[發(fā)明專利]一種光子晶體3D打印墨水、光子晶體及其制備方法

在審

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• 申請日: 2022-11-24
• 公開（公告）號: CN115806715A
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁振;蔡唯;王亞飛;張敬一
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
• 主分類號: C08L33/26
• 分類號: C08L33/26;C08L51/10;B33Y70/00;C08F220/56;C08F222/20;C08F292/00;C08F220/18;G02B1/02;G02B1/00
• 代理公司: 深圳市君勝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44268
• 代理人: 劉芙蓉

本發(fā)明涉及光子晶體材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光子晶體3D打印墨水、光子晶體及其制備方法。該光子晶體3D打印墨水包括二氧化硅核殼粒子和預(yù)交聯(lián)凝膠，二氧化硅核殼粒子包括二氧化硅納米顆粒內(nèi)核和包覆于該內(nèi)核表面的聚合物外殼。本發(fā)明在二氧化硅納米顆粒的表面包覆聚合物外殼，通過減少二氧化硅膠體粒子表面的羥基，使得二氧化硅核殼粒子的表面能下降，單分散程度高，在體系中具有自組裝的趨向。利用二氧化硅核殼粒子與預(yù)交聯(lián)凝膠混合，即可得到具有明亮結(jié)構(gòu)色的光子晶體3D打印墨水。且該墨水穩(wěn)定性高、打印可重復(fù)性好。利用該墨水3D打印得到的光子晶體具有角度依賴性結(jié)構(gòu)色，并有良好的結(jié)構(gòu)記憶與顏色儲存性，在防偽等領(lǐng)域具備應(yīng)用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光子晶體材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光子晶體3D打印墨水、光子晶體及其制備方法。

背景技術(shù)

光子晶體(Photonic Crystal，PhC)是一種由不同介電常數(shù)的材料在一維、二維、三維方向上重復(fù)堆疊形成的周期性結(jié)構(gòu)。光子晶體最大的特點(diǎn)是其擁有光子禁帶(Photonic Band-Gap，PBG)，所有波長位于光子禁帶內(nèi)的電磁波都會被禁止通過光子晶體，這就賦予了光子晶體一種新的特性—電磁波的波長選擇性。目前一維、二維光子晶體都已經(jīng)擁有商用的大規(guī)模制備方法，而三維光子晶體主要由“自上而下”光刻與“自下而上”膠體微球自組裝制造，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制備方法規(guī)模的限制性，目前還沒有商用大規(guī)模制備三維光子晶體的報道。光子晶體的波長選擇性在宏觀上最明顯的體現(xiàn)就是其擁有具有角度依賴性的結(jié)構(gòu)色，結(jié)構(gòu)色不同于色素色，前者是一種光學(xué)現(xiàn)象，可以做到高飽和度、高亮、無污染、結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的前提下可以做到永不褪色。這些特點(diǎn)使得光子晶體在信息加密、防偽技術(shù)、生物傳感器、彩色顯示等領(lǐng)域有很強(qiáng)的商業(yè)應(yīng)用潛力。

光子晶體3D打印技術(shù)是一種新型的技術(shù)，可制備出優(yōu)異的角度依賴性結(jié)構(gòu)色。傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)包括熔融沉積(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)、立體光固化(Stereolithography，SLA)、多孔噴射沉積(PolyJet)、墨水直書寫(Direct Ink Writing，DIW)、數(shù)字光處理(Digital Light Processing，DLP)等。但目前光子晶體3D打印技術(shù)在單分散膠體粒子材料的兼容性、光子晶體的打印速度、打印精度等條件的限制下，無法做到大規(guī)模低成本制備。

二氧化硅納米粒子是一種膠體粒子，將單分散的二氧化硅納米粒子(本文中也稱為二氧化硅膠體粒子)分散于體系中，由于毛細(xì)管力、重力以及表面電荷的作用，二氧化硅納米粒子總是傾向于自我組裝形成面心立方結(jié)構(gòu)。且二氧化硅膠體粒子由于表面羥基基團(tuán)的存在，總是具有自發(fā)團(tuán)聚的趨勢。并由于膠體粒子與體系之間的介電常數(shù)的差異性會直接影響到光子晶體光子禁帶的形成，最終會影響到結(jié)構(gòu)色的形成。

專利CN201310754514.1涉及一種高分子單分散膠體粒子的3D打印，利用各種膠體粒子與丙烯酸酯類光、熱固化單體混合，最后使用立體光固化3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)光子晶體增材制造。立體光固化3D技術(shù)通過逐層固化來實(shí)現(xiàn)三維光子晶體的3D打印，但是由于使用激光束在液態(tài)樹脂中由點(diǎn)至線至面固化最終實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型，打印效率無法滿足商用要求，并且立體光固化3D打印技術(shù)由于激光器功率高，會使得成型激光點(diǎn)較大，使得打印精度較低。同時丙烯酸酯類光、熱固化單體與溶劑和光子晶體膠體粒子之間配合的關(guān)系比較難以掌控，溶劑的選用會大幅度改變3D打印的性能，目前單體與溶劑配比存在偏差會導(dǎo)致光子晶體打印墨水發(fā)白失去結(jié)構(gòu)色。