CN109608658B - 一种结构色粒子及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构色粒子及其制备方法。该种方法可通过控制单一变量改变中空纳米粒子的粒径、壳厚、以及微球大小或者形状来改变结构色粒子的外表面结构，从而改变光的反射或者散射角度，进而改变粒子的颜色。该反应过程中操作工艺简单，效率高，且制备过程无污染的材料，在油漆，塑料和涂料，化妆品等各个领域具有重要的应用和广阔的市场前景。

Description

一种结构色粒子及其制备方法
技术领域
本发明涉及化工技术领域，具体涉及一种结构色粒子及其制备方法。
背景技术
人造颜料包括无机颜料和有机颜料两类，因毒性不同，其判断环保颜料的标准也不同。虽然颜料的有害成分符合某一特定标准时，不会对人体健康构成威胁和环境造成污染，但是，其使用的范围会受到限制，从而导致使用的局限性。因此，为了确保其安全性以及扩大使用的范围，必须要开发一种新型符合市场要求的产品。
结构色可以创建一系列不含色素的淡色，可替代有毒金属氧化物和共轭有机颜料，在许多方面优于色素颜料，具有高亮度、高饱和度、永不退色等特点，由于其可调性，对漂白的抵抗性以及对有毒材料的依赖性降低，可以应用到油漆，塑料和涂料，化妆品等各个领域。现有研究集中在织物和薄膜上的应用，粉体粒子产品极少。
结构色不含任何色素，它是一种光学效果。如生物体表面或表层的嵴、纹、小面和颗粒能使光发生反射或散射作用，从而产生特殊的颜色效应。同时，源于在自然界中的结构色与微结构之间的复杂关系，结构色引起了不同研究领域科研人员广泛关注。由于结构色具有不褪色、环保和虹彩效应等优点，在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景，对自然界中生物的结构色形成机理及其应用进行研究，可以促进仿生结构色加工和微纳米光学技术的发展。
但是由于许多传统产生结构色的结构、制作工艺较为单一，从而导致其结构色单一，并且无法做到颜色调节和变化，在一些领域中仍然具有一定的限制性。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提出一种结构色粒子及其制备方法，该种方法可得到多种不同颜色的结构色粒子。
本发明提出的一种结构色粒子，由多个中空的纳米粒子通过反向乳液聚合工艺进行聚合，形成表面可以对光发生发射或者散射的结构，所述纳米粒子为二氧化硅纳米粒子。
通过采用一锅反相乳液法，将中空二氧化硅粒子自组装成多彩的微球，使其通过自身二氧化硅的粒径、二氧化硅层的厚度、二氧化硅组成微球的大小以及组装成微球的形貌等，从而使其呈现出不同的颜色。
中空二氧化硅纳米粒子是一种具有特殊结构的材料，由于具有独特的结构和性能，使得其具有广泛的应用前景。中空二氧化硅纳米粒子具有良好的分散性、悬浮性、疏水性，其粘度低，流动性好，抗压能力强。中空二氧化硅纳米粒子因具有密度低，比表面积大，稳定性高等优点，在材料形貌控制、处理水污染、催化、生物化学等领域有着广阔的应用前景。
因此，本发明涉及的一种能代替有毒金属氧化物和共轭有机颜料的结构色粉体，其制备工艺简单，效率高，且制备过程无污染，在油漆，塑料和涂料，化妆品等各个领域具有重要的领域和广阔的市场前景。
一种结构色粒子的制备方法，包括以下步骤：
（1）、聚苯乙烯乳液的制备：将水、苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮在室温下搅拌形成均相体系后，将温度升高至在60～80℃下进行持续搅拌，搅拌速度为500～700r/min，逐滴滴入过硫酸铵溶液，反应6～10h，最后得到聚苯乙烯乳液；
（2）、中空纳米粒子的制备：将聚苯乙烯乳液、氨水、无水乙醇，充分搅拌，并保持一定的温度下，然后逐滴滴入正硅酸乙酯，继续搅拌反应9～12h，搅拌速度为500～700r/min，得到中空纳米二氧化硅混合物，将所得到的混合物离心分离后，再用无水乙醇进行洗涤，得中空纳米粒子水溶液；
（3）、反向乳液聚合：将制得的中空纳米粒子水溶液加入到无水1-辛醇中，以1000～2000r/min的摇动速度快速形成油包水乳状液，当水滴收缩形成微球时，以500r/min～1200r/min的摇动速度持续摇动1～3min，在上层沉淀沉降后，除去上清液和无水1-辛醇，得到一种多彩的结构色粒子。
正硅酸乙酯是一种硅有机化合物， 被广泛应用于防腐涂料、有机硅等行业，用于制造耐化学品涂料和耐热涂料，也用作制备有机硅的溶剂。中空纳米粒子反应过程中空纳米粒子的形成是通过正硅酸乙酯在模板微球上水解，缩聚形成纳米粒子壳层，因此，正硅酸乙酯的用量对中空纳米粒子的形成起着十分重要的影响。
