CN105175015A - 一种低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫色硫化锌光子晶体结构色薄膜及其制备方法，属于光子晶体材料制备技术领域。包括先采用化学均匀沉淀法，制备出粒径均一的硫化锌微球纳米颗粒，短程有序薄膜的制备，然后在保护气氛下对薄膜进行煅烧，使微量有机物炭化，从而得到炭黑均匀分布的紫色结构色薄膜。本发明制备方法简单，重复性强，解决了化学有机物颜料易褪色，对人体有害的技术难题，同时克服了蛋白石结构光子晶体对基板要求高，镀膜条件苛刻等问题。操作过程简单易行，能大规模工业生产，适用于在多种材质表面构建无随角异色结构色色料，具有广阔的应用前景。制得的紫色硫化锌光子晶体结构色薄膜炭黑分布均匀，无角度依赖性，球形度好，粒径均一。

Description

一种低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于结构色材料制备技术领域，具体涉及一种低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜及其制备方法。

背景技术

高低折射率的材料交替排列形成周期性结构，即光子晶体，特定波长的光线不能通过其产生光子带隙，从而产生了结构色。结构色是一种物理呈色，具有颜色鲜艳、永不褪色、环境友好、制备周期短等优点。近些年来通过胶体微球的有序自组装法，能够形成蛋白石结构光子晶体，最后光线在具有周期性结构的光子晶体表面形成通过干射、衍射、散射等作用，产生绚丽多彩的结构色，但是因为具有虹彩效应，即不同方向观察到的颜色不同，从而大大限制了结构色在平板显示，印刷媒介以及光学设备等宽视角显示方面的应用。有研究者提出在短程有序结构中添加微量黑色颜料同样能够提高色彩饱和度，由于短程有序结构的各向同性同时能够有效降低结构色对角度的依赖性，达到随着观察角度变化结构色保持不变的效果(CN103173039A、102702791A、103788770A)，但上述方法的不足之处在于，光子晶体结构色薄膜制备中，需要将粉体与微量炭黑或黑色颜料混合制膜，工艺较复杂，并且蛋白石结构对镀膜环境要求很高，受外界环境干扰大，很小的环境波动都会对薄膜的质量有很大的影响，因此很难被广泛应用。很多研究者在氧化硅或者聚苯乙烯胶体溶液中加入微量的炭黑或者黑色素，利用旋涂等方法制备出短程有序，长程无序的结构色薄膜，其中炭黑或者黑色素的作用在于能够在可见光波段内有较强的吸收，从而降低非相干散射，使得结构色薄膜在短程有序，长程无序的状态下也能够表现出较高的色彩饱和度，同时这种短程有序，长程无序的结构因为各向同性，所以具有低角度依赖性，即随着观察角度的变化，颜色基本不变，能够应用于显示，印刷等方面。但是，该过程中所应用的超细纳米级炭黑具有较高的表面能，因此存在难分散、易团聚，并且在多数溶液中难以溶解等缺点，而有机黑色染料需要进行拼色、混色等工艺过程，过程复杂且制备出来的有机黑色染料不稳定等缺点。近些年来，半导体硫化物(比如硫化锌)材料因其具有很多优异的性能比如在污水处理，磁光转换，抗菌，光子晶体等方面受到广泛关注。

但是，目前为止，还没有文献对利用硫化物等材料来制备这种短程有序结构高饱和度机构色薄膜的制备进行过报道。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜及其制备方法，该方法操作简单，重复性强，适合工业化规模生产；经该方法制得的球形硫化锌光子晶体球形度好，粒径均一，结构色饱和度高，能够使用于多种基体表面的机构色薄膜构筑，并且可以被开发成一种多功能的结构色薄膜。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)按(5～7):1的质量比取Zn(NO₃)₂·6H₂O与聚乙烯吡咯烷酮，按聚乙烯吡咯烷酮：去离子水＝(0.06～0.08)g：100mL的比例加入去离子水，充分混合均匀，得到均匀溶液；

2)按(0.3～0.5)g：50mL的比例，将硫代乙酰胺溶于去离子水中，超声混合处理，得到硫代乙酰胺水溶液；

3)将步骤1)制得的均匀溶液与步骤2)制得的硫代乙酰胺水溶液按2：(1～1.5)的体积比混匀后，在70～85℃下，水浴反应5～8h，制得含有硫化锌微球的乳浊液，再经过洗涤及超声分散，最后将微球分散在乙醇溶液中，制得单分散硫化锌微球的乙醇溶液；

4)将玻璃或者陶瓷基体置于步骤3)所制备的单分散硫化锌微球乙醇溶液中40～60℃干燥，制得薄膜，将该薄膜在保护气氛下，经300～500℃煅烧处理，制得低角度依赖性的紫色硫化锌结构色薄膜。

