一种可见光和红外双波段防伪标签及其制备方法

1.本发明属于标签防伪技术领域，涉及自组装垂直沉积技术，具体为一种可见光和红外双波段防伪标签及其制备方法，采用二氧化钛纳米颗粒膜与三维聚苯乙烯微球光子晶体的叠层结构。


背景技术：

2.当前各种商品、票据、卡片、证券及信息的防伪都受到了高度关注，研发具有安全性和可靠性的防伪技术的研究愈来愈多。从光子晶体衍生出来的结构色在可见光波段防伪标签领域引起了越来越多的关注，yao meng等人利用三维反蛋白石结构实现了纸币防伪应用。lin chu等人通过中空二氧化硅蛋白石光子晶体与醋酸纤维素纳米复合膜的结构颜色实现纸币防伪。由特定结构或材料实现的定制红外发射率的热辐射标签作为一种有前景的防伪候选产品也受到了重要的研究关注。这些热辐射标签人眼是看不见的，只有用热成像设备才能显示出来。daniel franklin等人讨论了一种混合腔耦合等离子体系统，该系统的共振可在3-5或8-14μm红外波段上调谐，同时在可见光域中保持近不变的光谱特性，实现了红外图像的隐蔽编码。joong hoon lee等人提出了一种彩色、隐蔽的红外显示技术，该技术使用了基于平面-等离子体混合腔的完美光谱分割技术，实现热辐射防伪标签的应用。
3.虽然对可见光防伪标签和红外热辐射标签的研究很多，但现有的研究都集中在单一波段单一功能上，因此其安全性和可靠性还存在较大的提升空间和需求。而到目前为止，关于可见光和红外双波段防伪标签的研究还没有相应解决手段。


