摘要
印刷油墨作为常见显色材料，对提升食品包装的装潢效果十分重要。然而，印刷油墨中的多环芳烃有机物、重金属颜料等成分也给食品安全带来隐患。印刷油墨的呈色方式是化学色，而结构色则是依靠材料表面的物理微纳结构与光相互作用产生颜色，因其材料安全、结构稳定、不易褪色，在食品包装中具有广阔的应用前景。基于此，本文研究食品包装用结构显色材料的制备方法及其光学、机械性能，主要内容及结论包括： （1）SiO2微球及SiO2@PDA复合微球的制备与表征。采用St?ber法制备130~530nm的SiO2微球，通过DLS、FE-SEM、XRD表明微球是单分散性良好、表面光滑的非晶态结构。为制备光学性能良好的结构色涂层，采用共混法添加DA-HCl改性SiO2微球以制得复合微球。通过测试其水合粒径，发现随着PDA含量（0~30mM）的增加，复合微球的直径也增加，且单分散性除30mM外，其余均小于0.1；结合FE-SEM与FE-TEM可知复合微球的表面粗糙且在PDA含量为20mM时，产生类核壳结构，壳层15nm左右；通过FTIR、EDS、TGA发现微球改性前后基团、元素、热稳定性均显著变化，证明成功制备出了SiO2@PDA复合微球。 （2）结构色涂层的制备及性能。通过重力沉积热辅助法制备出具有高对比度与角度依赖性的光子晶体结构色涂层，微球改性前后的粒径大小与反射光谱峰值呈正相关线性关系，且改性后复合微球制备的涂层颜色均匀、无泛白现象；通过喷涂法制备出高对比度与低角度依赖性的非晶光子晶体结构色涂层，涂层的复合色满足三色光加色法原理，PDA的含量主要影响涂层明度且在20mM以下较适宜，SiO2悬浮液浓度影响涂层的饱和度，且适宜浓度可选择20~30wt%。 （3）采用物理交联和化学交联分别制备具有高机械性能的SiO2@PDA/PVA结构色涂层与SiO2@PDA/MPTES结构色涂层。增加PVA，涂层反射光谱的反射率仅下降3%，增加MPTES，反射率仅上升4%，吸收峰均出现略微红移。结合SEM与涂层光学图片，发现PVA的适宜添加量为30~40%，MPTES为20~30%；使用FT-IR、EDS、TGA，表明PVA与MPTES分别物理或化学交联成功；通过摩擦、撕扯恒力、耐水性实验测试了涂层的机械性能，确定了40%的PVA或20%的MPTES添加量是刚性基材涂层的适宜添加量；涂层物理或化学交联前后的耐水率分别提升85.7%与52.5%。 （4）将研制的结构色材料通过喷涂法成功应用到褐色牛皮纸、食品级硅油纸、黑色卡纸、黑色亚克力板等常见食品包装材料表面。其中，在亲水性的黑色基材上利用结构色材料构建的图案色彩饱和度、明度更高，且不同粒径大小的微球产生的不同色相的结构色图案也适用于此基材。
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