CN108855803B - 一种结构色薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种结构色薄膜的制备方法，制备：将单分散微球与粘合剂在基材上进行共组装，得到结构色薄膜；其中基材为粘合剂修饰的基材。本发明在增强结构色薄膜粘附力的同时，又不影响制备得到的结构色的光学性能和色泽度；工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。

Description

一种结构色薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于结构色材料的制备领域，特别涉及一种结构色薄膜的制备方法。
背景技术
印染是染色产业链中重要的一环，目前通过施加化学有色物质(吸附染料或固着颜料)是使基材生色的主要途径。但传统染料的制备和染色过程会产生大量的化学染料及助剂残留，对人类和环境造成严重的负面影响，同时染料褪色严重，染色过程耗水耗能大。因此能否发展出一种新的不同于传统化学染料着色的显色技术，开辟出一条不褪色、不污染、不伤人体的染色新路径，对解决传统染料存在的大量问题具有十分重要的意义。
结构色(包括光子晶体和非晶光子晶体)是由折射率不同的两种或多种介电材料在空间有序/无序排列而成3D周期性结构。例如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，绚丽的蛋白石，它们均是在自然界广泛存在的结构色材料。这种来源于他们自身的纳米，微米周期结构的绚丽的“结构色彩”，具有环境友好，高亮度和饱和度，光谱范围广，虹彩效应，永不褪色的特点，是新一代显示设备和光学器件的理想材料。如果能够将结构色的制备与染色相结合，势必能够制备出一种新型的结构色染料，并获得无污染的染色过程，从根本上消除印染对环境造成的严重污染，并且丰富纺织染整色系。
目前国内外部分课题组也开始就光子晶体在织物整理方面的应用展开了初步的研究，并在各种织物表面制备了仿生光子晶体结构色。但是在自组装过程中，由于微球之间及微球和织物表面的相互作用力较弱，随着溶剂的蒸发，制备得到的光子晶体结构色和织物纤维表面的粘附力不足，导致光子晶体结构在织物使用的过程中容易脱落。同时附着在织物表面的结构色由于不耐水洗而迅速的褪色。这严重影响了结构色材料在织物整理等领域的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构色薄膜的制备方法，克服现有技术中光子晶体结构色和织物纤维表面的粘附力不足，导致光子晶体结构在织物使用的过程中容易脱落，同时附着在织物表面的结构色由于不耐水洗而迅速的褪色的缺陷，该方法从解决结构色与基材表面粘附力的角度入手，通过加入具有良好粘附作用的粘合剂，来增加微球之间以及微球与基材之间的相互作用力，得到一种普适的在不同基材表面具有高粘附性能的结构色的方法，该方法在增强结构色粘附力的同时，又不影响制备得到的结构色的光学质量和色泽度，同时解决结构色在使用过程中结构容易脱落和不耐水洗的难题，工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。
本发明的一种结构色薄膜的制备方法，包括：
将单分散微球与粘合剂在基材上进行共组装，得到结构色薄膜；其中基材为粘合剂修饰的基材。
上述制备方法的优选方式如下：
所述制备具体为：将微球溶液和粘合剂混合超声分散，然后浸入基材，在温度为40-80℃
共组装，或40-80℃，湿度为40％～90％共组装；其中粘合剂在混合体系中的浓度为0.01wt％～1wt％。
所述粘合剂为生物粘合剂、天然或合成粘合剂。
所述粘合剂均为多巴胺、多巴胺衍生物、阿拉伯树胶、天然树胶、天然橡胶、聚氨酯类、聚丙烯酸酯类、酚醛树脂类、环氧树脂类、聚乙烯醇类中的一种或几种。
所述基材为金属、合金、聚合物材料、无机非金属材料、无机非金属复合材料中的一种或几种。
所述聚合物材料为塑料、纤维、橡胶中的一种或几种；无机非金属材料为陶瓷、玻璃中一种。
所述单分散微球，粒径范围为100～500nm；浓度为0.1wt％-5wt％，单分散微球的单分散性小于5％。
所述单分散微球为聚合物微球或无机纳米微球或无机纳米微球为核-聚合物为壳的核壳结构微球。所述的单分散微球为市售或基于文献合成(Adv.Mater.,2014,26,1058；Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,9297；Macromol.Chem.Phys.2006,207,596；Chem.Mater.,2000,12,508；Colloid.Polym.Sci.1974,252,464；ZL201610389101.1等)。