技术实现要素：

4.针对上述存在问题或不足，为解决现有防伪标签仅实现在可见光或红外的单一波段单一功能，其安全性和可靠性效果相对较低的问题，本发明提供了一种可见光和红外双波段防伪标签及其制备方法，采用了二氧化钛纳米颗粒膜与三维聚苯乙烯微球光子晶体的叠层结构，实现了双波段防伪标签的功能，其制备工艺可基于颗粒的自组装沉积法。
5.一种可见光和红外双波段防伪标签，为二氧化钛纳米颗粒膜与三维聚苯乙烯微球光子晶体的叠层结构。
6.所述二氧化钛纳米颗粒膜设置于目标载体上刻蚀的防伪信息图案凹陷区域，厚度10-20微米，即目标载体上刻蚀的深度10-20微米。
7.所述三维聚苯乙烯微球光子晶体覆盖在防伪信息图案凹陷区域上，并对其下的二氧化钛纳米颗粒膜全覆盖，厚度15-25微米。
8.上述可见光和红外双波段防伪标签的制备方法，包括以下步骤：
9.步骤1、在目标载体上刻蚀深度10-20微米的防伪信息图案，然后将目标载体清洁干净；
10.进一步的，所述刻蚀技术为激光雕刻技术。
11.步骤2、在步骤1所得目标载体凹陷的防伪信息图案填充tio2纳米颗粒。
12.tio2纳米颗粒填充的具体方法：将步骤1所得目标载体置于水平的培养皿中，取tio2纳米颗粒分散液滴于防伪信息图案的整个凹陷区域，使其填充满tio2纳米颗粒分散液，待常温干燥后将目标载体非防伪信息图案区域表面溢出的tio2纳米颗粒薄膜去除，只保留防伪信息图案区域的tio2纳米颗粒薄膜，且将整个目标载体表面平坦化处理。由于材料在红外波段本征损耗，由tio2纳米颗粒薄膜填充的防伪信息图案可以被红外成像仪探测；
13.所述tio2纳米颗粒分散液的质量分数为15％-30％。
14.步骤3、在步骤2所得的目标载体的防伪信息图案区域上表面制备一层三维ps光子晶体薄膜，厚度为15-25微米，最终得到覆盖于目标载体的tio2纳米颗粒膜和三维ps微球光子晶体的叠层结构，且三维ps光子晶体薄膜完全覆盖防伪信息图案区域。由于布拉格衍射定律，三维ps光子晶体在可见光波段具有结构色，实现了底部防伪信息图案的隐藏。
15.三维ps光子晶体薄膜的具体制备方法为：利用ps微球分散液，在步骤2所得目标载体的防伪信息图案区域上表面继续制备三维ps光子晶体薄膜，厚度为15-25微米，最终得到了tio2纳米颗粒膜与三维ps微球光子晶体的叠层结构。
16.所述ps微球分散液为聚苯乙烯(ps)微球分散液，其质量分数为0.6％-2％。
17.上述可见光和红外双波段防伪标签的显隐方法：
18.可见光：在防伪标签的防伪信息图案区域滴涂无水乙醇，即可实现底部防伪信息图案显现；无水乙醇挥发后，又重新实现了底部防伪信息图案的隐藏，作为可见光防伪标签。实现原理：三维ps光子晶体由于布拉格衍射，在可见光波段存在光子带隙，存在具有结构色的高反射特性，能对底层填充有tio2纳米颗粒薄膜的防伪信息图案进行隐藏；当上层三维ps光子晶体的背景介质由空气变为无水乙醇，其背景折射率的变化，影响了布拉格衍射定律，使得三维ps光子晶体在可见光的光子带隙消失，在可见光波段对光具有高透的性质，从而可以实现底部防伪信息图案的显现。
19.红外热辐射：采用红外成像仪(flir)对防伪标签的防伪信息图案区域进行探测，在常温或者高温下，都可以清晰地探测到底部的防伪信息图案，作为红外热辐射防伪标签。实现原理：由于tio2纳米颗粒材料的本征损耗，使tio2纳米颗粒薄膜在8-14微米具有高吸收，根据基尔霍夫定律，即存在高的发射率，并且三维ps光子晶体薄膜在2-14微米具有一个高透过率，对底部防伪信息图案中tio2纳米颗粒薄膜的发射率不影响，从而利用红外成像仪(flir)对其进行探测，以识别底部的信息图案。
20.综上所述，本发明采用了二氧化钛纳米颗粒膜与三维聚苯乙烯微球光子晶体的叠层结构，通过改变上层ps层的背景介质，在可见光波段可实现图案信息加密到显现的可逆变化，作为可见光波段的防伪标签；在红外波段，利用红外成像仪可探测图案信息，作为热辐射防伪标签。并进一步提供了示例的具体制备工艺，可基于颗粒的自组装沉积法，制备的tio2纳米颗粒膜与三维ps微球光子晶体的叠层结构有很好的均匀性和可控性，叠层结构接触良好，可以通过调节分散液中的颗粒浓度来调节膜层厚度等。本发明提供的防伪标签实现了可见光和红外的双波段防伪，有效提高了安全性和可靠性。
附图说明
21.图1为实施例步骤一中刻蚀防伪信息图案后的目标载体实物图；
22.图2为实施例步骤三所得样品的实物图；
23.图3为实施例步骤三所得样品的剖面示意图；
24.图4为实施例步骤三所得样品的sem图；
25.图5为实施例步骤三所得样品表面滴涂无水乙醇后的光学图片；
26.图6为实施例步骤三所得样品在常温和高温下采用flir探测的热红外成像图片。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
28.实施例
29.一种可见光和红外双波段防伪标签的制备方法，具体步骤如下：
30.步骤1、以si基片作为目标载体，采用激光雕刻技术在其上刻蚀深度为15μm的笑脸图案作为防伪信息图案，如图1中所示笑脸图案，黑色的方形为si基片；然后将目标载体清洁干净。
31.步骤2、将步骤1所得si基片作为基底，取1ml tio2纳米颗粒分散液滴于刻蚀的笑脸图案(防伪信息图案)上，利用水平自然沉降法制备tio2纳米颗粒薄膜，干燥后将si基片表面溢出笑脸图案区域的tio2纳米颗粒薄膜采用油纸打磨去除，只留有笑脸图案中的tio2纳米颗粒薄膜。tio2纳米颗粒分散液为质量分数20％的tio2纳米颗粒分散液。
32.步骤3、将步骤2所得si基片置于盛有15ml的ps(质量分数为1.3％，直径为200nm)微球分散液烧杯中，置于50℃的烘箱32h；在si基片的笑脸图案区域上表面利用垂直沉降自组装法制备一层三维ps光子晶体薄膜，厚度为17微米，最终得到覆盖于目标载体的tio2纳米颗粒膜和三维ps微球光子晶体的叠层结构。
33.对本实施例得到的样品进行sem分析(如图4所示)，发现基于垂直沉积自组装法，采用上述工艺制备的三维ps光子晶体均匀，工艺简单，可控性高，两种材料界面接触良好。
34.综上可见，本实施例提出的基于水平/垂直自组装沉积法，tio2纳米颗粒膜与三维ps微球光子晶体的叠层结构的制备工艺，保证了结构的均匀性，工艺稳定，且两种材料在界面接触良好，为纳米颗粒膜与微球颗粒膜叠层结构的制备提供了一种稳定，简单的制备方法；最终制备的可见光和红外双波段防伪标签由于两层结构光学性能的不同，通过改变上层ps层的背景介质，在可见光波段可实现图案信息加密到显现的可逆变化，作为可见光波段的防伪标签；在红外波段，利用红外成像仪可探测图案信息，作为热辐射防伪标签。本发明提供的防伪标签实现了可见光和红外的双波段防伪，有效提高了安全性和可靠性。