摘要
一维磁响应性光子晶体具有快速、可逆和跨越全光谱的磁致变色特性,在传感、防伪、信息加密、伪装和荧光增强等领域展现出了诱人的应用前景.然而,已发展的磁响应性光子晶体组装基元还存在如下问题:首先,组装基元壳层大多为二氧化硅(SiO2),碳(C)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以及聚电解质等少数亲水性物质,使其无法在丙烯酸酯树脂、环氧树脂和聚氨酯等油性树脂中分散,限制了它们在涂料和油墨印刷等领域的应用.其次,组装基元大多基于对可见光吸收强、本征色偏黑的四氧化三铁粒子,导致其光子晶体的反射率偏低,在自然光照条件下人眼可识别性较差.为此,本论文首先探索了亲脂性单体在Fe3O4@PVP磁性胶体粒子表面的界面聚合方法,制备了能够在油性环氧树脂中良好分散的Fe3O4@PVP@亲脂性单体聚合物(Polymer)磁性胶体纳米粒子;它们在施加磁场作用下,表现出结构色.然后研究了过氧化氢溶液对Fe3O4@PVP和Fe3O4@PVP@Polymer粒子的氧化机理.发现双氧水氧化处理后的磁性胶体粒子本征色变浅,能组装形成反射率和亮度明显增强的一维光子晶体.将其与油性树脂混合得到了分散性良好的光子晶体油墨.它能用丝网印刷-磁场辅助光固化技术印制具有特定图案、随角异色明显的磁性光子晶体印品,说明该光子晶体油墨在防伪领域具有重要的潜在应用.论文得到的主要结论如下: (1)Fe3O4@PVP@Polymer磁性纳米粒子的制备与亲脂性壳层的调控:亲脂性双丙烯酸酯类单体在体积比为870∶130的二甲亚砜和水混合溶液中倾向于聚集在Fe3O4@PVP粒子壳层周围,能通过氧化还原类引发剂引发界面聚合,制备亲脂性Fe3O4@PVP@Polymer磁性胶体粒子.探究了溶剂配比、单体用量、引发剂配比、引发剂用量以及温度等因素对Fe3O4@PVP@Polymer磁性胶体粒子的组成、结构及其在树脂中的分散性和组装形成的磁性光子晶体光学性能的影响规律. (2)双氧水对磁性胶体纳米粒子的氧化处理:详细探究了用一定浓度的双氧水-乙醇混合溶液处理Fe3O4@PVP磁性胶体粒子的双氧水用量、Fe3O4@PVP胶体粒子的用量与粒径大小、反应时间等因素对产物Fe3O4@PVP@Polymer胶体粒子及其光子晶体光学性能的影响.发现Fe3O4催化双氧水分解产生的氧气与羟基自由基,一方面使Fe3O4中的Fe2+向Fe3+的转化生成γ-Fe2O3,进而使磁性胶体粒子对光的吸收减弱,表现出较浅的本征色;另一方面,进攻PVP中的吡咯环,发生开环反应生成羧基,增强粒子间的静电斥力,进而在外加磁场作用下形成一维磁性光子晶体能表现出高亮度的结构色.在此基础上,研制了一种高亮度光子晶体磁性油墨,推动了磁性光子晶体在防伪领域的应用.
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