进一步地，所述正硅酸乙酯、氨水、苯乙烯的投料质量比为1～28：1～28：1～98。
进一步地，步骤（1）中常温搅拌时间为30～50min。
进一步地，步骤（2）中的离心分离次数为2～6次。
进一步地，步骤（2）中的离心分离转速为5000～10000r/min。
进一步地，所述中空纳米粒子水溶液的浓度为10～40mg/ml。
进一步地，步骤（3）中除去无水1-辛醇的温度为30～70℃。
进一步地，所述中空纳米粒子的粒径为230～340nm。
本发明的一种结构色粒子及其制备方法，该种方法可通过控制单一变量改变中空纳米粒子的粒径、壳厚、以及微球大小或者形状来改变结构色粒子的外表面结构，从而改变光的反射或者散射角度，进而改变粒子的颜色。该反应过程中操作工艺简单，效率高，且制备过程无污染的材料，在油漆，塑料和涂料，化妆品等各个领域具有重要的领域和广阔的市场前景。
具体实施方式
为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，本领域技术人员对本发明所做的各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围内。本发明实施例中的配比均为以重量计。
实施例1
在100 mL的三颈烧瓶中分别加入30～60mL H2O，3ml纯化的苯乙烯单体，0.70g聚乙烯吡咯烷酮，在室温下搅拌30 min形成均相体系后，控温在60℃，在搅拌下，逐滴滴入9mL过硫酸铵溶液(含0.2 g过硫酸铵)，搅拌速度为500r/min，再继续反应6h，最后得到白色乳液样品。另取一100 mL的三颈烧瓶中分别加入2～5mL上述已制备的聚苯乙烯乳液，0.4mL氨水，40 mL无水乙醇，充分搅拌，并保持在70℃, 然后逐滴滴入0.1mL 正硅酸乙酯，继续搅拌反应9h，搅拌速度为500r/min，得到中空纳米二氧化硅样品，将所得到的样品离心分离、用无水乙醇洗涤固体2次，得到中空纳米粒子。中空纳米粒子的粒径为230nm。
将制得的中空纳米粒子水溶液加入到无水1-辛醇中，以1000r/min的摇动速度快速形成油包水乳状液，当水滴收缩形成微球时，以500r/min的摇动速度持续摇动1min，在上层沉淀沉降后，除去上清液和无水1-辛醇，得到一种偏玛瑙绿的结构色粒子。
实施例2
在100 mL的三颈烧瓶中分别加入30～60mL H2O，5ml纯化的苯乙烯单体，0.80g聚乙烯吡咯烷酮，在室温下搅拌40 min形成均相体系后，控温在70℃，在搅拌下，逐滴滴入10.5 mL过硫酸铵溶液(含0.2 g过硫酸铵)，搅拌速度为600r/min，再继续反应8h，最后得到白色乳液样品。另取一100 mL的三颈烧瓶中分别加入3mL上述已制备的聚苯乙烯乳液，0.6mL氨水，50 mL无水乙醇，充分搅拌，并保持在70℃, 然后逐滴滴入0.5mL 正硅酸乙酯，继续搅拌反应10.5h，搅拌速度为600r/min，得到中空纳米二氧化硅样品，将所得到的样品离心分离、用无水乙醇洗涤固体4次，得到中空纳米粒子。中空纳米粒子的粒径为280nm。
将制得的中空纳米粒子水溶液加入到无水1-辛醇中，以1500r/min的摇动速度快速形成油包水乳状液，当水滴收缩形成微球时，以800r/min8的摇动速度持续摇动2min，在上层沉淀沉降后，除去上清液和无水1-辛醇，得到一种水晶蓝的结构色粒子。
实施例3
在100 mL的三颈烧瓶中分别加入60mL H2O， 6ml纯化的苯乙烯单体， 0.90g聚乙烯吡咯烷酮，在室温下搅拌50 min形成均相体系后，控温在80 ℃，在搅拌下，逐滴滴入12mL过硫酸铵溶液(含0.2 g过硫酸铵)，搅拌速度为700r/min，再继续反应10h，最后得到白色乳液样品。另取一100 mL的三颈烧瓶中分别加入5mL上述已制备的聚苯乙烯乳液， 0.8 mL氨水， 60 mL无水乙醇，充分搅拌，并保持在70℃, 然后逐滴滴入1mL 正硅酸乙酯，继续搅拌反应12h，搅拌速度为700r/min，得到中空纳米二氧化硅样品，将所得到的样品离心分离、用无水乙醇洗涤固体6次，得到中空纳米粒子。中空纳米粒子的粒径为340nm。
将制得的中空纳米粒子水溶液加入到无水1-辛醇中，以2000r/min的摇动速度快速形成油包水乳状液，当水滴收缩形成微球时，以1200r/min的摇动速度持续摇动3min，在上层沉淀沉降后，除去上清液和无水1-辛醇，得到一种墨绿黑的结构色粒子。
实施例4
