CN110449329A

CN110449329A - 一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN110449329A
Application number: CN201910729635.8A
Authority: CN
Inventors: 王国勇; 孙宁; 魏素凤; 连建设; 江忠浩; 李光玉; 韩双
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2019-11-15

Abstract

本发明涉及一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，属于光子晶体薄膜制备技术领域。首先，用低表面能的溶剂对胶体微球进行疏水处理，然后将黑色纳米颗粒、疏水后的胶体微球乳液按一定比例混合，并均匀分散于乙醇中形成乳液。然后，通过滴涂、旋涂、浸涂、提拉、喷涂、喷墨打印将上述乳液置于基底上。室温干燥后，便形成具有高饱和度、高亮度且具有疏水性质的非虹彩结构色材料。本发明借助黑色纳米颗粒对无序光学结构引起的非相干散射光的吸收作用显著提高了非彩虹色结构色材料的色彩饱和度。通过疏水处理使得非虹彩结构色薄膜具有良好的疏水特性，接触角在150°以上。本发明在装饰装修、防伪、化妆品包装、工艺品和布告牌等领域有实际的应用。

Description

一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于光子晶体薄膜制备技术领域,特别涉及一种利用黑色颗粒和疏水处理来提高非虹彩结构色亮度和饱和度并赋予其超疏水特性的制备方法。属于结构色材料制备领域。

背景技术

自然界中的颜色缤纷多彩，对动物与人类的生活都非常重要。目前颜色主要分为两大类，一类是颜料色，另一类是结构色。我们生活中使用到的产品的颜色大部分都来源于颜料色。颜料色是色素生色，是色素分子通过选择性的吸收特定波长的可见光而展现出不同的颜色。结构色是一种物理色，是光入射到空间周期与光的波长相近的结构材料上时，由于光的散射、干涉或衍射作用而产生的颜色。因此，只要材料的结构不被破坏，结构色就永远不会褪色消失。除此以外，结构色还可以避免传统颜料色带来的水源污染和空气污染等环境问题，在纺织印染、显示、传感器等领域具有广阔的应用前景。

光子晶体是一种典型的结构生色的方式，其特征是具有光子禁带，波长处在光子禁带范围内的光无法在光子晶体内部传播而被完全反射，进而在周期性排列的光子晶体表面形成相干衍射,当相长干涉的反射光刺激人眼,传递到大脑我们就感知到了颜色。但是光子晶体产生的结构色具有很强的角度依赖性，在不同的角度观察会看到不同的颜色，即虹彩色。可是在许多颜色领域我们需要颜色保持不变，所以虹彩色极大地限制了光子晶体结构色的进一步应用。自然界中一些鸟类,比如斑喉伞鸟、金刚鹦鹉等具有色彩非常鲜艳的羽毛，且羽毛的颜色不随着观察角度的改变而变化。经过研究发现，它们羽毛的颜色来源于一种短程有序长程无序的非晶态光子晶体结构，这为制备非虹彩结构色提供了思路。通过模仿这些结构，人们通过自组装等方法制备了大量的短程无序长程有序的非晶光子晶体材料，有效地避免了虹彩色。但是在实际应用中,非虹彩结构色薄膜图层存在耐水性、耐候性差等缺点,比如对于外墙的应用,光子晶体涂层由于会受到尘埃、雾气和雨雪等污染物的影响,它们的使用将会受限。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，在保持光子晶体有序结构的同时,改善具有结构色涂层的综合性能,使其兼具疏水能力和明亮结构色,对于发展这种环保型疏水结构色涂层是非常有意义的。

首先，用低表面能的溶剂对胶体微球进行疏水处理，然后将黑色纳米颗粒、疏水后的胶体微球乳液按一定比例混合，并均匀分散于乙醇中形成乳液。然后，通过滴涂、旋涂、浸涂、提拉、喷涂、喷墨打印将上述乳液置于基底上。室温干燥后，便形成具有高饱和度、高亮度且具有疏水性质的非虹彩结构色材料。具体包括以下步骤：

