CN106867310B - 结构色墨水及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构色墨水包括以下质量百分比的各组分：二氧化硅纳米微球0％‑10％，天然生物高分子0％‑10％，余量为水，其中，二氧化硅纳米微球与天然生物高分子的质量比为0.25‑1:1，二氧化硅纳米微球的尺寸为100‑200nm。本发明还涉及一种结构色墨水的制备方法，包括以下步骤：提供二氧化硅纳米微球的水分散液；将天然生物高分子溶于水，得到天然生物高分子水溶液；将二氧化硅纳米微球的水分散液与天然生物高分子水溶液混合，得到结构色墨水。本发明制备的墨水在干燥之后呈现一定的颜色，使用本发明的方法制备的结构色墨水完全无毒无害，制备方法简单，成本较低，是一种开发新型墨水的理想途径。

Description

结构色墨水及其制备方法
技术领域
本发明涉及墨水制备技术领域，尤其涉及一种结构色墨水及其制备方法。
背景技术
墨水是一种含有色素或染料的液体，通常被用于书写或绘画。墨水作为一种信息记载的工具，具有悠久的历史，并在我们的日常生活与工作中起到了至关重要的作用。
目前人们常用的彩色墨水大致可以分为两种：第一种是染料墨水，这种墨水是分子级染料的复合溶液，色彩艳丽，并且不会使喷头堵塞。但是由于这种染料分子的固有属性，这种墨水不能很好地防水，并且在紫外线照射下很快分解，耐久性不佳，容易褪色。第二种是颜料墨水，这种墨水是把固体颜料研磨成细小的颗粒，在特殊的溶剂中形成悬浮溶液，通过色材附在介质(如复印纸或打印纸等)的表面来发色的。这种墨水打印出的文字图案的色彩缺乏较好的色泽和鲜艳度。同时由于颜料墨水色材的颗粒比较大，打印在纸张表面上降低了其耐摩擦性。不仅如此，一些染料墨水和颜料墨水为了保证较为稳定的物理化学性能，在制备过程中使用有机溶剂，其具有较大的毒性，在使用过程中及废弃之后，很容易对人体和环境产生危害。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种结构色墨水及其制备方法，使用本发明的方法制备的结构色墨水与传统染料或颜料墨水不同，它的颜色来源于非晶光子晶体的短程序微观结构对可见光进行一系列的相干散射而呈现一定的色彩。这种墨水中不添加有机及挥发性的有毒溶剂，完全无毒无害，制备方法简单，成本较低，是一种开发新型墨水的理想途径。
本发明提供了一种结构色墨水，包括以下质量百分比的各组分：二氧化硅纳米微球0％-10％，天然生物高分子0％-10％，余量为水，其中，二氧化硅纳米微球与天然生物高分子的质量比为0.25-1:1，二氧化硅纳米微球的尺寸为100-200nm。
进一步地，天然生物高分子为明胶、蚕丝蛋白和壳聚糖中的一种或几种。
本发明还提供了一种结构色墨水的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供二氧化硅纳米微球的水分散液；
(2)将天然生物高分子溶于水，得到天然生物高分子水溶液；
(3)将步骤(1)得到的二氧化硅纳米微球的水分散液与步骤(2)得到的天然生物高分子水溶液混合，得到结构色墨水。
进一步地，在步骤(1)中，二氧化硅纳米微球的尺寸为100-200nm。
进一步地，在步骤(1)中，二氧化硅纳米微球的水分散液中二氧化硅纳米微球的质量分数为0-20％。
进一步地，在步骤(2)中，天然生物高分子为明胶、蚕丝蛋白和壳聚糖中的一种或几种。
进一步地，在步骤(2)中，天然生物高分子水溶液中天然生物高分子的质量分数为0-20％。
进一步地，采用上述浓度的二氧化硅纳米微球的水分散液以及天然生物高分子水溶液，能够使二者均匀混合。且二者之间不发生化学反应，而且也不需要添加除水之外的其他物质。
进一步地，在步骤(3)中，二氧化硅纳米微球与天然生物高分子的质量比为0.25-1:1。
本发明的原理为：所用的天然生物高分子有很好的水溶性，而所用的二氧化硅纳米微球有较好的水分散性。因而当使用墨水后，待水分蒸发干，天然生物高分子很容易形成两种介质部分相间的排列，打乱原来有序的三位堆叠结构，形成具有短程序而不具有长程序的非晶光子晶体微观结构。这种结构能对可见光产生相干散射而形成一定的无虹彩结构色。采用不同尺寸的微球可以得到可见光光谱范围内的可调的多种颜色。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明使用不同尺寸的二氧化硅纳米微球，其作用是在复合体系中形成短程序非晶光子晶体结构，对可见光进行相干散射而呈现一定的颜色，且二氧化硅纳米微球结构与化学性质稳定，无毒无害，同时具有较好的光学性质；而本发明使用天然生物高分子，一方面是为了打乱二氧化硅纳米微球在水分蒸发过程中形成的有序结构，避免形成光子晶体，另一方面则是起到粘合的作用，保证墨水书写后的结构稳定性，且天然生物高分子无毒无害，在自然界中储备丰富，可自然降解，对环境友好；将二者在水中混合，所制备的墨水在干燥之后呈现一定的颜色，使用本发明的方法制备的结构色墨水完全无毒无害，制备方法简单，成本较低，是一种开发新型墨水的理想途径。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是改变二氧化硅微球的尺寸所制备的墨水在烘干后的光学照片；
图2是改变二氧化硅微球与明胶水溶液的比例所制备的墨水在烘干后的光学照片；