所述聚合物为聚苯乙烯-聚丙烯酰胺、聚-N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸，聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺共聚物中的一种或几种；无机纳米微球包括二氧化硅、二氧化钛、四氧化三铁、氧化铁、碳、稀土氧化物、聚合物为壳-无机纳米颗粒为核的核壳结构纳米微球中的一种或几种。
所述粘合剂修饰的基材具体为：将基材浸入粘合剂溶液中，静置0.5-48h；混合溶液中粘合剂的浓度为0.01wt％～1wt％。
结构色薄膜具体包括：首先制备得到单分散的微球，将具有良好粘附性能的粘合剂溶于溶剂中并添加到单分散的微球溶液中，超声分散均匀，之后将不同经过粘附剂修饰的基材浸入该溶液，在恒温恒湿环境或恒温环境条件下，静置一段时间后，自组装得到高粘附的结构色薄膜。
本发明一种由上述方法制备的结构色薄膜。
本发明的一种结构色薄膜的应用。
有益效果
(1)本发明提出了在微球自组装过程中，利用粘合剂的粘附力来增强微球之间的相互作用及微球与基底之间的粘附力的新思路，通过粘附剂处理的基材，利用自身的粘附力使微球与基材的结合更加牢固，同时又不影响制备得到的结构色的光学质量，同时解决结构色在使用过程中结构容易脱落和不耐水洗的难题；
(2)本发明通过粘合剂的加入提高结构色薄膜在不同基材上的粘附力，从而利用结构色取代传统的依靠染料进行染色的工艺，达到减少环境污染和废水处理等的目的；
(3)本发明具有良好粘附力的粘合剂材料，具有对不同基质的普适性，是解决结构色与基底表面粘附力弱的问题的不二选择，达到有效染色的目的，相关的粘附技术尚未见文献报道；
(4)本发明的方法工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景，目前本发明中涉及到的研究方法尚未见文献报道。
附图说明
图1为织物表面的光子晶体光学照片；
图2为织物表面的光子晶体经过洗衣机的45分钟洗涤之后的光学照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例中的粘合剂均市售。
实施例1
将涤纶织物浸入浓度为0.01％多巴胺缓冲溶液溶液中，静置1小时后，将涤纶织物取出；
制备粒径为100nm的单分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乳胶粒水溶液，浓度为0.1wt％，溶剂为水；
将上述微球溶液多巴胺缓冲液混合并超声分散均匀，混合体系中多巴胺浓度为0.01wt％，然后将涤纶织物浸入上述混合溶液中。在20℃的温度和10％的湿度环境下自组装得到在涤纶织物表面具有高粘附性能的结构色薄膜。粘合剂加入不影响结构色的色泽相关效果见附图1，光子晶体结构不易脱落耐水洗效果见附图2。
实施例2
将塑料基底浸入浓度为0.1％的3,4-二羟基苯基丙基甲基丙烯酰胺(多巴胺衍生物)/1ml碳酸氢铵缓冲溶液溶液中，静置48小时后，将塑料基底取出；
制备粒径为500nm的单分散聚苯乙烯乳胶粒水溶液，浓度为10wt％，溶剂为水；
将上述微球溶液多巴胺缓冲液混合并超声分散均匀，混合体系中多巴胺衍生物浓度为0.1wt％，然后将塑料基底浸入上述混合溶液中。在80℃的温度和90％的湿度环境下自组装得到在塑料表面具有高粘附性能的结构色薄膜。
实施例3
将铝合金基底浸入浓度为1％的二异氰酸酯(聚氨酯类粘合剂)溶液中，静置24小时后取出；
制备粒径为300nm的单分散聚丙烯酸乳胶粒水溶液，浓度为1wt％,溶剂为水；
将上述微球溶液与聚氨酯粘合剂混合超声分散均匀，混合体系中聚氨酯粘合剂浓度为1wt％，然后将铝合金基底浸入上述微球溶液。在50℃的温度和50％的湿度环境下自组装得到在铝合金表面具有高粘附性能的结构色薄膜。
实施例4
将金属Cu片浸入浓度为0.01％聚乙烯醇胶黏剂溶液中，静置48小时后，将金属Cu片取出；
制备粒径为100nm的单分散Fe3O4乳胶粒水溶液，浓度为1wt％,溶剂为水；
将上述微球溶液与聚氨酯粘合剂混合超声分散均匀，混合体系中聚乙烯醇粘合剂浓度为1wt％，然后将金属Cu片浸入上述微球溶液。在80℃的温度和90％的湿度环境下自组装得到在铝合金表面具有高粘附性能的结构色薄膜。
实施例5
将橡胶片浸入浓度为0.1％的阿拉伯树胶溶液中，静置1小时后，将橡胶片取出；
制备粒径为500nm的单分散SiO2乳胶粒水溶液，浓度为1wt％,溶剂为水；
将上述微球溶液与阿拉伯树胶粘合剂混合超声分散均匀，混合体系中阿拉伯树胶粘合剂浓度为0.1wt％，然后将橡胶片浸入上述微球溶液。在20℃的温度和10％的湿度环境下自组装得到在橡胶表面具有高粘附性能的结构色薄膜。
