CN111593229B - 一种彩色液态金属及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种彩色液态金属及其制备方法，涉及材料技术领域。本发明提供的彩色液态金属包括：均匀混合的预氧化的液态金属和金属络合染料溶液，所述金属络合染料溶液包括溶剂、金属络合染料和助剂。本发明的技术方案能够使彩色液态金属显色效果好且导电性好。
Description
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种彩色液态金属及其制备方法。
背景技术
液态金属通常指熔点在300℃以下的金属或者合金，其具有优异的导电性、导热性、流动性、可拉伸性、化学惰性等优异性能，是一种极具潜力的新兴电子材料。液态金属有金属光泽，通常呈现银白色，颜色单一，无法满足各种应用场景中客户对色彩的要求。
目前，已有专利提出将液态金属与朱砂、雄黄等天然颜料或与钛白、铅铬黄、酞菁蓝等人工合成颜料直接共混来制备彩色液态金属的技术。然而，发明人发现，液态金属由于其表面张力大、易氧化等特殊性质导致其与颜料直接共混时，很容易将颜料包裹在金属内部，导致形成的彩色液态金属颜色很浅甚至几乎不显色。
发明内容
本发明提供一种彩色液态金属及其制备方法，可以使彩色液态金属显色效果好且导电性好。
第一方面，本发明提供一种彩色液态金属，采用如下技术方案：
所述彩色液态金属包括：均匀混合的预氧化的液态金属和金属络合染料溶液，所述金属络合染料溶液包括溶剂、金属络合染料和助剂。
可选地，所述液态金属与所述金属络合染料的质量比为100:1～5:1。
可选地，在所述金属络合染料溶液中，所述金属络合染料的重量百分比为10％～40％，所述溶剂的重量百分比为30％～70％，所述助剂的重量百分比为1％～30％。
可选地，所述溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇、正丙醇、异丙醇、异戊醇、1,3-丁二醇、甲氧基丙醇、丙酮、丁酮、环己酮、甲基异丁基酮、二异丁基酮、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、乙二醇苯醚、缩水甘油醚、乙酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸异戊酯、乙醇酸正丁酯、正己烷、环己烷、正庚烷、正辛烷、异辛烷、甲苯、二甲苯、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
可选地，所述助剂包括pH调节剂、表面活性剂、助溶剂、保湿剂、防腐剂中的至少一种。
可选地，所述彩色液态金属还包括偶联剂和/或导电填料。
第二方面，本发明提供一种彩色液态金属的制备方法，用于制备以上任一项所述的彩色液态金属，采用如下技术方案：
所述彩色液态金属的制备方法包括：
步骤S1、对液态金属进行预氧化处理；
步骤S2、通过金属络合染料、溶剂和助剂，配制金属络合染料溶液；
步骤S3、将所述金属络合染料溶液加入预氧化的所述液态金属中，混合均匀得到所述彩色液态金属；
其中，步骤S1～步骤S3的操作温度均高于所述液态金属的熔点。
可选地，步骤S1中，通过机械搅拌法、磁力搅拌法或者球磨法对所述液态金属进行预氧化处理。
进一步地，在机械搅拌或者磁力搅拌过程中，搅拌速率为300r/min～3000r/min，搅拌时间为0.5min～60min；在球磨过程中，转速为50r/min～500r/min，球磨时间为0.5min～5min。
可选地，步骤S3中，通过机械搅拌法、磁力搅拌法、超声分散法、球磨法中的至少一种，将所述金属络合染料溶液和预氧化的液态金属混合均匀。
