲基硅氧烷的A液和B液的最佳质量比为10:1,动态荧光粉和聚二甲基硅氧烷的最佳质量比为1:5。
步骤4中,前驱体放入保温箱保温的温度为60℃,保温时间为12小时。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解,以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例,即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择,而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例一:
取分析纯氧化锗(GeO2)、氧化锌(ZnO)、碳酸钙(CaCO3)为原料按照化学式配比制备,原料配比如表1所示。
表1原料配比
化学式 | <![CDATA[GeO<sub>2</sub>]]> | ZnO | <![CDATA[CaCO<sub>3</sub>]]> |
质量(g) | 0.598 | 0.232 | 0.286 |
准确称取以上原料,在玛瑙研钵中充分研磨均匀,混合均匀后装入陶瓷坩埚中。按照以下步骤进行烧结:
步骤1:将样品放入马弗炉中按照设定的程序,先从室温经90min升至650℃保温3h;
步骤2:再经过60min升至800℃保温3h;
步骤3:烧结程序结束后,将样品随炉冷却到室温取出;取出后,再用玛瑙研钵研磨成粉末即可得单斜相的CaZnGe2O6荧光粉。
步骤2过程需进行多次实验,及步骤1和步骤3不变,改变升温温度:900℃、1000℃、1100℃、1200℃)单个变量,故得到最佳烧结温度范围为1000~1100℃。
实施例二:
Ca(1-x)ZnGe2O6:xPb2+(0%≤x≤2%)荧光粉的制备。
取分析纯氧化锗(GeO2)、氧化锌(ZnO)、碳酸钙(CaCO3)和Pb3O4为原料按照化学式配比制备,原料配比如表2所示。
表2原料配比
化学式 | <![CDATA[GeO<sub>2</sub>]]> | ZnO | <![CDATA[CaCO<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[Pb<sub>3</sub>O<sub>4</sub>]]> |
质量(g) | 0.598 | 0.232 | 100.1×(1-x)/350 | 685.6×x/1050 |
上述表2中当x=0.2%,0.6%,1.0%,1.4%时,其他制备条件同实施例1,即可获得不同掺杂比例的荧光粉。
图1为所制得动态荧光材料Ca(1-x)ZnGe2O6:xPb2+(x=0%,0.2%,0.6%,1.0%,1.4%)的XRD测试结果,图谱显示与标准PDF卡片#34-0273完全吻合,即掺杂离子不影响其晶体结构,所得样品的晶系为单斜晶系。
图2是按本发明实施例1所制得的CaZnGe2O6荧光粉样品受紫外(254nm)照射30s后的发射光谱图,其主发射峰为460nm左右,为蓝色发光荧光粉。
图3是按本发明实施例2所制得的Ca0.994ZnGe2O6:0.6%Pb2+荧光粉样品受紫外(254nm)照射30s后的发射光谱图,出现蓝色发射峰和红色发射峰,但基质发射占主导作用,导致荧光粉的光致动态变色效果不明显。
图4是按本发明实施例2所制得的Ca0.986ZnGe2O6:1.4%Pb2+荧光粉样品受紫外(254nm)照射30s后的发射光谱图。与所述图3一样,也出现蓝色发射峰和红色发射峰,但由于掺杂离子浓度的主导作用,使晶体内部产生较多陷阱,得到红蓝之比较大的光致动态变色荧光粉。
图5是按本发明实施例2所制得的Ca0.986ZnGe2O6:1.4%Pb2+荧光粉样品受紫外(254nm)照射30s内的动态色坐标图谱,直观地反映出光致动态变色的色域范围。
实施例三:
聚合物载体材料的制备。
在室温下,设定聚二甲基硅氧烷的A液和B液的质量比为5g:0.5g(10:1),在半径为60mm的培养皿中进行配比,在此过程中需加快手速,防止聚合物意外固化,影响其透明性等特有性质。
实施例四:
锗酸盐基动态变色柔性复合材料的制备。
根据上述的动态荧光粉和聚二甲基硅氧烷聚合物,设定最佳质量比1:5,在所述实施例3制备好的载体材料中,加入上述所选动态荧光粉(Ca0.986ZnGe2O6:1.4%Pb2+)1.1g,将荧光粉和聚二甲基硅氧烷等物质搅拌30s后混合均匀,通过丝网印刷技术在3D打印模板上制成前驱体,将前驱体放入保温箱,在60℃保温十二小时,可获得锗酸盐基动态变色的柔性复合材料。
综上,本发明所述一种具有光致动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料及其制备方法,利用锗酸盐基荧光粉优异的动态发光性能和有机聚合物(PDMS)高透光率的特性,制备出红光-淡紫光转换到红光的光功能复合材料,解决了静态发光防伪材料安全性较差等问题。该材料显著提高了商标安全性的设计水平,拓展了商标防伪材料的应用领域,并在动态发光防伪材料和信息安全方面具有广阔的应用前景。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种具有动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料,其特征在于,原料包括荧光粉Ca(1-x)ZnGe2O6: xPb2+,其中0%<x≤2%,载体材料为聚二甲基硅氧烷、天然橡胶、硅胶、PU或PVDF。
2.一种具有动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、按化学式Ca(1-x)ZnGe2O6: xPb2+中对应元素的化学计量比称取各原料:含有钙离子的化合物、含有锌离子的化合物、含有锗离子的化合物和含有铅离子化合物,放入玛瑙研钵中充分研磨至均匀混合,其中0%<x≤2%;
步骤2将步骤1得到的各种原料混合后置于坩埚中,在空气气氛下煅烧,煅烧温度为800-1200℃,煅烧时间为4-8小时,随后自然冷却至室温,即可获得荧光粉CaZnGe2O6: Pb2+;
步骤3:将聚二甲基硅氧烷A液和B液按照比例混合,B液占3%-10%均可,在得到的聚二甲基硅氧烷中加入一定量的荧光粉CaZnGe2O6: Pb2+,荧光粉和聚二甲基硅氧烷的质量比在0.1-1;
步骤4:将荧光粉和聚二甲基硅氧烷的混合物搅拌均匀, 通过丝网印刷技术制成前驱体,将前驱体放入保温箱,在特定温度下保温十小时以上,获得锗酸盐基动态发光荧光粉的柔性复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种具有动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料的制备方法,其特征在于,步骤1中,x=1.4%。
4.根据权利要求3所述的一种具有动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料的制备方法,其特征在于,步骤2中,烧结温度范围为1000~1100℃。
5.根据权利要求3所述的一种具有动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料的制备方法,其特征在于,步骤3中,聚二甲基硅氧烷的A液和B液的最佳质量比为10:1,荧光粉和聚二甲基硅氧烷的最佳质量比为1:5。
6.根据权利要求3所述的一种具有动态变色特性的锗酸盐基柔性复合材料的制备方法,其特征在于,步骤4中,前驱体放入保温箱保温的温度为60℃,保温时间为12小时。
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GR01 | Patent grant | ||
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