CN108821603A - 一种复合结构色材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合结构色材料的制备方法，将烧杯和基底用浓硫酸/双氧水浸泡、清洗、烘干备用；将粒径为150‑550 nm的胶体颗粒分散于溶剂中，配制成质量分数为0.1%‑1.5%的胶体颗粒分散液，超声0.5 h；将基底竖直放于烧杯底部，加入3‑6 ml的胶体颗粒分散液，接着放于干燥箱烘干，单层结构色材料即在玻璃基底上形成；以单层结构色材料为基础，选取不同粒径的胶体颗粒分散液，按照前面的方法重复实验，新的光子晶体层就在原光子晶体层表面形成，即可得到复合结构色材料。本发明简便可控且易于调节，制备得到的复合结构色材料的色泽鲜艳，对角度依懒性低，可适应于较大规模的制备。

Description

一种复合结构色材料的制备方法
技术领域
本发明属于胶体晶体纳米材料技术领域，涉及一种复合结构色材料的制备方法。
背景技术
区别于常见的染料色，结构色是因为它们具有特殊的周期性微观结构，通过对光的多重散射之后的干涉而产生的颜色，此类特殊的光学结构被称之为光子晶体。结构生色材料与化学色相比，具有不褪色、显色稳定以及环保无污染等优点，在显示、传感器、光催化、绿色包装等领域都具有很大的应用价值。
目前制备得到的结构色材料多为基于单一尺寸胶体颗粒的光子晶体，这类光子晶体光子带隙窄，对角度依赖性高，在实际应用中有着较大的局限性。因此，为实现结构色材料在各个领域更为广泛的应用，急需开发一种新的简单制备宽光子带隙的结构色材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合结构色材料的制备方法，针对目前结构色材料结构单一、角度依赖性高和难以实现完全带隙等问题，通过不同尺寸、多层次胶体颗粒叠加制备得到复合结构色材料，从而拓宽光子带隙，降低其对角度的依赖性。
本发明所采用的技术方案：
通过垂直沉积法，利用单分散的胶体颗粒分散液的自组装特性来制备不同胶体颗粒粒径的多层次光子晶体，即复合结构色材料，包括以下步骤：
步骤一：将实验所用的烧杯和基底用浓硫酸/双氧水浸泡4-6 h，再用去离子水和乙醇清洗后，放入干燥箱烘干备用；
步骤二：将粒径为150-550 nm范围的胶体颗粒分散于溶剂中，配制成质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，超声0.5 h备用；
步骤三：将基底竖直放置于烧杯底部，加入3-6 ml 质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，然后将烧杯放于恒温干燥箱静置烘干，单层光子晶体结构色材料即在玻璃基底上形成；
步骤四：以步骤三得到的单层光子晶体结构色材料为基础，选取不同颗粒粒径的胶体颗粒分散液，依次按照步骤三的方法继续进行实验，新的光子晶体层就在原光子晶体层的表面形成，即可得到复合结构色材料。
其中，步骤二和步骤三中，恒温干燥箱的烘干的温度及时间分别为30-50 ℃，48-72 h。
所述的胶体颗粒包括但不限于实心或空心的二氧化硅颗粒、聚苯乙烯颗粒、聚丙烯酰胺颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯颗粒、四氧化三铁颗粒、硫化锌颗粒和二氧化钛颗粒。
复合结构色材料为两层和三层结构。
所述的实验所用的基底包括但不限于普通玻璃、有机玻璃、皮革、陶瓷、纤维等基底。
步骤二中配置质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液所用的溶剂为乙醇或水。
复合结构色材料的不同层由同种物质或不同物质的不同颗粒粒径的胶体颗粒复合得到。
本发明的有益效果是：
本发明通过不同尺寸、多层次胶体颗粒叠加制备的复合结构色材料，拓宽了结构色材料的光子带隙，实现了可见光范围内(从紫色到红色)不同结构色材料的制备。该方法简便可控且易于调节，制备得到的结构色材料色泽鲜艳，对角度依懒性低，可适应于较大规模的制备。
附图说明
图1为粒径是180 nm和220 nm的二氧化硅胶体颗粒制备所得的双层结构色材料反射光谱图；
图2为粒径是220 nm和270 nm的二氧化硅胶体颗粒制备所得的双层结构色材料反射光谱图；
图3为粒径是220 nm和300 nm的二氧化硅胶体颗粒制备所得的双层结构色材料反射光谱图；
图4为粒径是180 nm、220 nm和270 nm的二氧化硅胶体颗粒制备所得的三层结构色材料反射光谱图；
图5为粒径是160 nm、220 nm和300 nm的二氧化硅胶体颗粒制备所得的三层结构色材料反射光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
通过垂直沉积法，利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组装特性来制备多层次光子晶体，从而得到复合结构色材料。
步骤一：将实验所需要用的5-10 ml的小烧杯和基底用浓硫酸/双氧水浸泡4-6 h后用去离子水清洗3-5次，再用乙醇冲洗3-6次，将玻璃片用镊子放入小烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。
步骤二：将粒径为150-550 nm范围的胶体颗粒配制成质量分数为0.1%-1.5%的分散液，超声0.5h备用；
步骤三：将基底竖直放置于烧杯底部，加入3-6 ml 质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，然后将烧杯放于恒温干燥箱静置烘干，单层光子晶体结构色材料即在玻璃基底上形成；