图3是改变二氧化硅微球的浓度所制备的墨水在烘干后的光学照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1
将粒径为120nm的二氧化硅纳米微球分散到水中，配成质量分数为4％的二氧化硅水分散液。
配制质量分数为4％的明胶水溶液，然后取2ml上述二氧化硅水分散液与3ml上述明胶水溶液混合，得到结构色墨水，此时二氧化硅微球与明胶的质量比为2:3。然后用移液器吸取少量结构色墨水后在基底上画一个图案，置于烘箱中烘干。
实施例2
将粒径为150nm的二氧化硅纳米微球分散到水中，配成质量分数为4％的二氧化硅水分散液。
配制质量分数为4％的明胶水溶液，然后取2ml上述二氧化硅水分散液与3ml上述明胶水溶液混合，得到结构色墨水，此时二氧化硅微球与明胶的质量比为2:3。然后用移液器吸取少量结构色墨水后在基底上画一个图案，置于烘箱中烘干。
实施例3
将粒径为180nm的二氧化硅纳米微球分散到水中，配成质量分数为4％的二氧化硅水分散液。
配制质量分数为4％的明胶水溶液，然后取2ml上述二氧化硅水分散液与3ml上述明胶水溶液混合，得到结构色墨水，此时二氧化硅微球与明胶的质量比为2:3。然后用移液器吸取少量结构色墨水后在基底上画一个图案，置于烘箱中烘干。
图1为实施例1-3中所制备的墨水在烘干后的光学照片，图1a对应实施例1，图1b对应实施例2，图1c对应实施例3。从左至右，颜色分别为蓝紫色，蓝色和淡蓝色，说明改变二氧化硅纳米微球的粒径，其形成的微观结构可以对可见光产生不同波长的相干散射，从而产生不同的颜色，最终实现在墨水变干后改变墨水的颜色的目的。
实施例4
将粒径为180nm的二氧化硅纳米微球分散到水中，配成质量分数为4％的二氧化硅水分散液。
配制质量分数为4％的明胶水溶液，然后取3ml上述二氧化硅水分散液与7ml上述明胶水溶液混合，得到结构色墨水，此时二氧化硅微球与明胶的质量比为3:7。然后用移液器吸取少量结构色墨水后在基底上画一个图案，置于烘箱中烘干。
实施例5
将粒径为180nm的二氧化硅纳米微球分散到水中，配成质量分数为4％的二氧化硅水分散液。
配制质量分数为4％的明胶水溶液，然后取1ml上述二氧化硅水分散液与1ml上述明胶水溶液混合，得到结构色墨水，此时二氧化硅微球与明胶的质量比为1:1。然后用移液器吸取少量结构色墨水后在基底上画一个图案，置于烘箱中烘干。
图2a和2b分别为实施例4和5制备的结构色墨水干燥后的光学照片，颜色分别为较淡蓝色和浅蓝色，其中图2b的颜色泛白。这表明二氧化硅微球含量过少或者过多，都不利于形成较好的非晶结构，最终导致呈现的颜色较淡或者泛白。
实施例6
将粒径为150nm的二氧化硅纳米微球分散到水中，配成质量分数为10％的二氧化硅水分散液。
配制质量分数为5％的蚕丝蛋白水溶液，然后取1ml上述二氧化硅水分散液与2ml上述蚕丝蛋白水溶液混合，得到结构色墨水，此时二氧化硅微球与蚕丝蛋白的质量比为1:1。然后用移液器吸取少量结构色墨水后在基底上画一个图案，置于烘箱中烘干。
实施例7
将粒径为150nm的二氧化硅纳米微球分散到水中，配成质量分数为20％的二氧化硅水分散液。
配制质量分数为20％的蚕丝蛋白水溶液，然后取1ml上述二氧化硅水分散液与1ml上述蚕丝蛋白水溶液混合，得到结构色墨水，此时二氧化硅微球与蚕丝蛋白的质量比为1:1。然后用移液器吸取少量结构色墨水后在基底上画一个图案，置于烘箱中烘干。
图3a和3b分别为实施例6和7制备的结构色墨水干燥后的光学照片，颜色都为淡蓝色，这表明对于不同的天然生物高分子材料，只要和二氧化硅纳米微球的混合比例合适，最后都能制备出颜色较好的结构色墨水。图3b也表明，只要二氧化硅和天然生物高分子材料比例一致，它们最初的混合浓度对最终的颜色基本无影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种结构色墨水，其特征在于，由以下质量百分比的各组分组成：二氧化硅纳米微球1.2%-10%，天然生物高分子2%-10%，余量为水，其中，所述二氧化硅纳米微球与天然生物高分子的质量比为0.25-1:1，所述二氧化硅纳米微球的尺寸为120-180nm；所述天然生物高分子为明胶、蚕丝蛋白和壳聚糖中的一种或几种。
2.一种权利要求1所述的结构色墨水的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）提供二氧化硅纳米微球的水分散液；
（2）将天然生物高分子溶于水，得到天然生物高分子水溶液；所述天然生物高分子为明胶、蚕丝蛋白和壳聚糖中的一种或几种；
（3）将步骤（1）得到的所述二氧化硅纳米微球的水分散液与步骤（2）得到的所述天然生物高分子水溶液混合，得到所述结构色墨水。
3.根据权利要求2所述的结构色墨水的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，所述二氧化硅纳米微球的水分散液中二氧化硅纳米微球的质量分数为4-20%。
4.根据权利要求2所述的结构色墨水的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述天然生物高分子水溶液中天然生物高分子的质量分数为4-20%。
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