CN110389400B

CN110389400B - 一种内部结构色及其制备方法

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Publication number: CN110389400B
Application number: CN201910667731.4A
Authority: CN
Inventors: 李家文; 薛成; 文明静
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2019-07-23
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2039-07-23
Also published as: CN110389400A

Abstract

本发明提供了一种内部结构色及其制备方法，内部结构色包括相对设置的第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层；第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层相对的表面上具有相同的纳米光栅结构。该内部结构色通过在304镜面不锈钢上飞秒激光扫描纳米光栅结构，在利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行转印多次，得到多个相同的纳米光栅，然后将具有转印结构表面重合对贴制得。该方法简单，且得到的纳米光栅位于结构色内部，不易被磨损；会使得衍射效果增强，从而在材料内部实现各种结构色；可以大面积、批量化生产。内部结构色在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。该内部结构色能够观察到可见光波段几乎所有的光。

Description

一种内部结构色及其制备方法

技术领域

本发明属于结构色技术领域，尤其涉及一种内部结构色及其制备方法。

背景技术

近十几年中，在现代加工技术的辅助下人们已经掌握了微纳米结构的加工方法，同时结构色的相关研究也已经比较成熟，已经掌握了相关结构色应用的制造方法，但是结构色的广泛应用还需要一些高效制造技术，并还需解决结构色的长久保持等问题。

目前可以在不同的金属表面产生各种各样的结构色，以及相同位置得到不同颜色的图案或文字；另一方面，在聚合物内部也可以直接加工光栅结构从而显示结构色。在结构色商业化应用方面，还需要解决相关问题。金属表面虽然加工出各种各样的结构色，但由于光栅结构暴露在金属表面，很容易被破坏或者由于杂质、颗粒积累而掩盖掉，所以需要研究出能够将结构色制造于材料内部使其不被破坏的方法；而离我们最近的时间，是在2011年，韩国人Jung-Kyu Park和Sung-Hark Cho利用飞秒激光直写技术在聚二甲基硅氧烷(PDMS)内部制造出了结构色，虽然该方法能够加工出所需结构色，但是由于其加工工艺难度大，加工过程复杂，成本较高，加工效率很低，很难做到大批量加工。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种内部结构色及其制备方法，该方法简单，且结构色不易被磨损。

本发明提供了一种内部结构色，包括贴合的第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层；

第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层贴合的表面上具有相同的纳米光栅结构。

优选地，第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层之间还包括多层上下表面均具有相同的纳米光栅结构的聚二甲基硅氧烷薄层。

优选地，每层聚二甲基硅氧烷薄层的厚度为0.5～2mm；纳米光栅结构的条纹周期为300～800nm。

优选地，所述聚二甲基硅氧烷薄层由质量比为10～10.5:1的聚二甲基硅氧烷聚合物和聚二甲基硅氧烷固化剂制得。

本发明提供了一种上述技术方案所述内部结构色的制备方法，包括以下步骤：

a)在表面清洗干净的304镜面不锈钢进行直线飞秒激光扫描，使304镜面不锈钢表面形成纳米光栅结构，得到不锈钢模板；

b)将聚二甲基硅氧烷聚合物-聚二甲基硅氧烷固化剂混合物置于所述不锈钢模板上，抽真空，固化，得到具有纳米光栅结构的第一聚二甲基硅氧烷薄层；

c)重复步骤b)，得到第二聚二甲基硅氧烷薄层；

d)将第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层的纳米光栅结构面相对设置，得到内部结构色。

优选地，所述飞秒激光扫描采用飞秒激光器；所述飞秒激光器的中心波长为800nm，飞秒激光器的脉宽为104fs，重复频率为1KHz；激光功率为90mw，扫描速度14mm/s，扫面线条间距为50μm。

