CN109201438A - 一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料及其制备方法。该方法将单分散的纳米微球，与微球带相同电荷的聚合物乳液以及黑色吸光物质在热辅助条件下进行共混自组装，得到一种表面长程有序内部无定型的复合结构光子晶体膜；所制备的光子晶体膜具有高明亮度且低角度依赖性的结构色。本发明制备方法过程简单，环保无毒，在颜色显示，涂料，纺织，陶瓷等领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光子晶体结构色制备技术领域，具体涉及一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料及其制备方法。
背景技术
与传统染料和色素相比基于光子晶体的结构生色材料能够显示出鲜艳明亮的颜色，通常还具有普通染料无法达到的金属光泽。但是由于其结构特性，光子晶体结构色材料在生色过程中会有强烈的角度依赖型，这限制了其在许多领域上的应用。
无角度依赖型结构色是光子晶体结构色的一个重要类型，在显示，防伪，传感等领域有着重要的应用。目前无角度依赖型结构色基本都是通过长程无序短程有序的非晶结构来实现。无定型光子结构材料的生色机理是非晶结构对光的相干散射，在通过相干散射生色的同时也会产生强烈的非相干散射，使得所得到的结构色材料严重泛白，甚至观察不到结构色。通过加入黑色的吸光物质(如炭黑，黑色染料，聚多巴胺等)可以有效的吸收非相干散射，从而提高饱和度。例如，阿克伦大学的Ali Dhinojwala通过制备纳米聚多巴胺微球，并将其自组装成无定型光子结构，得到了具有无角度依赖性且饱和度高的结构色薄膜材料。(Xiao M,Li Y,Allen M C,et al.Bio-Inspired Structural Colors Produced viaSelf-Assembly of Synthetic Melanin Nanoparticles[J].Acs Nano,2015,9(5):5454.)但是黑色吸光物质在吸收非相干散射的同时也会吸收一定的相关散射，使得结构色明亮度降低，这种方法对于饱和度的提升也十分有限。
由于高明亮度低角度依赖性的结构色材料具有巨大的应用前景，科研人员在该领域也做出的许多努力。例如。大连理工大学的武素丽受布拉格衍射定律的启发，将高折射率的Cu2O纳米微球自组装成长程有序的蛋白石结构，成功制备了具有金属光泽的高明亮度低角度依赖性的结构色材料。(Su X,Xia H,Zhang S,et al.Vivid structural colors withlow angle dependence from long-range ordered photonic crystal films[J].Nanoscale,2016,9(9):3002-3009.)但是高折射率的金属氧化物纳米微球的制备工艺复杂，成本高，有机溶剂用量大不环保，因此很难进行大规模的应用。
基于此，我们利用低折射率，成本低单分散纳米微球和聚合物乳液，设计并制备了一种表面长程有序-内部无定型复合光子结构材料。这种结构的结构色色材料既具有长程有序型光子晶体结构色的鲜艳和明亮的金属光泽，同时还具有无定型光子结构材料的低角度依赖性。为制备高明亮度低角度依赖的结构色材料提供了新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料及其制备方法，此种光子晶体结构色材料不仅具有高明亮度，同时还具有低角度依赖的特性。该制备方法成本低廉，简单易行，具有广阔的应用前景。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料，该材料由单分散的纳米微球及聚合物乳液加上黑色吸光物质在热辅助的条件下自组装而成。
优选的，所述纳米微球为表面带有正电或负电的聚苯乙烯纳米微球，二氧化硅纳米微球或聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球。
优选的，所述纳米微球的粒径为150nm-300nm。
优选的，所述聚合物乳液为与纳米微球带有相同电荷的聚合物乳液。
优选的，所述聚合物乳液为阳离子型或阴离子型聚氨酯分散体，丙烯酸乳液或水性环氧树脂乳液。
优选的，所述黑色吸光物质为炭黑，碳纳米管，石墨烯，氧化石墨烯，聚多巴胺或天然黑色素。
优选的，所述纳米微球、聚合物乳液以及黑色吸光物质的质量比为10：(1～3)：0.1，进一步优选为10：1：0.1。
优选的，所述材料具有表面长程有序内部无定型的复合光子结构。
优选的，所述自组装方式为热辅助溶剂挥发自组装。