本发明提供了一种彩色液态金属及其制备方法，该彩色液态金属包括：均匀混合的预氧化的液态金属和金属络合染料溶液，金属络合染料溶液包括溶剂、金属络合染料和助剂。其中，金属络合染料是指分子中含有配位金属原子的染料，也叫色精，可溶于水、醇类、芳香族、酯类等溶剂中。与一般无机颜料相比，金属络合染料具有易分散、易渗透、易着色、色彩艳丽、透明性好等优异特性。发明人发现，若直接将液态金属与金属络合染料溶液混合，由于金属络合染料溶液中存在溶剂，使得在混合过程中，液态金属容易被分散成小颗粒，并且小颗粒表面易被溶剂、氧化物等包裹，导致最终形成的彩色液态金属不导电，经过创造性劳动后，将液态金属进行预氧化处理，得到预氧化的液态金属，提高液态金属的氧化物含量和粘度，以保证液态金属与金属络合染料溶液混合时液态金属不易被分散成小颗粒，而是作为连续相与金属络合染料溶液均匀混合，进而得到显色效果好且导电性好的彩色液态金属。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的彩色液态金属的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例中的各技术特征均可以相互结合。
本发明实施例提供一种彩色液态金属，具体地，该彩色液态金属包括：均匀混合的预氧化的液态金属和金属络合染料溶液，金属络合染料溶液包括溶剂、金属络合染料和助剂。
其中，“预氧化”是指液态金属在某种加工前用化学或物理方法使金属与氧反应生成金属氧化物，改善后续工艺过程中液态金属分散状态的工艺步骤。
选用金属络合染料的原因在于：金属络合染料是指分子中含有配位金属原子的染料，也叫色精，可溶于水、醇类、芳香族、酯类等溶剂中，与一般无机颜料相比，金属络合染料具有易分散、易渗透、易着色、色彩艳丽、透明性好等优异特性。需要说明的是，金属络合染料中的酸性金属络合染料、金属络合分散性染料、金属络合中性染料等均适用于本发明实施例提供的彩色液态金属。
选用金属络合染料溶液的原因在于：若直接选用金属络合染料粉末，当其与液态金属混合时，金属络合染料粉末会被液态金属包裹住，导致显色效果差甚至不显色，虽然提高金属络合染料粉末的含量可以对显色效果有一定提高，但液态金属和金属络合染料粉末无法形成均匀的流体混合物。
选用预氧化的液态金属的原因在于：若直接将液态金属与金属络合染料溶液混合，由于金属络合染料溶液中存在溶剂，使得在混合过程中，液态金属容易被分散成小颗粒，并且小颗粒表面易被溶剂、氧化物等包裹，导致最终形成的彩色液态金属不导电。将液态金属进行预氧化处理，得到预氧化的液态金属，提高液态金属的氧化物含量和粘度，以保证液态金属与金属络合染料溶液混合时液态金属不易被分散成小颗粒，而是作为连续相与金属络合染料溶液均匀混合，进而得到显色效果好且导电性好的彩色液态金属。
由以上所述可知，本发明实施例中的彩色液态金属显色效果好且导电性好。
可选地，本发明实施例提供的彩色液态金属中，液态金属与金属络合染料的质量比为100:1～5:1，以使得不仅不会出现因金属络合染料太少而显色效果不佳的现象，也不会出现因金属络合染料太多而导电性不佳的现象，彩色液态金属的综合性能好。示例性地，液态金属与金属络合染料的质量比为100:1、50:1、20:1、10:1或者5:1。
可选地，在金属络合染料溶液中，金属络合染料的重量百分比为10％～40％，溶剂的重量百分比为30％～70％，助剂的重量百分比为1％～30％。此处的重量百分比为基于制备彩色液态金属时所使用的金属络合染料溶液得到的。
示例性地，金属络合染料为Yellow-20,Yellow-57,Yellow-45kk,Orange-10,Orange-09,Red-04,Red-35,Red-06,Red-95,Red-10,Red-16,Brown-02,Brown-05,Blue-04,Blue-06,Green-20,Green-575,Black-04,Black-20,Black-55等。