步骤1)充分混合均匀是采用磁力搅拌器搅拌15～30min。

步骤2)中超声混合处理时间为10～20min。

步骤3)所述的洗涤是将含有硫化锌微球的乳浊液先经去离子水洗2～4次，再经无水乙醇清洗2～4次。

步骤4)所述基板为玻璃片或者陶瓷坯体。

步骤4)所述保护气氛采用氮气或氩气。

步骤4)所述真空干燥是在50～65℃下进行。

本发明还公开了采用上述方法制得的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜，该低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜中炭黑分布均匀，无角度依赖性，球形度好，粒径均一。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的低角度依赖性紫色硫化锌光子晶体结构色色料的制备方法，先采用化学均匀沉淀法，通过严格控制Zn(NO₃)₂·6H₂O与聚乙烯吡咯烷酮的反应配比(5～7：1)，以及去离子水的用量，制备出粒径均一的硫化锌微球纳米颗粒，然后在保护气氛下进行煅烧，使微量有机物炭化，从而得到炭黑均匀分布在微球中的紫色结构色薄膜，这种含碳硫化锌微球粉体颜料的颜色不会随观察角度的变化而变化，呈色稳定，不易褪色。本发明制备方法简单，重复性强，对基体粗糙度要求较低(玻璃(光滑表面)，陶瓷(粗糙表面)表面均可)，由于微量的有机物碳化所产生的C的存在使得非相干散射光强度降低，而相干散射强度更加突出，从而在粗糙表面短程有序的非蛋白石结构仍然具有较高的色彩饱和度。不但解决了化学有机物颜料易褪色，对人体有害的技术难题，同时解决了蛋白石结构对基板要求严格，镀膜环境苛刻等技难题。本发明工艺操作过程简单易行，能大规模工业生产，适用于在多种材质表面构建无随角异色结构色色料，具有广阔的应用前景，同时能够扩充短程有序结构色薄膜材料的种类。

经本发明方法制得的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜炭黑分布均匀，无角度依赖性，球形度好，粒径均一，色彩饱和度高。在显示材料、传感、催化以及各类材料表面着色领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为实施例1所得的X射线衍射图；

图2为实施例1所得的扫描电镜图；

图3为硫化锌微球经过煅烧之后的EDS图；

图4为实施例1所得的结构色薄膜的光学照片；

图5为实施例1所得的结构色薄膜在光学显微镜下放大20倍照片。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种低角度依赖性紫色硫化锌结构色色料的制备方法，包括以下步骤：

1)按质量比为5:1称取Zn(NO₃)₂·6H₂O与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)若干克，加入烧杯中，按照比例0.06gPVP:100mL加入去离子水，总水量为100mL磁力搅拌充分溶解并均匀混合，搅拌30min得到均匀溶液；

2)准确称量硫代乙酰胺0.3g，加50mL去离子水超声混合10～20min，得到硫代乙酰胺水溶液；

3)将上述1)和2)两个均匀溶液分别搅拌均匀后，加入同一个烧杯中，磁力搅拌80℃条件下水浴反应6h，即可得到含有硫化锌微球的乳浊液，再经水洗、醇洗各三次之后经过超声分散得到单分散硫化锌微球的乙醇溶液。

4)将玻璃或者陶瓷基体置于步骤3)所制备的单分散硫化锌微球乙醇溶液中40℃干燥，制得硫化锌结构色薄膜，然后将薄膜在氮气保护下经过300℃热处理，即可得到低角度依赖性，炭黑均匀分布的低角度依赖性紫色硫化锌结构色色料。

经本实施例制得的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜的样品如图4和图5所示，可以清楚看出其呈现紫色。其XRD分析如图1所示，2θ＝28.2°,47.7°,56.6°分别对应ZnS的(111)，(220)，(311)晶面，并且除了ZnS特征峰之外，没有其他杂峰出现，表明所制备的样品为纯净的ZnS。；扫描电镜图如图2所示，从图中可以看出，硫化锌微球表面粗糙，硫化锌微球高度单分散，粒径均一(300±10nm)。能谱分析如图3所示，从图中可以看出除了Zn和S的峰之外还出现了C元素的特征峰，表明ZnS微球中还有微量的C元素，并且从SEM图中可以看出，C元素均匀分布于单分散微球内，无团聚现象出现。

实施例2

1)按质量比为6:1称取Zn(NO₃)₂·6H₂O与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)若干克，加入烧杯中，按照比例0.065gPVP:100mL加入去离子水，总水量为100mL磁力搅拌充分溶解并均匀混合，搅拌30min得到均匀溶液；

2)准确称量硫代乙酰胺0.3g，加50mL去离子水超声混合10～20min，得到硫代乙酰胺水溶液；

3)将上述1)和2)两个均匀溶液分别搅拌均匀后，加入同一个烧杯中，磁力搅拌80℃条件下水浴反应7h，即可得到含有硫化锌微球的乳浊液。经水洗、醇洗各三次之后经过超声分散得到单分散硫化锌微球的乙醇溶液；