以上所述的一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)制备纳米微球；
(2)将步骤(1)所得纳米微球与聚合物乳液以及黑色吸光物质进行混合并超声分散；
(3)将步骤(2)所得混合溶液涂布在基材上，烘干后即得到呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料。
优选的，步骤(1)所述纳米微球通过乳液聚合法制备聚苯乙烯纳米微球和通过溶胶凝胶法制备二氧化硅纳米微球。
优选的，步骤(2)所述聚合物乳液是粒径为10nm-20nm间的聚氨酯分散体和丙烯酸乳液。
优选的，步骤(2)所述黑色吸光物质是粒径为20nm-80nm的碳粉。
优选的，步骤(3)所述烘干的温度为40-60℃。
本发明表面长程有序内部无定型的复合光子结构的形成机理是：单分散纳米微球与聚合物乳液带有相同电荷，相互排斥，在分散液中稳定保存。当在加热热辅助条件下，由于粒子间相互斥力，表层面心立方结构极快形成，但随着时间推移，由于分散液中，粒子强烈的布朗运动，相互之间发生碰撞，聚合物乳液会产生胶黏剂的作用，将纳米微球粘附在一起形成不规则的团聚体。不规则团聚体作为自组装单元继续参与后续自组装，在内部形成无定型光子结构，最后形成表面长程有序内部无定型的复合光子结构。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明的复合光子结构材料不仅具有高明亮度，同时还具有低角度依赖的特性，解决了光子晶体结构色材料中高明亮度与低角度依赖性之间的矛盾，为制备高明亮度低角度依赖的结构色材料提供了新的思路。
2、本发明的制备方法成本低廉，简单易行，环保无毒，在颜色显示，涂料，纺织，陶瓷等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1样品编号②所得的复合光子结构材料表面形貌扫描电镜图。
图2为实施例1样品编号②所得的复合光子结构材料截面形貌扫描电镜图。
图3为实施例1样品编号②所得的具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料不同角度反射光谱图。
具体实施方式
以下结合实例与附图对本发明的实施做进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)通过无皂乳液聚合法制备表面带有负电的单分散聚苯乙烯纳米微球，具体制备方法为：将4g苯乙烯，1g甲基丙烯酸，100g去离子水放置于250mL的四口烧瓶中，以300r/min的速度搅拌并缓慢升温至75℃，温度稳定后，将0.15g过硫酸铵溶于5g去离子水中，快速加入前述四口烧瓶中，搅拌反应12h。反应结束后，离心洗涤3次，最后分散在去离子水中备用。所得到的聚苯乙烯纳米微球粒径为207nm，粒子表面带负电。
(2)将步骤(1)所得聚苯乙烯纳米微球与阴离子型聚氨酯分散体(所用阴离子型聚氨酯分散体选用商品Dispercoll U53)以及炭黑按质量比为①10：1：0.1、②10：2：0.1、③10：3：0.1的比例进行混合并超声分散。
(3)将步骤(2)所得分散液涂布于基材上，放置在50℃的烘箱中烘干，基材表面则形成呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料。
(4)样品编号②所得结构色薄膜，表面SEM图如图1所示，薄膜表面，纳米微球为长程有序的规整的面心立方排布。截面SEM图如图2所示，薄膜表面约有4～6层有序排列的晶化外层，内部则排布为为无序的无定型阵列。SEM图证明了所诉复合光子结构材料成功被制备。
(5)样品编号②所得结构色薄膜，不同角度反射光谱如图3所示，反射峰位置几乎无变化，证明了所诉复合光子结构材料具有低角度依赖性的结构色。
表1
实施例2-3
将实施例1中的带负电的单分散聚苯乙烯纳米微球换为带负电的二氧化硅纳米微球(所述二氧化硅纳米微球选用中科雷鸣(北京)科技有限有限公司，DKSIO200，粒径200nm)，带负电的聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球(所述聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球选用上海甄准生物科技有限公司，ZZS-MMA200,粒径200nm)，微球与阴离子型聚氨酯分散体以及炭黑按质量比为10：2：0.1的比例进行混合并分散，其他条件与实施例1一致。
表2
实施例4-5
将实施例1中的阴离子型聚氨酯分散体换为阴离子型丙烯酸乳液，阴离子型环氧树脂乳液，微球与阴离子型聚合物乳液以及炭黑按质量比为10：2：0.1的比例进行混合并分散，其他条件与实施例1一致。
表3
实施例6-9
