[發(fā)明專利]用于3D打印的磁響應(yīng)變色光子晶體墨水及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110088419.7
• 申請(qǐng)日: 2021-01-22
• 公開（公告）號(hào): CN112812565B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 汪長(zhǎng)春;方怡權(quán)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué);珠海復(fù)旦創(chuàng)新研究院
• 主分類號(hào): C08L83/04
• 分類號(hào): C08L83/04;C08K3/22;C08K3/36;B33Y70/10
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于光子晶體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于3D打印的磁響應(yīng)變色光子晶體墨水及其制備方法。本發(fā)明制備方法包括：制備超順磁性的膠體粒子，并將超順磁性的膠體粒子分散于極性溶劑中，得到磁響應(yīng)變色光子晶體溶液；將該溶液與可固化的聚合物前驅(qū)體混合乳化，得到磁響應(yīng)乳液；在乳液中加入觸變劑或樹脂增強(qiáng)劑，得到磁響應(yīng)變色光子晶體墨水。該墨水出色的觸變性使其可以通過3D打印的方式制造任意形狀的磁響應(yīng)光子晶體器件，這類器件固化后仍能隨磁場(chǎng)強(qiáng)弱的變化展現(xiàn)出動(dòng)態(tài)可逆的鮮艷結(jié)構(gòu)色。本發(fā)明有效提升了磁響應(yīng)型光子晶體的應(yīng)用便利性和自由度，在防偽、信息存儲(chǔ)和磁場(chǎng)傳感器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光子晶體材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于3D打印的磁響應(yīng)變色光子晶體墨水及其制備方法。

背景技術(shù)

光子晶體是一類具有周期性介電常數(shù)結(jié)構(gòu)的材料，可以通過改變材料的物理結(jié)構(gòu)和折光性質(zhì)來調(diào)制特定波長(zhǎng)光的傳播。其中，刺激響應(yīng)型的光子晶體的光子帶隙結(jié)構(gòu)可以隨著外界的環(huán)境（例如蒸氣，溫度，應(yīng)變，pH和電磁場(chǎng)）的變化發(fā)生改變，通過在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)調(diào)制其衍射波長(zhǎng)，其可以直觀的反射特定的結(jié)構(gòu)色，在化學(xué)傳感、生物傳感、防偽標(biāo)示和加密存儲(chǔ)等諸多領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用前景。

由磁性納米微球（如四氧化三鐵納米簇膠體）作為結(jié)構(gòu)單元的磁響應(yīng)光子晶體是一種重要的刺激響應(yīng)型光子晶體。只有在外加磁場(chǎng)的作用下，這種磁性納米微球可以發(fā)生磁化，迅速組裝成有序的一維的納米鏈光子晶體結(jié)構(gòu)，并展現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的顏色。根據(jù)布拉格公式，這種結(jié)構(gòu)色可以通過調(diào)節(jié)磁性納米微球的間距來控制。隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)，被磁化的粒子在較強(qiáng)的磁場(chǎng)下靠得更加緊密，具有更小的粒子間距，從而衍射出波長(zhǎng)更短的光；而在磁場(chǎng)較弱時(shí)，由于靜電斥力或者位阻斥力，磁性納米微球在組裝和堆積時(shí)相對(duì)疏松，粒子間距變得更大，從而衍射出波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光。

中國(guó)專利CN 101794652涉及一種碳包覆的磁性納米微球，具有可控且均均的尺寸。進(jìn)一步地，中國(guó)專利CN 108147470提出通過對(duì)其包覆二氧化硅殼層，制備水溶性的磁響應(yīng)型光子晶體。中國(guó)專利CN110787743和CN 105738975公布了制備聚（4-苯乙烯磺酸-共聚-馬來酸）鈉鹽穩(wěn)定的磁性納米微球的方法，其產(chǎn)物可以在多種溶劑實(shí)現(xiàn)全光譜變色，制備方法簡(jiǎn)單便捷，易于規(guī)模化。中國(guó)專利CN 111063500 A又發(fā)展了在磁性納米微球表面有機(jī)硅改性的方法，使得磁響應(yīng)光子晶體可以在各種極性溶劑和非極性溶劑中保持鮮艷的結(jié)構(gòu)色，拓寬了其光學(xué)穩(wěn)定性。它們光子晶體結(jié)構(gòu)的組裝，得益于在良溶劑中的自由活動(dòng)能力，盡管如此，這種磁響應(yīng)光子晶體必須以分散液形式存在，它使用過程中易于流動(dòng)變形，溶劑易于揮發(fā)，封裝也存在較大困難，這就大大限制了磁響應(yīng)光子晶體的應(yīng)用場(chǎng)景。

因此，如何獲得磁響應(yīng)光子晶體的穩(wěn)定應(yīng)用形態(tài)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)志曾報(bào)道了一種將磁性納米微球與水凝膠微球結(jié)合的方法，通過控制內(nèi)部固定有磁響應(yīng)光子晶體的聚乙二醇二丙烯酸酯微球的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)下的光學(xué)結(jié)構(gòu)色轉(zhuǎn)換（J.AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 15687-15694），但是只能在顯微鏡下觀察其結(jié)構(gòu)色變化。中國(guó)專利CN 107988657提出了一種將磁性膠體微球分散液與海藻酸鈉水凝膠結(jié)合的方法，在毛細(xì)管中制備磁場(chǎng)響應(yīng)性光子晶體纖維，但是其反射率和原本磁響應(yīng)光子晶體的分散液相比有較大的損失，而較細(xì)的水凝膠纖維較弱的力學(xué)性能也不利于實(shí)際應(yīng)用。因此，如何在保持磁響應(yīng)變色性能的前提下，制備具有固定宏觀形態(tài)的穩(wěn)定磁響應(yīng)光子晶體材料，仍然是該領(lǐng)域中的一個(gè)重要問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種磁響應(yīng)變色光子晶體墨水及其制備方法，由該方法制備的墨水可以裝載于商用的3D打印機(jī)料筒中常溫?cái)D出打印，固化成型后的宏觀器件仍可在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)色變化效應(yīng)。

本發(fā)明提供的磁響應(yīng)變色光子晶體墨水制備方法，具體步驟如下：

（1）制備超順磁性的膠體粒子，并將超順磁性的膠體粒子分散于極性溶劑中，得到磁響應(yīng)變色光子晶體溶液；

（2）將該晶體溶液與可固化的聚合物前驅(qū)體混合乳化，得到油包水的乳液；