基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法
【专利摘要】本发明的基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法包括以下步骤：将胶体粒子分散于含有乙二醇的超纯水中，配制成胶体粒子溶液；然后利用喷墨打印机将胶体粒子溶液打印在亲水性基底(3)上，形成第一层胶体光子晶体(1)，待其干燥后形成图案；再将该带有图案的基底处理成疏水性基底，然后进行二次打印出另一部分图案，形成第二层胶体光子晶体(2)，两种图案相结合即得到具有防伪功能的胶体光子晶体防伪图案。该防伪图案在不同观察角度进行观察时图案会根据观察角度的不同而显示出颜色的差异性，从而达到防伪的目的。
【专利说明】基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种基于胶体光子晶体的防伪图案的制备方法，尤其涉及一种具有观察角度响应性能的胶体光子晶体防伪标记及其制备方法。
【背景技术】
[0002]光子晶体是一类介电常数在空间上成周期性分布的具有光子禁带特性的材料，特定波长的光无法通过光子晶体而被反射回去，由于胶体粒子的长程有序排列使胶体晶体产生了光子禁带。光子禁带遵循布拉格衍射公式，即πιλ = 2ndsin Θ ,其中m为衍射级数，λ为衍射波长，η为胶体晶体的平均折射率，d为胶体晶体的晶格间距，Θ为入射光角度。由此可见，改变构成胶体晶体结构的晶格间距大小、介质的折射率或改变观察的视角都将引起胶体晶体结构色的改变，因此，光子晶体被认为是一种具有很强的调制光子的能力的材料。自1987年S.John和E.Yablonovitch分别独立提出光子晶体的概念后，光子晶体的研究得到了广泛的关注和发展，尤其在光学器件、光学传感器等领域光子晶体被认为有着巨大的潜在应用价值。
[0003]图案化光子晶体是一种常见的光子晶体形态，常见的制备图案化的方法有模板转印、电化学诱导沉积、静电吸附、自组装等，这些技术都存在着步骤繁琐、耗费昂贵等缺点。喷墨打印技术是一种操作简便、价格低廉的非接触印刷技术，可以广泛应用于材料、生物、化学等领域基础研究的技术，无论无机、有机材料、聚合物材料、生物材料等，只要其黏度等性质适宜于喷墨打印。一些胶体粒子例如单分散球形Si02、PS和PMMA等纳米粒子可以自组装为具有三维有序结构的胶体晶体，这些胶体粒子同样可以使用喷墨打印的技术来构建大规模图案化的胶体晶体。2006年J.Moon课题组首次利用喷墨打印机制备了具有鲜艳颜色的胶体光子晶体的微阵列。中国科学院化学所的宋延林教授课题组在通过喷墨打印技术制备图案化光子晶体方面有着较多的报道，他们通过调控胶体粒子的组成、性质、溶剂以及基底的性能，结合喷墨打印技术制备出了具有不同功能的光子晶体图案。这种图案化的光子晶体可以在生物检测、传感、光学器件等方面具有广泛的应用前景。
[0004]目前现实生活中存在着许多的防伪技术，例如荧光油墨防伪、印章防伪、数字全息等防伪技术，这些技术虽然有着较为普遍的应用，然而由于其技术产生时间较长，易被造假者破解和仿照，以及存在操作步骤复杂、成本较高等缺点，所以需要开发新型的防伪技术。利用光子晶体进行防伪是近年来的研究热点之一，由于其独特的结构色不会被普通染料所仿照及其对光的优良调控能力，因此适用于光学防伪。
【发明内容】
[0005]技术问题:为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法，通过喷墨打印技术结合基底表面浸润性的调控制备出了一种具有观测角度响应性的基于胶体光子晶体防伪图案。
[0006]本发明提供的胶体光子晶体防伪图案是一种基于角度偏转从而导致不同图案颜色变化具有差异性的图案。这种胶体晶体防伪图案检测方式简便，不易被普通的防伪技术所仿制，具有良好的防伪效果。
[0007]技术方案:本发明的一种基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法包括以下步骤:将胶体粒子分散于含有乙二醇的超纯水中，配制成胶体粒子溶液；然后利用喷墨打印机将胶体粒子溶液打印在亲水性基底上，形成第一层胶体光子晶体，待其干燥后形成图案；再将该带有图案的基底处理成疏水性基底，然后进行二次打印出另一部分图案，形成第二层胶体光子晶体，两种图案相结合即得到具有防伪功能的胶体光子晶体防伪图案。
[0008]该胶体光子晶体防伪图案至少具有两种不同图案，一种是在亲水性基底形成的，另一种是在疏水性基底区域形成的，并且两种图案拥有同样的颜色；胶体光子晶体防伪图案中的胶体光子晶体由同一尺寸的同一种胶体粒子自组装而成。