步骤四：以步骤三得到的单层光子晶体结构色材料为基础，选取不同颗粒粒径的胶体颗粒分散液，依次按照步骤三的方法继续进行，新的光子晶体层就在原光子晶体层的表面形成，即可得到复合结构色材料。
步骤二和步骤三中，恒温干燥箱的烘干的温度及时间分别为30-50 ℃，48-72 h。
步骤二中配置质量分数为0.1%-1.5%的分散液所用的溶剂为乙醇或水。
所述的胶体颗粒包括但不限于实心或空心的二氧化硅颗粒、聚苯乙烯颗粒、聚丙烯酰胺颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯颗粒、四氧化三铁颗粒、硫化锌颗粒和二氧化钛颗粒等。
所述的试验所用的基底包括但不限于普通玻璃、有机玻璃、皮革、陶瓷、纤维等基底。
实施例1
步骤一：将实验所需要用的5-10 ml的小烧杯和基底用浓硫酸/双氧水浸泡4-6 h后用去离子水清洗3-5次，再用乙醇冲洗3-6次，将玻璃片用镊子放入小烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。
步骤二：将粒径为180 nm和220 nm的二氧化硅胶体颗粒分别配制成质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，超声0.5 h备用。
步骤三：用镊子将烧杯中的玻璃片竖直放置于烧杯底部，用滴管吸取3-6 ml的粒径为180 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液加入烧杯中，放入30-50 ℃恒温的干燥箱中静置48-72 h，期间不可以将干燥箱打开或者摇晃，烘干后，粒径为180 nm的二氧化硅胶体颗粒单层光子晶体结构色材料即在玻璃基底上形成。
步骤四：以步骤三制备得到的单层结构色材料为基础，选取粒径为220 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液，按照步骤三的方法进行，颗粒粒径为220 nm的光子晶体层就在颗粒粒径为180 nm的光子晶体层的表面形成，即可得到双层复合结构色材料。
通过本实验，得出以下结论：当第一层二氧化硅颗粒粒径为180 nm，第二层粒径为220 nm时，制备得到的复合结构色材料为青色，其反射光谱如图1所示。
实施例2
步骤一：将实验所需要用的5-10 ml的小烧杯和基底用浓硫酸/双氧水浸泡4-6 h后用去离子水清洗3-5次，再用乙醇冲洗3-6次，将玻璃片用镊子放入小烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。
步骤二：将粒径为220 nm和270 nm的二氧化硅胶体颗粒分别配制成质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，超声0.5 h备用。
步骤三：用镊子将烧杯中的玻璃片竖直放置于烧杯底部，用滴管吸取3-6 ml的粒径为220 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液加入烧杯中，放入30-50 ℃恒温的干燥箱中静置48-72 h，期间不可以将干燥箱打开或者摇晃，烘干后，粒径为220 nm的二氧化硅胶体颗粒单层光子晶体结构色材料即在玻璃基底上形成。
步骤四：以步骤三制备得到的单层结构色材料为基础，选取粒径为270 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液，按照步骤三的方法进行，颗粒粒径为270 nm的光子晶体层就在颗粒粒径为220 nm的光子晶体层的表面形成，即可得到双层复合结构色材料。
通过本实验，得出以下结论：当第一层二氧化硅颗粒粒径为220 nm，第二层粒径为270 nm时，制备得到的复合结构色材料为绿色，其反射光谱如图2所示。
实施例3
步骤一：将实验所需要用的5-10 ml的小烧杯和基底用浓硫酸/双氧水浸泡4-6 h后用去离子水清洗3-5次，再用乙醇冲洗3-6次，将玻璃片用镊子放入小烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。
步骤二：将粒径为220 nm和300 nm的二氧化硅胶体颗粒分别配制成质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，超声0.5 h备用。
步骤三：用镊子将烧杯中的玻璃片竖直放置于烧杯底部，用滴管吸取3-6 ml的粒径为220 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液加入烧杯中，放入30-50 ℃恒温的干燥箱中静置48-72 h，期间不可以将干燥箱打开或者摇晃，烘干后，粒径为220 nm的二氧化硅胶体颗粒单层光子晶体结构色材料即在玻璃基底上形成。
步骤四：以步骤三制备得到的单层结构色材料为基础，选取粒径为300 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液，按照步骤三的方法进行，颗粒粒径为300 nm的光子晶体层就在颗粒粒径为220 nm的光子晶体层的表面形成，即可得到双层复合结构色材料。
通过本实验，得出以下结论：当第一层二氧化硅颗粒粒径为220 nm，第二层粒径为300 nm时，制备得到的复合结构色材料为黄色，其反射光谱如图3所示。
实施例4