示例性地，溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇、正丙醇、异丙醇、异戊醇、1,3-丁二醇、甲氧基丙醇、丙酮、丁酮、环己酮、甲基异丁基酮、二异丁基酮、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、乙二醇苯醚、缩水甘油醚、乙酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸异戊酯、乙醇酸正丁酯、正己烷、环己烷、正庚烷、正辛烷、异辛烷、甲苯、二甲苯、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
可选地，助剂包括pH调节剂、表面活性剂、助溶剂、保湿剂、防腐剂中的至少一种。以上助剂中的防腐剂、助溶剂等是金属络合染料溶液稳定存在需要的，表面活性剂等是可以使金属络合染料与其他材料相容性更好需要的，以使得金属络合染料更易与液态金属混合均匀。
可选地，液态金属包括熔点在300℃以下的金属单质或合金。优选地，液态金属为镓单质、铟单质、锡单质、汞单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、铋铟锡铅合金、铋锡镉合金、铋铅锡合金、铋锡铅镉合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌合金、锡锌铜合金、锡银铜合金中的一种或几种。
可选地，彩色液态金属还可以包括偶联剂和/或导电填料，以使得彩色液态金属的性能可以根据实际需要进行调节。
另外，本发明实施例还提供一种彩色液态金属的制备方法，用于制备以上任一项所述的彩色液态金属，具体地，如图1所示，图1为本发明实施例提供的彩色液态金属的制备方法的流程图，彩色液态金属的制备方法包括：
步骤S1、对液态金属进行预氧化处理。
可选地，步骤S1中，通过机械搅拌法、磁力搅拌法或者球磨法对液态金属进行预氧化处理。在机械搅拌、磁力搅拌或者球磨过程中，液态金属表面致密的氧化物可以被破坏，进而向液态金属内部引入新的氧，使液态金属预氧化。
进一步地，在机械搅拌或者磁力搅拌过程中，搅拌速率为300r/min～3000r/min，搅拌时间为0.5min～60min；在球磨过程中，转速为50r/min～500r/min，球磨时间为0.5min～5min。搅拌速率和搅拌时间可以控制液态金属的氧化程度和粘度，搅拌速率越快，搅拌时间越长，液态金属的氧化程度越大，粘度越大，球磨转速和球磨时间也类似。以上工艺参数的选择可以使得在对液态金属进行预氧化处理时，液态金属的氧化程度合适，不会出现过度氧化导致粘度过大或者导电性不佳的问题。
步骤S2、通过金属络合染料、溶剂和助剂，配制金属络合染料溶液。
步骤S3、将所述金属络合染料溶液加入预氧化的所述液态金属中，混合均匀得到所述彩色液态金属。
可选地，步骤S3中，通过机械搅拌法、磁力搅拌法、超声分散法、球磨法中的至少一种，将金属络合染料溶液和预氧化的液态金属混合均匀。混合时间可以为1min～60min。
其中，步骤S1～步骤S3的操作温度均高于液态金属的熔点。若液态金属的熔点低于室温，则步骤S1～步骤S3在室温下操作即可，若液态金属的熔点高于室温，则步骤S1～步骤S3中需要对液态金属进行加热，以保证液态金属的温度高于熔点，具有流动性。
在以上方法中，首先将液态金属进行预氧化处理，得到预氧化的液态金属，提高液态金属的氧化物含量和粘度，以保证液态金属与金属络合染料溶液混合时液态金属不易被分散成小颗粒，而是作为连续相与金属络合染料溶液均匀混合，进而得到显色效果好且导电性好的彩色液态金属。。
为了便于本领域技术人员理解和实施，下面本发明实施例以多个具体实施例进行举例说明。
除另有说明，以下各实施例中所采用的原料加入量均按质量计算。
实施例1
一种彩色液态金属，包括均匀混合的镓铟合金Ga79In21(熔点16℃)和宝蓝色的金属络合染料溶液，镓铟合金Ga79In21与金属络合染料溶液的质量比为10/1，此彩色液态金属呈现的颜色为宝蓝色。上述彩色液态金属的制备方法包括以下步骤：
a.将100g镓铟合金Ga79In21在室温下以1000r/min的速度机械搅拌1min，对镓铟合金Ga79In21进行预氧化；