[0009]组成胶体光子晶体的胶体粒子为单分散性的实心胶体光子晶体的胶体粒子；
[0010]所述的单分散性的实心胶体光子晶体的胶体粒子为二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛、铁的氧化物、金、银中的一种或几种。
[0011]打印所使用的胶体粒子溶液是将胶体粒子溶于含有乙二醇的超纯水中，并超声分散制备，使其胶体粒子浓度在15?25wt% ;乙二醇的浓度在15?25vt%。
[0012]所述基底为玻璃、硅片、纸、纤维、塑料或丝绸中的一种。
[0013]所述亲水性基底，其亲水处理方法为:先使用等离子处理或浓硫酸-双氧水浸泡处理中的一种将基底处理成接触角为0°，再用碳链数量在3?6之间的硅烷处理成接触角为 40° -60° ；
[0014]所述疏水性基底，其处理方法是使用碳链数量在8?12之间的硅烷处理成接触角为 80。 -100。。
[0015]所述基底需要通过不同的硅烷进行处理来使其具有不同的亲疏水性。
[0016]该防伪标志的检查图案是将防伪图案置于不同的观察角度下，即可以观察到图案颜色的变化。
[0017]本发明原理如下:本发明基于胶体光子晶体防伪图案是通过利用喷墨打印机将实心胶体粒子分别成两种或者更多的不同图案，这些图案是由被打印在具有不同浸润性的基底区域上自组装而成的，这些图案具有相同的颜色。由于在亲水性较好的基底上打印的点在干燥后自组装的形貌，呈现为不规则的扁平性，由于其不对称性，但观测角度发生改变时，这些点所组成的图案的颜色就会发生相应的变化；而在亲水性较差的基底上打印的点在干燥后自组装的形貌，呈现为规则的半球性，由于其各向的对称性，在观测角度发生改变时，这些点所组成的图案的颜色将不会发生相应的变化，并保持其原有的颜色。因此我们可以通过制备这两种图案复合组装成防伪图案，当防伪图案的观察角度发生改变时，其中一部分图案的颜色将会发生变化，而另一部分图案的颜色将不会发生改变，这种颜色的差异性就会达到防伪的效果。
[0018]有益效果:本发明胶体光子晶体防伪标识具有以下优点:
[0019](I)本发明基于喷墨打印技术制备的胶体光子晶体防伪标记可以大规模制备，因此可以节约防伪标记的制备成本。
[0020](2)本发明打印光子晶体可以使用的基底极其广泛，纸张、玻璃、硅片、塑料等材料都可以用作打印的基底。
[0021](3)本发明使用的胶体晶体粒子为同一种粒子，原材料制备简单、可多次使用、耗费少。
[0022](4)本发明防伪图案检测极为方便快捷，只需要旋转图案改变其观测角度即可，可以实现实时的检测，且不会对图案本身造成任何的损失，可多次重复利用。
[0023](5)本发明充分利用胶体光子晶体的优良光学性能，具有很高的实际应用潜能和价值，同时也扩展了光子晶体作为防伪标记方面的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明防伪标记的原理及制备示意图。
[0025]其中有:第一层胶体光子晶体1、第二层胶体光子晶体2、基底3。
【具体实施方式】
[0026]本发明具体制备方法如下:
[0027]①胶体晶体溶液的配置
[0028]将单分散的胶体粒子分散在超纯水与乙二醇体积比为1:4的混合液中，调节其质量分数为15% _25%，超声分散；胶体纳米粒子材料为二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛、铁的氧化物、金、银中的一种或几种；
[0029]②打印基底的处理
[0030]本发明中，打印使用的基底材料可以为硅片、玻璃、纸、塑料、纤维等中的一种。将基底进行亲水处理，使其表面亲水性基底。
[0031]③墨水的打印
[0032]使用第一步中配置的胶体晶体溶液作为墨水，喷墨打印形成第一种图案。
[0033]④基底的二次处理
[0034]将第三步打印好的基底处理成疏水性基底。
[0035]⑤墨水的二次打印
[0036]使用第一步中配置的胶体晶体溶液作为墨水，在二次处理好的较疏水基底上喷墨打印成第二种图案。这两种图案相组合即成所需的防伪图案。
[0037]优选的，所述方法中的胶体粒子浓度在15% -25%。所述步骤(2)中的亲水处理方法为先使用等离子处理或浓硫酸-双氧水浸泡处理中的一种将基底处理成0°，在用碳链数量在3?6之间的硅烷处理成接触角为40° -60°。所述步骤(4)中的处理方法是使用碳链数量在8?12之间的硅烷处理成接触角为80° -100°。
