单分散CdS微球的水相合成及其应用

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以纳米微球为基元构筑的三维光子晶体(PC),在结构生色领域展现了巨大的应用潜力。然而,传统的光子晶体由于构筑材料的限制,其产生的结构色很难兼具高颜色亮度和低角度依存的特性。根据布拉格公式可知,通过提高构筑单元的折射率能够有效解决以上问题。Cd S微球由于其较高的折射率(n=2.51),其构筑的PC在光学防伪方面具有明显的优势。但Cd S微球的合成体系仍存在不足,限制了其在光子晶体结构生色领域的进一步应用。本论文针对以上问题,通过简单绿色的合成方式在水溶液中合成了单分散的Cd S微球,并以此为基元构筑三维光子晶体结构。通过复合可光固化的聚合物提高了Cd S光子晶体的稳定性,设计了一种通过简单酒精湿巾擦拭即可实现双面防伪的结构色标签。设计了一种在水相中合成Cd S微球的方案,实现了均匀Cd S微球的可控合成。以硝酸镉和硫代乙酰胺分别作为合成体系的Cd源和S源,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为配体,在酸性水体系中制备了单分散的Cd S微球。通过受控注射的方式加入Cd2+前驱体溶液,有效解决了水体系中金属盐水解速度过快、微球生长不平衡的问题。通过条件实验,优选出合成均匀Cd S微球的最佳反应条件,即反应温度为70oC,PVP的量为20g/L,Cd源的量为133 mmol/L,S源的量为133 mmol/L。同时,基于受控注射方式的特点,精确调控Cd源的加入速度,制备出粒径可控、尺寸范围在180-410 nm的单分散Cd S微球。X射线衍射、红外光谱和电镜结果证明,合成出的Cd S纳米微球为PVP包覆的立方相多晶微球。基于上述合成的单分散Cd S微球,设计并制备了一种多层结构的光子晶体防伪标签。通过浸渍提拉法制备了颜色亮丽、具有低角度依存特性的Cd S光子晶体,并通过复合乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯聚合物(ETPTA)制备了具有独立支撑性能的Cd S/ETPTA PC薄膜。相比于低折射率微球构筑的PC,这种具有高亮度和低角度依存性结构色的自支撑膜能确保其信息传递的稳定性。以图案化后的Cd S/ETPTA PC薄膜为信息层,添加酒精擦拭下可实现透明-不透明切换的聚合物多孔结构作为屏蔽层,构筑了多层光子晶体防伪标签。隐藏模式下,屏蔽层因多重散射和光子禁带效应有效地隐藏了内层信息。而在酒精湿巾擦拭标签后,屏蔽层的透明度提高,具有低角度依存性结构色的信息层得以显现。这种具有稳定的信息表达能力和简单解码方法的自支撑标签在日常防伪领域展现出良好的应用前景。
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