b.将10g宝蓝色的金属络合染料溶液加入步骤a中预氧化后的镓铟合金Ga79In21中；
c.对步骤b所得混合物在室温下以1000r/min的速度继续搅拌10min，得到呈现均匀宝蓝色的彩色液态金属。
上述彩色液态金属在室温具有流动性，呈现均匀的宝蓝色、且有金属光泽，电导率为1.1*106S/m。
实施例2
一种彩色液态金属，包括均匀混合的镓铟锌合金Ga67In20Zn13(熔点11℃)和金黄色的金属络合染料溶液，镓铟锌合金Ga67In20Zn13与金属络合染料溶液的质量比为20/1，此彩色液态金属呈现的颜色为金黄色。上述彩色液态金属的制备方法包括以下步骤：
a.将100g镓铟锌合金Ga67In20Zn13在室温下以1000r/min的速度机械搅拌3min，对镓铟锌合金Ga67In20Zn13进行预氧化；
b.将5g金黄色的金属络合染料溶液加入步骤a中预氧化后的镓铟锌合金Ga67In20Zn13中；
c.对步骤b所得混合物在室温下以1000r/min的速度继续搅拌2min，得到呈现均匀金黄色的彩色液态金属。
上述彩色液态金属在室温具有流动性，呈现均匀的金黄色、且有金属光泽，电导率为2.3*106S/m。
实施例3
一种彩色液态金属，包括均匀混合的金属镓Ga(熔点30℃)和绿色的金属络合染料溶液，金属镓Ga与金属络合染料溶液的质量比为30/1，此彩色液态金属呈现的颜色为绿色。上述彩色液态金属的制备方法包括以下步骤：
a.将150g金属镓Ga在40℃下以600r/min的速度磁力搅拌15min，对金属镓Ga进行预氧化；
b.将5g绿色的金属络合染料溶液加入步骤a中预氧化后的金属镓Ga中；
c.对步骤b所得混合物在40℃下以1000r/min的速度继续搅拌45min，得到呈现均匀绿色的彩色液态金属。
上述彩色液态金属呈现均匀的绿色、且有金属光泽，电导率为1.5*106S/m。
实施例4
一种彩色液态金属，包括镓铟锌合金Ga82In12Zn6(熔点19℃)和柠檬黄色的金属络合染料溶液，镓铟锌合金Ga82In12Zn6与金属络合染料溶液的质量比为20/1，此彩色液态金属呈现的颜色为柠檬黄色。上述彩色液态金属的制备方法包括以下步骤：
a.将100g镓铟锌合金Ga82In12Zn6在室温下以1000r/min的速度机械搅拌3min，对镓铟锌合金Ga82In12Zn6进行预氧化；
b.将5g柠檬黄色的金属络合染料溶液加入步骤a中预氧化后的镓铟锌合金Ga82In12Zn6中；
c.对步骤b所得混合物在室温下以300r/min的速度球磨5min，得到呈现均匀柠檬黄色的彩色液态金属。
上述彩色液态金属在室温具有流动性，呈现均匀的柠檬黄色、且有金属光泽，电导率为1.7*106S/m。
实施例5
一种彩色液态金属，包括铋铟锡合金Bi31.6In48.8Sn19.6(熔点58℃)，桃红色的金属络合染料溶液，硅烷偶联剂，银包铜粉(粒径为2微米)，铋铟锡合金Bi31.6In48.8Sn19.6与金属络合染料溶液的质量比为15/1，铋铟锡合金Bi31.6In48.8Sn19.6与偶联剂的质量比为100/1，铋铟锡合金Bi31.6In48.8Sn19.6与银包铜粉的质量比为30/1，此彩色液态金属呈现的颜色为桃红色。上述彩色液态金属的制备方法包括以下步骤：
a.将150g铋铟锡合金Bi31.6In48.8Sn19.6在80℃下以800r/min的速度机械搅拌2min，对铋铟锡合金Bi31.6In48.8Sn19.6进行预氧化；
b.将15g桃红色的金属络合染料溶液，1.5g硅烷偶联剂KH550，5g粒径为2微米的银包铜粉加入步骤a中预氧化后的铋铟锡合金Bi31.6In48.8Sn19.6中；
c.对步骤b所得混合物在80℃下以1500r/min的速度继续搅拌10min，得到呈现均匀桃红色的彩色液态金属。
上述彩色液态金属在室温具有流动性，呈现均匀的桃红色、且有金属光泽，电导率为4.9*106S/m。
实施例6