步骤一，用低表面能溶剂对胶体微球进行疏水处理，包括：

(1)将胶体微球分散到乙醇中，制备质量分数为10％的乙醇分散液；

(2)向上述乙醇分散液中加入质量占胶体微球质量3％的低表面能溶剂，在室温下磁力搅拌30分钟使悬浮液充分混合；

(3)将悬浮液放置在40℃水浴锅内疏水处理，处理时间范围10-12小时。

(4)经氟化的胶体微球通过离心机在转速6000rpm下离心15-30分钟收集备用；

步骤二，将黑色纳米颗粒和疏水后的胶体微球乳液按比例混合，并均匀分散于乙醇中形成乳液，单分散胶体微球的质量分数为1％-15％，

(1)将黑色纳米颗粒分散在乙醇中，制备0.8mg/ml的乙醇分散液，

(2)然后用超声波细胞粉碎机在650w,25KHz下超声处理30分钟，确保黑色纳米颗粒可以充分分散在乙醇溶液中，制备成黑色纳米颗粒乙醇悬浮液；

(3)将步骤一中所述氟化胶体微球和占氟化胶体微球质量分数为0.4％-1％的黑色纳米颗粒乙醇悬浮液分散在乙醇溶液中，并超声30分钟，制备均匀分散的待喷涂悬浮液；

步骤三，通过滴涂、旋涂、浸涂、提拉、喷涂或喷墨打印将步骤二中的乳液置于基底上；

步骤四，室温干燥后，便形成具有高饱和度、高亮度且具有疏水性质的非虹彩结构色材料。

进一步地，所述的黑色纳米颗粒为炭黑、石墨烯、黑色素纳米粒子中的一种或多种的混合物,粒径为10nm-5μm。

进一步地，步骤一中所述低表面能的溶剂为纯度≥97％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷。

进一步地，所述的胶体微球为多分散度在5％-20％的聚苯乙烯胶体微球、二氧化硅胶体微球、聚甲基丙烯酸甲醋胶体微球、聚苯乙烯一聚甲基丙烯酸甲醋一聚丙烯酸胶体微球、ZnO胶体微球、Fe₃O₄胶体微球、TiO₂胶体微球中的一种或是上述同种单分散胶体微球不同粒径的混合物,其质量比在5％-50％。

进一步地，所述胶体微球的粒径150-500nm，其在乳液中的质量分数2％-30％，相应的结构色波长在390-780nm之间。

进一步地，所述基底材料为金属、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多种组合。

进一步地，所得到的非彩虹结构色材料的反射波长在390-780nm之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：借助黑色纳米颗粒对无序光学结构引起的非相干散射光的吸收作用显著提高了非彩虹色结构色材料的色彩饱和度。通过疏水处理使得非虹彩结构色薄膜具有疏水特性，疏水效果良好，接触角在150°以上。本发明得到的疏水性非晶态光子晶体涂层应用广泛,在装饰装修、防伪、化妆品包装、工艺品和布告牌等领域有实际的应用。

附图说明

图1a-b：实施例1-3中的具有高结构色色彩亮度的非虹彩结构色材料的数码照片。

其中：图1a为实施例1得到的非虹彩结构色薄膜数码照片，图1b为实施例2得到的非虹彩结构色薄膜数码照片，图1c为实施例3得到的非虹彩结构色薄膜数码照片。

图2a-b：实施例1-3中的具有高结构色色彩亮度的非虹彩结构色材料的扫描电镜照片。

照片由JSM-6700F,JEOL,Japan扫描电子显微镜拍摄。

其中：图2a为实施例1得到的结构色材料扫描电镜照片，图2b为实施例1得到的结构色材料扫描电镜照片，图2c为实施例1得到的结构色材料扫描电镜照片。

图3：实施例1-3中的具有高结构色色彩亮度的非虹彩结构色材料的反射光谱。反射光谱由紫外分光光度计测量。

图4：实施例1的具有超疏水性质的非虹彩结构色表面的静态接触角测量图片，液滴体积为2微升；图片由光学接触角仪(OCA20,Dataphysics,Germany)拍摄。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步的描述：

实施例1

一种具有超疏水性能的高饱和度非虹彩结构色薄膜的制备方法，包括以下步骤：

将直径为232nm的SiO₂分散到乙醇中，制备质量分数为10％的乙醇分散液，向分散液中加入质量占SiO₂胶体球质量3％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，在室温下磁力搅拌30分钟使悬浮液充分混合。将悬浮液放置在40℃水浴锅内疏水处理10小时。最后，经氟化的SiO₂通过离心机在转速6000rpm下离心15分钟收集备用。将粒径为5μm的石墨烯分散在乙醇中，制备0.8mg/ml的乙醇分散液，然后用超声波细胞粉碎机在650w,25KHz下超声处理30分钟确保石墨烯可以充分分散在乙醇溶液中制备成石墨烯乙醇悬浮液。将上述氟化SiO₂胶体微球、占SiO₂胶体微球的质量分数为0.6％的石墨烯乙醇悬浮液分散在乙醇溶液中并超声30分钟，制备均匀分散的待喷涂悬浮液。将喷涂悬浮液置于商用喷枪中，通过喷涂的方式喷涂到基底上,室温干燥后,便得到了高纯度的蓝色非彩虹色结构色薄膜，参阅图1,其反射光谱的反射峰位于480nm，参阅图3。