优选地，所述表面清洗干净的304镜面不锈钢按照以下方法制得：

将待处理304镜面不锈钢模板表面采用浓度≥99.7％的无水乙醇超声清洗8～12分钟，再去离子水超声清洗4～6分钟，氮气吹干，得到表面清洗干净的304镜面不锈钢。

优选地，所述固化的温度为95～105℃；固化的时间为55～65min。

优选地，所述第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层的纳米光栅结构面相对设置的过程为：

将第一聚二甲基硅氧烷薄层的纳米光栅结构面的纳米光栅结构区域之外贴合隔开层，再和第二聚二甲基硅氧烷薄层的纳米光栅结构面贴合，所述隔开层的厚度为80～130μm。

本发明提供了一种内部结构色，包括相对设置的第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层；第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层相对的表面上具有相同的纳米光栅结构。该内部结构色通过在304镜面不锈钢上飞秒激光扫描纳米光栅结构，在利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行转印多次，得到多个相同的纳米光栅，然后将具有转印结构表面重合对贴制得。该方法简单，且得到的纳米光栅位于结构色内部，不易被磨损；会使得衍射效果增强，从而在材料内部实现各种结构色；可以大面积、批量化生产。本发明提供的内部结构色在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。实验结果表明：本发明提供的内部结构色能够观察到可见光波段几乎所有的光。

附图说明

图1为本发明提供的内部结构色的制备工艺流程图；

图2为本发明提供的内部结构色的采集图；

图3为待转印的304镜面不锈钢表面的纳米光栅结构的SEM图；

图4为本发明实施例1制备的内部结构色的多彩结构色图案；

图5为本发明实施例2制备的内部结构色的多彩结构色图案。

具体实施方式

本发明提供了一种内部结构色，包括相对设置的第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层；

第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层相对的表面上具有相同的纳米光栅结构。

本发明提供的内部结构色的纳米光栅结构在内部，不易被磨损，会使得衍射效果增强，从而在材料内部实现各种结构色。

在本发明中，第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层之间还包括多层上下表面均具有相同的纳米光栅结构的聚二甲基硅氧烷薄层。

在本发明中，每层聚二甲基硅氧烷薄层的厚度为0.5～2mm；纳米光栅结构的条纹周期为300～800nm。

在本发明中，所述聚二甲基硅氧烷薄层由质量比为10～10.5:1的聚二甲基硅氧烷聚合物和聚二甲基硅氧烷固化剂制得。

在本发明中，所述相对设置的第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层之间的纳米光栅结构区域之外优选设有隔开层；所述隔开层的厚度优选为40～130μm；所述隔开层具有粘性，能够粘合第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层；在本发明具体实施例中，优选采用厚度100μm的双面聚酰亚胺。第一聚二甲基硅氧烷薄层上纳米光栅结构的高度优选为20～30μm。所述隔开层的高度大于等于纳米光栅结构的高度，使得第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层之间的纳米光栅结构之间不会有作用力产生，可以正好接触，也可以留有一定的空隙，所述空隙的高度优选为0～50μm。

c)重复步骤b)，得到第二聚二甲基硅氧烷薄层；

d)将第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层的纳米光栅结构面贴合，得到内部结构色。

参见图1，图1为本发明提供的内部结构色的制备工艺流程图；其中(a)图为激光在304镜面不锈钢表面直线扫描加工；(b-c)图为转印过程；(d)图为贴合过程；(e)图为贴合后所得到的双层内部结构。

本发明首先用无水乙醇溶液对304镜面不锈钢表面杂质进行清洗，再利用飞秒激光在304镜面不锈钢表面进行直线扫面加工，再利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行多次转印，得到多个相同的纳米光栅，最终得到新型的内部双层或多层结构色，方法简单，可以大面积、批量化生产；该方法制备的结构色的纳米光栅结构位于材料，不易被磨损，会使得衍射效果增强，从而在材料内部实现各种结构色。该方法能够提高产品的质量和加工效率。所述内部结构色在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。

本发明在表面清洗干净的304镜面不锈钢进行直线飞秒激光扫描，使304镜面不锈钢模板表面形成纳米光栅结构，得到不锈钢模板。

在本发明中，所述表面清洗干净的304镜面不锈钢按照以下方法制得：

将待处理304镜面不锈钢表面采用浓度≥99.7％的无水乙醇超声清洗8～12分钟，再去离子水超声清洗4～6分钟，氮气吹干，得到表面清洗干净的304镜面不锈钢。上述过程目的是去除表面杂质，得到无任何灰层、杂质颗粒的304镜面不锈钢模板。

在具体实施例中，所述待处理304镜面不锈钢的尺寸为3cm×3cm。

在本发明中，所述飞秒激光扫描采用飞秒激光器；所述飞秒激光器的中心波长为800nm，飞秒激光器的脉宽为104fs，重复频率为1KHz；激光功率为90mw，扫描速度14mm/s，扫面线条间距为50μm。飞秒激光扫描结束后，本发明优选分别沿着线条方向和垂直线条方向无水乙醇冲洗。

