[发明专利]一种基于石墨烯纳米片的磁响应智能光学材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯纳米片的磁响应智能光学材料及制备方法。本发明首先采用液相沉积的方法在石墨烯纳米片表面沉积磁性纳米颗粒，然后将沉积后的石墨烯纳米片均匀分散于液态介质中，利用外加磁场来控制石墨烯纳米片的取向，实现对透光率的调控。在磁场作用下，当石墨烯纳米片平行于观察方向排列时，材料呈现透光状态；当石墨烯纳米片垂直于观察方向排列或随机取向时，材料透光性迅速降低。这种透光率动态可调的新型智能光学材料在智能窗、光开关、防伪、信息加密等领域具有重要的应用前景。本发明的制备方法具有操作简单、性能稳定、绿色环保、可大批量生产等优点。

技术领域

本发明属于磁控石墨烯智能窗材料制备技术领域，具体涉及一种基于石墨烯复合纳米片的新型磁调谐智能窗光学材料的制备方法。

背景技术

智能窗材料是一类透光率可通过外部刺激进行主动或被动调控的新型光学功能材料，在建筑节能、商品防伪、隐私防护、光开关等领域有着广泛的应用前景。通常，这种光学特性的动态调谐可以通过化学、折射率、结构单元的形态或外部刺激触发开关来实现。近年来，人们采取了多种策略来设计智能光学材料，包括使用液晶、悬浮胶体粒子、光子晶体电场、光、温度、机械力和磁场驱动的光学材料等。这些智能光学材料制作工艺复杂、成本高、效率低，在实际应用中仍然面临着巨大的挑战。因此，具有更快的开关速度、更高的透光率调制效率和低制造成本的新型的刺激响应智能光学材料成为人们关注的目标。

磁场调谐是一种有效的远程、无接触操控方法，为实现智能光学材料光学性质的高效快速调谐提供了可能。特别是对于具有零矫顽力的超顺磁材料，可以通过外加磁场对其光学行为进行可逆和快速的调节。近年来，一些基于超顺磁性纳米粒子的磁响应智能光学材料相继被报导。例如，利用Fe₃O₄纳米颗粒基磁流体驱动Ag纳米片随磁场取向可实现透光率的调控，在2800Oe磁场作用下，材料的透光率可在80％～100％范围内进行调节。另外，利用含胺基超顺磁性磁铁矿纳米颗粒的磁流体驱动Au纳米片实现了透光性质的动态调谐，样品的透光率在42％～72％之间变化。但是，这些材料由于高的制造成本、以及较窄的光学调节范围极大地限制了它们的实际应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于石墨烯纳米片的磁响应智能光学材料及其制备方法。

针对设计目标，本发明提供的技术方案是：

借鉴百叶窗效应，利用石墨烯纳米片的形状各向异性，通过在其上沉积磁性纳米粒子使之具有磁响应能力。将沉积磁性纳米粒子的石墨烯纳米片分散于液体介质中，并封装于平行玻璃板间隙中，通过施加外磁场调控其取向，从而实现透光率的磁场动态调控。这种无接触调控智能窗在光开关、商品防伪、信息加密等领域有着显著的应用优势。

一种基于石墨烯纳米片的磁响应智能光学材料由石墨烯纳米片、磁性纳米粒子和液体介质组成，其中，磁性纳米粒子经液相沉积法沉积于石墨烯表面，石墨烯纳米片与磁性纳米粒子的质量比控制在0.5:1～3：1之间；将上述磁性粒子沉积后的石墨烯纳米片分散于液体介质中形成浓度为10wt％～15wt％的悬浊液。

石墨烯纳米片可以是市售石墨烯纳米片，也可以是市售氧化石墨烯纳米片，纳米片形状可为任意多边形，纳米片厚度不大于20nm，纳米片的大小为5μm～20μm，使用前先在去离子水中经超声分散处理。

所述磁性纳米粒子可以是Fe₃O₄、NiFe₂O₄、CoFe₂O₄、ZnFe₂O₄、MgFe₂O₄中的任一种。粒子采用化学共沉淀法获得，粒子形状为球形，粒径5nm～20nm，饱和磁化强度不低于40emu/g。石墨烯纳米片与磁性纳米粒子的质量比控制在0.5:1～3：1之间。