实施例2

将直径为267nm的SiO₂分散到乙醇中，制备质量分数为10％的乙醇分散液，向分散液中加入质量占SiO₂胶体球质量3％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，在室温下磁力搅拌30分钟使悬浮液充分混合。将悬浮液放置在40℃水浴锅内疏水处理10小时。最后，经氟化的SiO₂通过离心机在转速6000rpm下离心15分钟收集备用。将粒径为5μm的石墨烯分散在乙醇中，制备0.8mg/ml的乙醇分散液，然后用超声波细胞粉碎机在650w,25KHz下超声处理30分钟确保石墨烯可以充分分散在乙醇溶液中制备成石墨烯乙醇悬浮液。将上述氟化SiO₂胶体微球、占SiO₂胶体微球的质量分数为0.6％的石墨烯乙醇悬浮液分散在乙醇溶液中并超声30分钟，制备均匀分散的待喷涂悬浮液。将喷涂悬浮液置于商用喷枪中，通过喷涂的方式喷涂到基底上,室温干燥后,便得到了高纯度的绿色非彩虹色结构色薄膜，参阅图1,其反射光谱的反射峰位于510nm，参阅图3。

实施例3

将直径为317nm的SiO₂分散到乙醇中，制备质量分数为10％的乙醇分散液，向分散液中加入质量占SiO₂胶体球质量3％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，在室温下磁力搅拌30分钟使悬浮液充分混合。将悬浮液放置在40℃水浴锅内疏水处理10小时。最后，经氟化的SiO₂通过离心机在转速6000rpm下离心15分钟收集备用。将粒径为5μm的石墨烯分散在乙醇中，制备0.8mg/ml的乙醇分散液，然后用超声波细胞粉碎机在650w,25KHz下超声处理30分钟确保石墨烯可以充分分散在乙醇溶液中制备成石墨烯乙醇悬浮液。将上述氟化SiO₂胶体微球、占SiO₂胶体微球的质量分数为0.6％的石墨烯乙醇悬浮液分散在乙醇溶液中并超声30分钟，制备均匀分散的待喷涂悬浮液。将喷涂悬浮液置于商用喷枪中，通过喷涂的方式喷涂到基底上,室温干燥后,便得到了高纯度的红色非彩虹色结构色薄膜，参阅图1,其反射光谱的反射峰位于680nm，参阅图3。

以上所述内容为本发明构思下的基本说明，而依据本发明所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，用低表面能溶剂对胶体微球进行疏水处理，包括：

(3)将悬浮液放置在40℃水浴锅内疏水处理，处理时间范围10-12小时；

2.根据权利要求1所述的一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，其特征在于，所述的黑色纳米颗粒为炭黑、石墨烯、黑色素纳米粒子中的一种或多种的混合物,粒径为10nm-5μm。

3.根据权利要求1所述的一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤一中所述低表面能的溶剂为纯度≥97％的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷。

4.根据权利要求1所述的一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，其特征在于，所述的胶体微球为多分散度在5％-20％的聚苯乙烯胶体微球、二氧化硅胶体微球、聚甲基丙烯酸甲醋胶体微球、聚苯乙烯一聚甲基丙烯酸甲醋一聚丙烯酸胶体微球、ZnO胶体微球、Fe₃O₄胶体微球、TiO₂胶体微球中的一种或是上述同种单分散胶体微球不同粒径的混合物,其质量比在5％-50％。

5.根据权利要求4所述的一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，其特征在于，所述胶体微球的粒径150-500nm，其在乳液中的质量分数2％-30％，相应的结构色波长在390-780nm之间。

6.根据权利要求1所述的一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，其特征在于，所述基底材料为金属、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多种组合。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种超疏水性非虹彩结构色薄膜的制备方法，其特征在于，所得到的非彩虹结构色材料的反射波长在390-780nm之间。