实施例6
将玻璃片浸入浓度为1％的天然树胶溶液中，静置12小时后，将玻璃片取出；
制备粒径为500nm的单分散聚-N-异丙基丙烯酰胺乳胶粒水溶液，浓度为0.1wt％,溶剂为水；
将上述微球溶液与天然树胶粘合剂混合超声分散均匀，混合体系中天然树胶粘合剂浓度为0.1wt％，然后将玻璃片浸入上述微球溶液。在20℃的温度和10％的湿度环境下自组装得到在玻璃表面具有高粘附性能的结构色薄膜。
实施例7
将硅片浸入浓度为0.1％的天然橡胶胶黏剂溶液中，静置48小时后，将硅片取出；
制备粒径为300nm的单分散聚丙烯酰胺乳胶粒水溶液，浓度为0.1wt％,溶剂为水；
将上述微球溶液与天然橡胶粘合剂混合超声分散均匀，混合体系中天然橡胶粘合剂浓度为0.01wt％，然后将硅片浸入上述微球溶液。在50℃的温度和50％的湿度环境下自组装得到在硅片表面具有高粘附性能的结构色薄膜。
实施例8
将不锈钢浸入浓度为0.5％的酚醛树脂类溶液中，静置1小时后，将不锈钢取出；
制备粒径为300nm的单分散的TiO2乳胶粒水溶液，乳液粒径为100nm，浓度为10wt％，溶剂为水；
将上述微球溶液与酚醛树脂粘合剂混合超声分散均匀，混合体系中酚醛树脂粘合剂浓度为0.05wt％，然后将不锈钢片浸入上述微球溶液。在20℃的温度和10％的湿度环境下自组装得到在不锈钢表面具有高粘附性能的结构色薄膜。
实施例9
将陶瓷浸入浓度为1％的环氧树脂溶液中，静置6小时后，将陶瓷取出；
制备粒径为300nm的单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺-稀土氧化物核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为300nm，浓度为5wt％，溶剂为水；
将上述微球溶液与环氧树脂粘合剂混合超声分散均匀，混合体系中环氧树脂粘合剂浓度为0.5wt％，然后将陶瓷片浸入上述微球溶液。在50℃的温度和50％的湿度环境下自组装得到在陶瓷表面具有高粘附性能的结构色薄膜。
实施例10
将蚕丝织物浸入浓度为1％的聚乙烯醇溶液中，静置12小时后，将蚕丝织物取出；
制备粒径为100nm的单分散的聚-N-异丙基丙烯酰胺-炭黑核壳结构乳胶粒水溶液，乳液粒径为500nm，浓度为2wt％，溶剂为水；
将上述微球溶液与聚乙烯醇粘合剂混合超声分散均匀，混合体系中聚乙烯醇粘合剂浓度为0.5wt％，然后将蚕丝织物浸入上述微球溶液。在80℃的温度和90％的湿度环境下自组装得到在蚕丝织物表面具有高粘附性能的结构色薄膜。

Claims (8)

1.一种结构色薄膜的制备方法，包括：
将单分散微球与粘合剂在基材上进行共组装，制备得到结构色薄膜；其中基材为粘合剂修饰的基材；具体为：将微球溶液和粘合剂混合超声分散，然后浸入基材，在温度为40-80℃共组装，或40-80℃，湿度为40%~90%，静置共组装，或在20℃的温度和10%的湿度环境下自组装；所述粘合剂修饰的基材具体为：将基材浸入粘合剂溶液中，静置0.5-48h；其中粘合剂的浓度均为0.01wt%~1wt%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘合剂均为多巴胺、多巴胺衍生物、天然树胶、天然橡胶、聚氨酯类、聚丙烯酸酯类、酚醛树脂类、环氧树脂类、聚乙烯醇类中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基材为金属、合金、聚合物材料、无机非金属材料、无机非金属复合材料中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单分散微球，粒径范围为100～500nm；浓度为0.1wt%-5wt%，单分散微球的单分散性小于5%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单分散微球为聚合物微球或无机纳米微球。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物为聚-N-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸，聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺共聚物中的一种或几种；无机纳米微球包括二氧化硅、二氧化钛、四氧化三铁、氧化铁、稀土氧化物、聚合物为壳-无机纳米微球为核的核壳结构纳米微球中的一种或几种。
7.一种权利要求1方法制备的结构色薄膜。
8.一种权利要求7所述结构色薄膜的应用。
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