一种光子晶体纸及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信息材料领域，具体涉及一种光子晶体纸及其制备方法。
【背景技术】
[0002]纸是中国古代四大发明之一，给中国古代文化的保留和传播提供了物质基础。虽然，目前信息存储和传播材料日新月异，新型电子显示设备层出不穷，然而纸确依然不可或缺。据统计，目前仍有90%的信息存储在纸上，以及通过纸质材料进行传播。众所周知，造纸行业和纸质印刷品不仅造成空气、土地、水质的深度污染，而且还消耗大量的能源和林木。
[0003]据《经济学人》统计，一人一年平均用纸量若以一棵12米高的树计算，中国每人平均“消耗” 1.81棵树。而随着经济的蓬勃发展，传统造纸行业带来的环境问题，以及印刷品的回收处理等问题将日趋严峻。
[0004]目前英国自然杂志社的子刊杂志自然通讯(Nat Commun, 2014, 5，3044 ；NatCommun, 2014,5,5459)报道了一种新型基于染料的基底的可重复书写打印纸。一种是以水致显色的染料作为涂层，以水为墨水进行打印显色文字。另一种以可发生氧化还原反应的染料为涂层，通过UV照射有文字的掩模板进行显示文字。两者都可以反复书写打印，在短期信息存储和一次性阅读材料方面具有潜在的应用前景，为未来新型可重复书写打印纸的开发与应用开辟了一条途径。然而，由于染料的合成成本较高较复杂，而且很多染料都有毒且易光漂白，制备的工艺较为繁琐，限制了其应用。
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明旨在于提供一种光子晶体纸及其制备方法，该光子晶体纸用水或水溶液作为墨水，既能够实现信息的短时间保存，又能够实现反复书写打印的目的，满足市场对能实现反复书写打印纸的需求，实用性好，环境友好，适用性广，且显示颜色可调，可适用多种基底。
[0006]本发明第一方面提供了一种光子晶体纸，包括基底和附在所述基底上的光子晶体涂层，所述光子晶体涂层包括依次设置在所述基底上的第一涂层和第二涂层；所述第一涂层为由微米/纳米颗粒分散液或微米/纳米颗粒的聚合物混合液固化形成的涂层，所述微米/纳米颗粒的聚合物混合液由微米/纳米颗粒与聚合物溶液混合获得；所述第二涂层为高分子水凝胶层。
[0007]本发明提供的光子晶体纸，其以水或水溶液作为墨水，可满足市场对反复书写打印纸的需求，可以书写打印显示多种颜色，适用多种基底，实用性好。
[0008]优选地，所述光子晶体涂层进一步包括设置在所述基底与第一涂层之间或者设置在所述第一涂层与第二涂层之间的第三涂层，所述第三涂层为保湿涂层，所述保湿涂层的材质包括下述高分子或小分子，所述高分子包括聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、环氧乙烷聚合物、聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂糖、明胶、果胶、海藻酸盐、藻蛋白酸盐、白蛋白、豆蛋白、淀粉、纤维素、蚕丝、酪素、黄原胶、透明质酸或其改性物中的一种或多种；所述小分子包括甘油、丙二醇、I，3- 丁二醇、氯化锂、氯化钠、氯化钙、硝酸钠、醋酸钠、醋酸铵、硫酸铜、硫酸钠和氯化镁中的一种或多种。
[0009]优选地，所述微米/纳米颗粒包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚异丙基丙烯酰胺、二氧化硅、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银或其改性颗粒、以及复合颗粒中的一种或多种，或由这些颗粒自组装成的光子晶体颗粒中的一种或多种。具体可以是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚异丙基丙烯酰胺、二氧化硅、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银的微球，也可以是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚异丙基丙烯酰胺、二氧化硅、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银的改性微球，或是聚苯乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯、聚异丙基丙烯酰胺、二氧化硅、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银的复合微球；也可以是由这些颗粒自组装形成的光子晶体颗粒。