4)将玻璃或者陶瓷基体置于步骤3)所制备的单分散硫化锌微球乙醇溶液中50℃干燥，制得硫化锌结构色薄膜，然后将薄膜在氮气保护下经过500℃热处理，即可得到低角度依赖性，炭黑均匀分布硫化锌紫色薄膜。

实施例3

1)按质量比为6.5:1称取Zn(NO₃)₂·6H₂O与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)若干克，加入烧杯中，按照比例0.07gPVP:100mL去离子水，总水量为100mL磁力搅拌充分溶解并均匀混合，搅拌30min得到均匀溶液；

2)准确称量硫代乙酰胺0.4g，加50mL去离子水超声混合10～20min，得到硫代乙酰胺水溶液；

3)将上述1)和2)两个均匀溶液分别搅拌均匀后，加入同一个烧杯中，磁力搅拌85℃条件下水浴反应5h，即可得到含有硫化锌微球的乳浊液。经水洗、醇洗各三次之后经过超声分散得到单分散硫化锌微球的乙醇溶液；

4)将玻璃或者陶瓷基体置于步骤3)所制备的单分散硫化锌微球乙醇溶液中55℃干燥，制得硫化锌结构色薄膜，然后将薄膜在氮气保护下经过400℃热处理，即可得到低角度依赖性，炭黑均匀分布硫化锌紫色薄膜。

实施例4

1)按质量比为7:1称取Zn(NO₃)₂·6H₂O与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)若干克，加入烧杯中，按照比例0.08gPVP:100mL加入去离子水，总水量为100mL磁力搅拌充分溶解并均匀混合，搅拌30min得到均匀溶液；

2)准确称量硫代乙酰胺0.5g，加50mL去离子水超声混合10～20min，得到硫代乙酰胺水溶液；

3)将上述1)和2)两个均匀溶液分别搅拌均匀后，加入同一个烧杯中，磁力搅拌75℃条件下水浴反应6h，即可得到含有硫化锌微球的乳浊液。经水洗、醇洗各三次之后经过超声分散得到单分散硫化锌微球的乙醇溶液；

4)将玻璃或者陶瓷基体置于步骤3)所制备的单分散硫化锌微球乙醇溶液中60℃干燥，制得硫化锌结构色薄膜，然后将薄膜在氮气保护下经过350℃热处理，即可得到低角度依赖性，炭黑均匀分布的硫化锌紫色薄膜。

综上所述，本发明公开的一种低角度依赖性紫色硫化锌光子晶体结构色薄膜的制备方法，包括纳米硫化锌微球的制备；短程有序结构色薄膜的制备，将硫化锌微球结构色薄膜在还原气氛下的煅烧；最终得到一种无随角异色的紫色结构色薄膜。该方法成本低廉、简单易行，适用于在多种材质表面构建无随角异色结构色色料，且制备方法简单，重复性强，易于大规模制备。通过控制微球的粒径，可以得到紫绿、紫蓝、紫红等多种颜色，同时也可通过自行调色得到多种混合色。在显示材料、传感、催化以及各类材料表面着色领域有着广泛的应用前景。

Claims (8)

1.一种低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按(5～7):1的质量比取Zn(NO₃)₂·6H₂O与聚乙烯吡咯烷酮，按聚乙烯吡咯烷酮：去离子水＝(0.06～0.08)g：100mL的比例加入去离子水，充分混合均匀，得到均匀溶液；

2)按(0.3～0.5)g：50mL的比例，将硫代乙酰胺溶于去离子水中，超声混合处理，得到硫代乙酰胺水溶液；

3)将步骤1)制得的均匀溶液与步骤2)制得的硫代乙酰胺水溶液按2：(1～1.5)的体积比混匀后，在70～85℃下，水浴反应5～8h，制得含有硫化锌微球的乳浊液，再经洗涤及超声分散，然后分散在乙醇溶液中，制得单分散硫化锌微球的乙醇溶液；

4)将玻璃或者陶瓷基体置于步骤3)所制备的单分散硫化锌微球乙醇溶液中40～60℃干燥，制得薄膜，将该薄膜在保护气氛下，经300～500℃煅烧处理，制得低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜。

2.根据权利要求1所述的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1)充分混合均匀是采用磁力搅拌器搅拌15～30min。

3.根据权利要求1所述的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中超声混合处理时间为10～20min。

4.根据权利要求1所述的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3)所述的洗涤是将含有硫化锌微球的乳浊液先经去离子水洗2～4次，再经无水乙醇清洗2～4次。

5.根据权利要求1所述的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4)所述基板为玻璃片或者陶瓷坯体。

6.根据权利要求1所述的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4)所述保护气氛采用氮气或氩气。

7.根据权利要求1所述的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4)所述真空干燥是在50～65℃下进行。

8.采用权利要求1～7中任意一项所述的方法制得的低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜，其特征在于，该低角度依赖性紫色硫化锌结构色薄膜中炭黑分布均匀，无角度依赖性，球形度好，粒径均一。