将实施例1中的炭黑换为碳纳米管，石墨烯，氧化石墨烯，聚多巴胺，微球与阴离子型聚氨酯分散体以及黑色吸光物质按质量比为10：2：0.1的比例进行混合并分散，其他条件与实施例1一致。
表4
实施例10
(1)通过分散聚合制备表面带正电的单分散聚苯乙烯纳米微球，具体制备方法为：将9.5g苯乙烯，1.5g聚乙烯吡咯烷酮，100g去离子水放置于250mL的四口烧瓶中，以400r/min的速度搅拌并缓慢升温至70℃，温度稳定后，将0.26g偶氮二异丁基脒盐酸盐溶于5g去离子水中，快速加入前述四口烧瓶中，搅拌反应24h。反应结束后，离心洗涤3次，最后分散在去离子水中备用。所得到的聚苯乙烯纳米微球粒径为198nm，粒子表面带正电。
(2)将步骤(1)所得聚苯乙烯纳米微球与阳离子型聚氨酯分散体(所用阳离子型聚氨酯分散体选用商品IMK-860)以及炭黑按质量比为10：2：0.1的比例进行混合并超声分散。
(3)将步骤(2)所得分散液涂布于基材上，放置在50℃的烘箱中烘干，基材表面则形成呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料。
表5
实施例11
将实施例10中的阳离子型聚氨酯分散体换为阳离子型环氧树脂乳液，微球与阳离子型聚合物乳液以及炭黑按质量比为10：2：0.1的比例进行混合并分散，其他条件与实施例10一致。
表6
以上实施例只是用于帮助更好的理解本发明的核心思想及技术方法，但不能以此限制本发明的保护范围。应当指出，对于该领域的普通技术人员，在依据本发明原理的基础上，还可以对本发明进行一定的改进与拓展，这些改进与拓展也在本发明权利要求的保护范围内；凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的权利要求保护范围内。
Claims (10)
1.一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料，其特征在于，该材料由单分散的纳米微球及聚合物乳液加上黑色吸光物质在热辅助的条件下自组装而成。
2.根据权利要求1所述的一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料，其特征在于：所述纳米微球为表面带有正电或负电的聚苯乙烯纳米微球，二氧化硅纳米微球或聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球。
3.根据权利要求1所述的一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料，其特征在于：所述纳米微球的粒径为150 nm-300 nm。
4.根据权利要求1所述的一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料，其特征在于：所述聚合物乳液为与纳米微球带有相同电荷的聚合物乳液。
5.根据权利要求1所述的一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料，其特征在于：所述聚合物乳液为阳离子型或阴离子型聚氨酯分散体，丙烯酸乳液或水性环氧树脂乳液。
6.根据权利要求1所述的一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料，其特征在于：所述黑色吸光物质为炭黑，碳纳米管，石墨烯，氧化石墨烯，聚多巴胺或天然黑色素。
7.根据权利要求1所述的一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料，其特征在于：所述纳米微球、聚合物乳液以及黑色吸光物质的质量比为10：(1~3)：0.1。
8.根据权利要求1所述的一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料，其特征在于：所述材料具有表面长程有序内部无定型的复合光子结构。
9.制备权利要求1所述的一种呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料的方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）制备纳米微球；
（2）将步骤（1）所得纳米微球与聚合物乳液以及黑色吸光物质进行混合并超声分散；
（3）将步骤（2）所得混合溶液涂布在基材上，烘干后即得到呈色具有高明亮度低角度依赖性的复合光子结构材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述烘干的温度为40-60℃。
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