[0010]光子晶体是电介质折射率周期性变化导致光子带隙结构，光子带隙能够调制具有相应波长的电磁波一一当电磁波在光子带隙中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，故此使得某一频率范围的波不能在周期性结构中传播，从而产生结构色。本发明以光子晶体涂层所具有的光子晶体结构色作为颜色显示材料，拓展了本发明光子晶体纸的应用领域。
[0011]优选地，所述微米/纳米颗粒的尺寸为1nm?1mm。
[0012]更优选地，所述微米/纳米颗粒的尺寸为50nm?500 μπι。
[0013]优选地，所述微米/纳米颗粒分散液的质量浓度为0.001%?80%。
[0014]优选地，所述微米/纳米颗粒的聚合物混合液中，所述微米/纳米颗粒的质量浓度为0.001?99.999%，所述聚合物的质量浓度为0.001?99.999%。
[0015]优选地，所述聚合物包括聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂糖、明胶、果胶、海藻酸盐、白蛋白、豆蛋白、淀粉、纤维素、蚕丝、酪素、黄原胶、透明质酸或其改性物中的一种或多种。
[0016]优选地，所述高分子水凝胶层的材质包括聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚异丙基丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚乙二醇、聚乙烯醇、壳聚糖、琼脂糖、明胶、果胶、海藻酸盐、白蛋白、豆蛋白、淀粉、纤维素、蚕丝、酪素、黄原胶、透明质酸或其改性物中的一种或多种。
[0017]优选地，所述基底的材料包括塑料、橡胶、玻璃、娃片、陶瓷、金属、纸或木材。
[0018]优选地，所述第一涂层通过结合自组装原理采用喷墨打印、3D打印、涂覆或转印的方法制备得到；所述第二涂层和第三涂层采用喷墨打印、3D打印、涂覆或转印的方法制备得到。
[0019]优选地，所述第一涂层的厚度为1nm?1mm，所述第二涂层的厚度为50nm?10mm，所述第三涂层的厚度为5nm?Imm0
[0020]更优选地，所述第一涂层的厚度为10nm?800 μm，所述第二涂层的厚度为I μ m?100 μ m，所述第三涂层的厚度为150nm?80 μ m。
[0021]高分子水凝胶涂层的设置可使光子晶体纸在遇到水或水溶液完成第一次书写打印后，待水分挥发后，又可重新书写打印，再遇到水或水溶液时又可重复书写打印。而保湿涂层的存在，可以使得书写打印后的信息保存一段时间。因此，使得本发明光子晶体纸既能够实现信息的短时间保存，又能够实现反复书写打印的目的，满足市场对能实现反复书写打印纸的需求。其书写打印信息的显现是由微米/纳米颗粒形成的光子晶体的布拉格衍射效应带来的，不仅可以存储信息，而且兼具防伪效果，适用性广，使用便捷。
[0022]本发明第二方面提供了一种光子晶体纸的制备方法，包括以下步骤:
[0023]提供一基底；
[0024]将微米/纳米颗粒分散于第一溶剂中，得到微米/纳米颗粒分散液；或将微米/纳米颗粒与聚合物溶液混合均匀，得到微米/纳米颗粒的聚合物混合液；将所得微米/纳米颗粒分散液或微米/纳米颗粒的聚合物混合液制备在所述基底上，固化后，得到第一涂层；
[0025]将高分子水凝胶分散于第二溶剂中，得到高分子水凝胶溶液，将所得高分子水凝胶溶液制备在所述第一涂层表面，干燥后，得到第二涂层；即得到光子晶体纸，所述光子晶体纸包括基底和附在所述基底上的光子晶体涂层，所述光子晶体涂层包括依次设置在所述纸张基底上的第一涂层和第二涂层。
[0026]优选地，所述微米/纳米颗粒包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚异丙基丙烯酰胺、二氧化硅、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银或其改性颗粒、以及复合颗粒中的一种或多种，或由这些颗粒自组装成的光子晶体颗粒中的一种或多种。具体可以是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚异丙基丙烯酰胺、二氧化硅、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银的微球，也可以是聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚异丙基丙烯酰胺、二氧化硅、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银的改性微球，或是聚苯乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯、聚异丙基丙烯酰胺、二氧化硅、二氧化钛、氧化铁、四氧化三铁、金、银的复合微球；也可以是由这些颗粒自组装形成的光子晶体颗粒。自组装是利用颗粒间的分子作用力和毛细作用从而自发形成紧密而有序的整体。
[0027]优选地，所述微米/纳米颗粒的尺寸为1nm?1mm。
[0028]更优选地，所述微米/