[0038]实施例一:胶体光子晶体防伪图案的制备
[0039]1.胶体光子晶体溶液的配制:
[0040]将直径为220nm的单分散实心二氧化硅胶体纳米粒子加入到超纯水与乙二醇体积比为4:1的混合液中，调节二氧化硅质量分数为20%，超声分散；
[0041]2.打印基底的一次处理
[0042]选择单面抛光硅片的光滑面作为打印基底，硅片经过清洗干净后使用等离子体仪处理成接触角为0°后，将其置于直径Idm密封玻璃皿中，加入300ul丙基三乙氧基硅烷(triethoxypropylsilane)，6(TC加热 Ih,将其接触角处理为 50° ;
[0043]3.墨水的打印
[0044]使用步骤I中配制好的胶体光子晶体溶液作为墨水注入墨盒中，放入到喷墨打印机中，使用喷墨打印机在步骤2中制备的基底上打印出已设计好的第一部分图形，30°C环境下使墨水自然干燥即可制得相应的胶体晶体图案，此图案具有颜色角度有偏的特性；
[0045]4.打印基底的二次处理
[0046]取下已打印第一部分图案的硅片基底，将其置于直径Idm密封玻璃皿中，加入300ul辛基三乙氧基娃烧(triethoxyoctylsilane)，60°C加热Ih,将其接触角处理为85° ;
[0047]5.墨水的二次打印
[0048]将步骤4中二次处理的硅片置于打印喷头下，使用相同的步骤2中的墨水打印出设计好的第二部分图形，30°C环境下使墨水自然干燥即可制得相应的胶体晶体图案，此图案具有颜色角度无偏的特性。此图案与步骤3中制备的图案共同组合成一种颜色能在不同角度下发生差异性变化的胶体晶体复合图案，这种胶体晶体图案具有较好的防伪特性。
【权利要求】
1.一种基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤:将胶体粒子分散于含有乙二醇的超纯水中，配制成胶体粒子溶液；然后利用喷墨打印机将胶体粒子溶液打印在亲水性基底(3)上，形成第一层胶体光子晶体(I)，待其干燥后形成图案；再将该带有图案的基底处理成疏水性基底，然后进行二次打印出另一部分图案，形成第二层胶体光子晶体(2)，两种图案相结合即得到具有防伪功能的胶体光子晶体防伪图案。
2.如权利要求1所述的基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法，其特征在于该胶体光子晶体防伪图案至少具有两种不同图案，一种是在亲水性基底形成的，另一种是在疏水性基底区域形成的，并且两种图案拥有同样的颜色；胶体光子晶体防伪图案中的胶体光子晶体由同一尺寸的同一种胶体粒子自组装而成。
3.根据权利要求1所述的基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法，其特征在于组成胶体光子晶体的胶体粒子为单分散性的实心胶体光子晶体的胶体粒子。
4.根据权利要求1所述的基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法，其特征在于，所述的单分散性的实心胶体光子晶体的胶体粒子为二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化钛、铁的氧化物、金、银中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法，其特征在于，打印所使用的胶体粒子溶液是将胶体粒子溶于含有乙二醇的超纯水中，并超声分散制备，使其胶体粒子浓度在15?25wt% ;乙二醇的浓度在15?25vt%。
6.根据权利要求1所述的基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法，其特征在于，所述基底为玻璃、硅片、纸、纤维、塑料或丝绸中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于胶体光子晶体防伪图案的制备方法案，其特征在于，所述亲水性基底，其亲水处理方法为:先使用等离子处理或浓硫酸-双氧水浸泡处理中的一种将基底处理成接触角为0°，再用碳链数量在3?6之间的硅烷处理成接触角为40。-60。； 所述疏水性基底，其处理方法是使用碳链数量在8?12之间的硅烷处理成接触角为80。 -100。。
【文档编号】B41M3/14GK104175734SQ201410396475
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】顾忠泽, 汪伟, 谢卓颖 申请人:东南大学