一种彩色液态金属，包括镓铟合金Ga79In21(熔点16℃)，紫色的金属络合染料溶液，钛酸酯偶联剂HY201，银粉(粒径为5微米)，镓铟合金Ga79In21与金属络合染料溶液的质量比为20/1，镓铟合金Ga79In21与偶联剂的质量比为100/1，镓铟合金Ga79In21与银粉的质量比为20/1，此彩色液态金属呈现的颜色为紫色。上述彩色液态金属的制备方法包括以下步骤：
a.将100g镓铟合金Ga79In21在室温下以1000r/min的速度机械搅拌2min，对镓铟合金Ga79In21进行预氧化；
b.将5g紫色的金属络合染料溶液，1g钛酸酯偶联剂HY201，5g粒径为5微米的银粉加入步骤a中预氧化后的镓铟合金Ga79In21中；
c.对步骤b所得混合物在室温下以500r/min的速度球磨5min，得到呈现均匀紫色的彩色液态金属。
上述彩色液态金属在室温具有流动性，呈现均匀的紫色、且有金属光泽，电导率为5.1*106S/m。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (10)
1.一种彩色液态金属，其特征在于，包括：均匀混合的预氧化的液态金属和金属络合染料溶液，所述金属络合染料溶液包括用于溶解所述金属络合染料的溶剂、金属络合染料和助剂；所述预氧化的液态金属用以避免在与金属络合染料溶液混合的过程中，被分散成小颗粒。
2.根据权利要求1所述的彩色液态金属，其特征在于，所述液态金属与所述金属络合染料的质量比为100:1～5:1。
3.根据权利要求1所述的彩色液态金属，其特征在于，在所述金属络合染料溶液中，所述金属络合染料的重量百分比为10％～40％，所述溶剂的重量百分比为30％～70％，所述助剂的重量百分比为1％～30％。
4.根据权利要求1～3任一项所述的彩色液态金属，其特征在于，所述溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇、正丙醇、异丙醇、异戊醇、1,3-丁二醇、甲氧基丙醇、丙酮、丁酮、环己酮、甲基异丁基酮、二异丁基酮、乙二醇乙醚、乙二醇丁醚、二丙二醇甲醚、乙二醇苯醚、缩水甘油醚、乙酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸异戊酯、乙醇酸正丁酯、正己烷、环己烷、正庚烷、正辛烷、异辛烷、甲苯、二甲苯、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
5.根据权利要求1～3任一项所述的彩色液态金属，其特征在于，所述助剂包括pH调节剂、表面活性剂、助溶剂、保湿剂、防腐剂中的至少一种。
6.根据权利要求1～3任一项所述的彩色液态金属，其特征在于，还包括偶联剂和/或导电填料。
7.一种彩色液态金属的制备方法，用于制备如权利要求1～6任一项所述的彩色液态金属，其特征在于，所述彩色液态金属的制备方法包括：
步骤S1、对液态金属进行预氧化处理；
步骤S2、通过金属络合染料、溶剂和助剂，配制金属络合染料溶液；
步骤S3、将所述金属络合染料溶液加入预氧化的所述液态金属中，混合均匀得到所述彩色液态金属；
其中，步骤S1～步骤S3的操作温度均高于所述液态金属的熔点。
8.根据权利要求7所述的彩色液态金属的制备方法，其特征在于，步骤S1中，通过机械搅拌法、磁力搅拌法或者球磨法对所述液态金属进行预氧化处理。
9.根据权利要求8所述的彩色液态金属的制备方法，其特征在于，在机械搅拌或者磁力搅拌过程中，搅拌速率为300r/min～3000r/min，搅拌时间为0.5min～60min；在球磨过程中，转速为50r/min～500r/min，球磨时间为0.5min～5min。
10.根据权利要求7～9任一项所述的彩色液态金属的制备方法，其特征在于，步骤S3中，通过机械搅拌法、磁力搅拌法、超声分散法、球磨法中的至少一种，将所述金属络合染料溶液和预氧化的液态金属混合均匀。
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