步骤一：将实验所需要用的5-10 ml的小烧杯和基底用浓硫酸/双氧水浸泡4-6 h后用去离子水清洗3-5次，再用乙醇冲洗3-6次，将玻璃片用镊子放入小烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。
步骤二：将粒径为180 nm、 220 nm和270 nm的二氧化硅胶体颗粒分别配制成质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，超声0.5 h备用。
步骤三：用镊子将烧杯中的玻璃片竖直放置于烧杯底部，用滴管吸取3-6 ml的粒径为180 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液加入烧杯中，放入30-50 ℃恒温的干燥箱中静置48-72 h，期间不可以将干燥箱打开或者摇晃，烘干后，粒径为180 nm的二氧化硅胶体颗粒单层光子晶体结构色材料即在玻璃基底上形成。
步骤四：以步骤三制备得到的单层结构色材料为基础，选取粒径为220 nm和270nm的二氧化硅胶体颗粒分散液，依次按照步骤三的方法进行，颗粒粒径为220 nm的光子晶体层在颗粒粒径为180 nm的光子晶体层的表面形成，即可得到双层复合结构色材料，接着，颗粒粒径为270 nm的光子晶体层就在双层结构色材料表面形成，即可得到三层复合结构色材料。
通过本实验，得出以下结论：当第一层二氧化硅颗粒粒径为180 nm，第二层粒径为220 nm时，第三层粒径为270 nm时，制备得到的复合结构色材料为浅绿色，其反射光谱如图4所示。
实施例5
步骤一：将实验所需要用的5-10 ml的小烧杯和基底用浓硫酸/双氧水浸泡4-6 h后用去离子水清洗3-5次，再用乙醇冲洗3-6次，将玻璃片用镊子放入小烧杯中，放入干燥箱烘干，备用。
步骤二：将粒径为160 nm、 220 nm和300 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液分别配制成质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，超声0.5 h备用。
步骤三：用镊子将烧杯中的玻璃片竖直放置于烧杯底部，用滴管吸取3-6 ml的粒径为160 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液加入烧杯中，放入30-50 ℃恒温的干燥箱中静置48-72 h，期间不可以将干燥箱打开或者摇晃，烘干后，粒径为160 nm的二氧化硅胶体颗粒单层光子晶体结构色材料即在玻璃基底上形成。
步骤四：以步骤三制备得到的单层结构色材料为基础，选取粒径为220 nm和粒径为300 nm的二氧化硅胶体颗粒分散液，依次按照步骤三的方法进行，颗粒粒径为220 nm的光子晶体层在颗粒粒径为160 nm的光子晶体层的表面形成，即可得到双层光子晶体叠加的复合结构色材料；接着，颗粒粒径为300 nm的光子晶体层就在双层结构色材料表面形成，即可得到三层复合结构色材料。
通过本实验，得出以下结论：当第一层二氧化硅颗粒粒径为160 nm，第二层粒径为220 nm时，第三层粒径为300 nm时，制备得到的复合结构色材料为白色，其反射光谱如图5所示。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种复合结构色材料的制备方法，其特征在于，通过垂直沉积法，利用单分散的胶体颗粒分散液的自组装特性来制备不同胶体颗粒粒径的多层次光子晶体，即复合结构色材料，包括以下步骤：
步骤一：将烧杯和基底用浓硫酸/双氧水浸泡4-6 h，再用去离子水和乙醇清洗后，放入干燥箱烘干备用；
步骤二：将粒径为150-550 nm范围的胶体颗粒分散于溶剂中，配制成质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，超声0.5 h备用；
步骤三：将基底竖直放置于烧杯底部，加入3-6 ml 质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液，然后将烧杯放于恒温干燥箱静置烘干，单层光子晶体结构色材料即在玻璃基底上形成；
步骤四：以步骤三得到的单层光子晶体结构色材料为基础，选取不同粒径的胶体颗粒分散液，依次按照步骤三的方法继续进行实验，新的光子晶体层就在原光子晶体层的表面形成，即可得到复合结构色材料。
2.根据权利要求1所述的一种复合结构色材料的制备方法，其特征在于：步骤二和步骤三中，恒温干燥箱的烘干的温度及时间分别为30-50 ℃，48-72 h。
3.根据权利要求1所述的一种复合结构色材料的制备方法，其特征在于：所述的胶体颗粒包括但不限于实心或空心的二氧化硅颗粒、聚苯乙烯颗粒、聚丙烯酰胺颗粒、聚甲基丙烯酸甲酯颗粒、四氧化三铁颗粒、硫化锌颗粒和二氧化钛颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种复合结构色材料的制备方法，其特征在于：复合结构色材料为两层和三层结构。
5.根据权利要求1所述的一种复合结构色材料的制备方法，其特征在于：所述的实验所用的基底包括但不限于普通玻璃、有机玻璃、皮革、陶瓷、纤维等基底。
6.根据权利要求1所述的一种复合结构色材料的制备方法，其特征在于：步骤二中配制质量分数为0.1%-1.5%的胶体颗粒分散液所用的溶剂为乙醇或水。
7.根据权利要求1所述的一种复合结构色材料的制备方法，其特征在于：复合结构色材料的不同层由同种物质或不同物质的不同颗粒粒径的胶体颗粒复合得到。
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