得到不锈钢模板后，本发明将聚二甲基硅氧烷聚合物-聚二甲基硅氧烷固化剂混合物置于所述不锈钢模板上，抽真空，固化，得到具有纳米光栅结构的第一聚二甲基硅氧烷薄层。

本发明优选将聚二甲基硅氧烷聚合物-聚二甲基硅氧烷固化剂混合物滴涂在所述不锈钢模板上；均匀地滴在不锈钢模板上即可；滴加完毕后抽真空去除混合物中的气泡，且使聚二甲基硅氧烷(PDMS)液体完全进入到结构内部。抽真空完毕后，优选水平静置8～12分钟，确保液体聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合物在304镜面不锈钢模板上呈水平状态。

本发明优选在烘箱中进行固化；所述固化的温度为95～105℃；固化的时间为55～65min。

本发明主要利用叠栅条纹原理，当平行光从第一层入射，与第一层光栅条纹发生衍射，产生衍射光；衍射光通过中间空气层再入射到第二层时，与第二层光栅条纹发生衍射，产生二次衍射光。在第二个光栅后产生的衍射光为两次衍射光波矢量之和，致使观察到的衍射效果增强，以及利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材质的特殊性(透明性)，能够得到可观察到内部的双层衍射光栅。

本发明对上述技术方案所述内部结构色进行衍射效果的观察：通过固定改变观察角度、白光源入射角度以及内部结构色的光栅旋转角度这三个参数中任意两个，调整第三个参数，得到多种鲜艳的结构色彩。参见图2，图2为本发明提供的内部结构色的采集图；其中α表示光源入射角度(XOZ平面)；β表示观察角度(XOZ平面)；γ表示条纹与X轴夹角(XOY平面)。1表示光源，2表示观察相机。

观察结构表面：本发明提供的结构色能够观察到可见光波段几乎所有的光。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种内部结构色及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄层和聚二甲基硅氧烷(PDMS)纳米光栅结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)材质是由聚二甲基硅氧烷聚合物(A)和聚二甲基硅氧烷固化剂(B)按质量比10：1配制而成。

内部的双层结构色制造方法，包括以下步骤：

(1)、清洗304镜面不锈钢模板表面，以去除表面污渍、颗粒等杂质，得到干净的304镜面不锈钢。

(2)、采用飞秒激光对步骤(1)清洗后的304镜面不锈钢进行直线扫描加工，使304镜面不锈钢模板表面形成纳米条纹结构(光栅结构)，然后无水乙醇冲洗，最后氮气吹干；参见图3，图3为待转印的304镜面不锈钢表面的纳米光栅结构的SEM图；

(3)、配制聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚二甲基硅氧烷聚合物(A)和聚二甲基硅氧烷固化剂(B)按质量比10:1配制。

(4)、将配置好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在步骤(2)处理后的304镜面不锈钢模板上，再抽真空使聚二甲基硅氧烷(PDMS)液体完全进入到结构内部。

(5)、将步骤(4)的样品放在烘箱100℃条件下固化一小时，然后将聚二甲基硅氧烷(PDMS)揭下来，聚二甲基硅氧烷(PDMS)下表面会转印出相应的纳米结构(光栅结构)，由此得到一片具有纳米光栅结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，再重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)得到第二片具有纳米光栅结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

(6)、将步骤(5)得到的两片具有纳米光栅结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)内表面重合对贴，得到内部双层结构色。

步骤(1)中，首先将大小为3cm×3cm的304镜面不锈钢模板表面利用浓度≥99.7％的无水乙醇超声清洗10min，再去离子水超声清洗5分钟，最后氮气吹干，整个过程目的是去除表面杂质，得到干净的304镜面不锈钢模板。

步骤(2)中，飞秒激光器中心波长为800nm,脉宽为104fs，重复频率为1KHz，飞秒激光器的加工参数为：激光功率为90mw，扫描速度14mm/s，扫面线条间距50um；分别沿着线条方向和垂直线条方向无水乙醇冲洗。

步骤(4)中，将配置好的液体聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒在步骤(2)处理后的304镜面不锈钢模板上时，采用滴涂的方式，即将液体聚二甲基硅氧烷(PDMS)均匀的滴在表面即可。在抽完真空后，水平静置10分钟，确保液体聚二甲基硅氧烷(PDMS)在304镜面不锈钢模板上尽可能的呈水平状态。