在100 mL的三颈烧瓶中分别加入45mL H2O,5ml纯化的苯乙烯单体,0.90PVP,在室温下搅拌30 min形成均相体系后，控温在80 ℃, 在搅拌下，逐滴滴入12 mL过硫酸铵溶液(含0.2 g过硫酸铵)，再继续反应10h,最后得到白色乳液样品。另取一100 mL的三颈烧瓶中分别加入3mL上述已制备的聚苯乙烯乳液,0.6 mL氨水，60 mL无水乙醇，充分搅拌，并保持在70 ℃, 然后逐滴滴入5mL TEOS,继续搅拌反应12h,得到中空纳米二氧化硅样品，将所得到的样品离心分离、用无水乙醇洗涤固体6次，得到中空纳米粒子。中空纳米粒子的粒径为200nm。
将制得的中空纳米粒子水溶液加入到无水1-辛醇中，以2000r/min的摇动速度快速形成油包水乳状液，当水滴收缩形成微球时，以1200r/min的摇动速度持续摇动3min，在上层沉淀沉降后，除去上清液和无水1-辛醇，得到一种海洋蓝的结构色粒子。
实施例5
在100 mL的三颈烧瓶中分别加入45mL H2O,5ml纯化的苯乙烯单体,0.90PVP,在室温下搅拌30 min形成均相体系后，控温在80 ℃, 在搅拌下，逐滴滴入12 mL过硫酸铵溶液(含0.2 g过硫酸铵)，再继续反应10h,最后得到白色乳液样品。另取一100 mL的三颈烧瓶中分别加入3mL上述已制备的聚苯乙烯乳液,0.6 mL氨水，60 mL无水乙醇，充分搅拌，并保持在70 ℃, 然后逐滴滴入9mL TEOS,继续搅拌反应12h,得到中空纳米二氧化硅样品，将所得到的样品离心分离、用无水乙醇洗涤固体6次，得到中空纳米粒子。中空纳米粒子的粒径为360nm。
将制得的中空纳米粒子水溶液加入到无水1-辛醇中，以2000r/min的摇动速度快速形成油包水乳状液，当水滴收缩形成微球时，以1200r/min的摇动速度持续摇动3min，在上层沉淀沉降后，除去上清液和无水1-辛醇，得到一种桃花粉的结构色粒子。
以上对本发明的实施例进行了示例性说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依据本发明申请范围的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种结构色粒子的制备方法，其特征在于：所述结构色粒子由多个中空的纳米粒子通过反向乳液聚合工艺进行聚合，形成表面可以对光发生反射或者散射的结构，所述纳米粒子为二氧化硅纳米粒子；
制备方法包括以下步骤：
（1）、聚苯乙烯乳液的制备：将水、苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮在室温下搅拌形成均相体系后，将温度升高至在60～80℃下进行持续搅拌，搅拌速度为500～700r/min，逐滴滴入过硫酸铵溶液，反应6～10h，最后得到聚苯乙烯乳液；
（2）、中空纳米粒子的制备：将聚苯乙烯乳液、氨水、无水乙醇，充分搅拌，并保持一定的温度下，然后逐滴滴入正硅酸乙酯，继续搅拌反应9～12h，搅拌速度为500～700r/min，得到中空纳米二氧化硅混合物，将所得到的混合物离心分离后，再用无水乙醇进行洗涤，得中空纳米粒子水溶液；
（3）、反向乳液聚合：将制得的中空纳米粒子水溶液加入到无水1-辛醇中，以1000～2000r/min的摇动速度快速形成油包水乳状液，当水滴收缩形成微球时，以500r/min～1200r/min的摇动速度持续摇动1～3min，在上层沉淀沉降后，除去上清液和无水1-辛醇，得到一种多彩的结构色粒子。
2.如权利要求1所述的一种结构色粒子的制备方法，其特征在于：所述正硅酸乙酯、氨水和苯乙烯的投料质量比为1～28：1～28：1～98。
3.如权利要求1所述的一种结构色粒子的制备方法，其特征在于：步骤（1）中常温搅拌时间为30～50min。
4.如权利要求1所述的一种结构色粒子的制备方法，其特征在于：步骤（2）中的离心分离次数为2～6次。
5.如权利要求1所述的一种结构色粒子的制备方法，其特征在于：步骤（2）中的离心分离转速为5000～10000r/min。
6.如权利要求1所述的一种结构色粒子的制备方法，其特征在于：所述中空纳米粒子水溶液的浓度为10～40mg/ml。
7.如权利要求1所述的一种结构色粒子的制备方法，其特征在于：步骤（3）中除去无水1-辛醇的温度为30～70℃。
8.如权利要求1所述的一种结构色粒子的制备方法，其特征在于：所述中空纳米粒子的粒径为230～340nm。
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