步骤(6)中，在两层中间(结构之外)用厚0.1mm的双面聚酰亚胺材料贴合。

改变观察角度、白光源入射角度以及样品位置这三个参数，通过图2所示的采集图，使得能够观察到可见光波段几乎所有的光，参见图4，图4为本发明实施例1制备的内部双层结构色的多彩结构色图案。

实施例2：四层结构色的具体过程：

(2)、采用飞秒激光对步骤(1)清洗后的304镜面不锈钢进行直线扫描加工，使304镜面不锈钢模板表面形成纳米条纹结构(光栅结构)，然后无水乙醇冲洗，最后氮气吹干。

(5)、将步骤(4)的样品放在烘箱100℃条件下固化一小时，然后将聚二甲基硅氧烷(PDMS)揭下来，聚二甲基硅氧烷(PDMS)下表面会转印出相应的纳米结构(光栅结构)，由此得到一片具有纳米光栅结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，再重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)后，将之前转印得到的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄片的背面(纳米光栅结构背面)对齐贴在步骤(4)得到的液体聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面，再采用加热板加热固化方式固化，首先将加热板温度调至100℃，再将样品放置在加热板上，边固化边对齐，加热时间约2min左右，液体聚二甲基硅氧烷(PDMS)开始出现凝固现象，对齐结构，加热固化1小时，然后将聚二甲基硅氧烷(PDMS)揭下来，得到具有双面的纳米光栅结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，称之为“中间层”，再重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)两次，得到两片聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄片，利用厚0.1mm的双面聚酰亚胺材料将这两片聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄片分别对贴在中间层两侧，得到四层内部结构色。

图5为本发明实施例2制备的内部结构色的多彩结构色图案。

由以上实施例可知，本发明提供了一种内部结构色，包括相对设置的第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层；第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层相对的表面上具有相同的纳米光栅结构。该内部结构色通过在304镜面不锈钢上飞秒激光扫描纳米光栅结构，在利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行转印多次，得到多个相同的纳米光栅，然后将具有转印结构表面重合对贴制得。该方法简单，且得到的纳米光栅位于结构色内部，不易被磨损；会使得衍射效果增强，从而在材料内部实现各种结构色；可以大面积、批量化生产。本发明提供的内部结构色在显示、装饰、防伪等领域具有广阔的应用前景。实验结果表明：本发明提供的内部结构色能够观察到可见光波段几乎所有的光。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种内部结构色的制备方法，包括以下步骤：

b)将聚二甲基硅氧烷聚合物-聚二甲基硅氧烷固化剂混合物置于所述不锈钢模板上，抽真空，固化，得到具有纳米光栅结构的第一聚二甲基硅氧烷薄层；所述聚二甲基硅氧烷聚合物-聚二甲基硅氧烷固化剂混合物中聚二甲基硅氧烷聚合物和聚二甲基硅氧烷固化剂的质量比为10～10.5:1；

c)重复步骤b)，得到第二聚二甲基硅氧烷薄层；

d)将第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层的纳米光栅结构面相对设置，得到内部结构色；

所述飞秒激光扫描采用飞秒激光器；所述飞秒激光器的中心波长为800nm，飞秒激光器的脉宽为104fs，重复频率为1KHz；激光功率为90mw，扫描速度14mm/s，扫面线条间距为50μm；

所述表面清洗干净的304镜面不锈钢按照以下方法制得：

将待处理304镜面不锈钢模板表面采用浓度≥99.7％的无水乙醇超声清洗8～12分钟，再去离子水超声清洗4～6分钟，氮气吹干，得到表面清洗干净的304镜面不锈钢；

所述固化的温度为95～105℃；固化的时间为55～65min；

所述第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层的纳米光栅结构面相对设置的过程为：

将第一聚二甲基硅氧烷薄层的纳米光栅结构面的纳米光栅结构区域之外贴合隔开层，再和第二聚二甲基硅氧烷薄层的纳米光栅结构面贴合，所述隔开层的厚度为80～130μm；所述内部结构色包括相对设置的第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层；

第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层相对的表面上具有相同的纳米光栅结构；第一聚二甲基硅氧烷薄层上纳米光栅结构的高度为20～30μm；每层聚二甲基硅氧烷薄层的厚度为0.5～2mm；纳米光栅结构的条纹周期为300～800nm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第一聚二甲基硅氧烷薄层和第二聚二甲基硅氧烷薄层之间还包括多层上下表面均具有相同的纳米光栅结构的聚二甲基硅氧烷薄层。