CN113913032A - 一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料及其制备方法，步骤1：将去离子水，氨水和无水乙醇记为A溶液，将正硅酸乙酯与无水乙醇记为B溶液；步骤2：将B溶液快速倒进A溶液中，并在高转速下搅拌反应，之后离心得到SiO2微球；步骤3：将SiO2微球分散到乙醇中，超声分散处理，将纳米TiC分散到乙醇中超声分散形成均匀分散液制备喷涂液，取SiO2分散液和纳米TiC分散液混合超声制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液；本发明工艺简单、周期短，且对设备要求简单，所得的结构色色彩较好，角度依赖性低，且普适性强，将其从基底刮下后仍能保持原有的结构颜色，具有良好的应用前景。

Description

一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料及其制备方法
技术领域
本发明涉及非晶光子晶体技术领域，具体涉及一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色的颜料及其制备方法。
背景技术
结构颜色是自然界中普遍观察到的一种现象，我们将具有不同折射率的材料进行组装，在材料内部微结构光发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的颜色称为结构颜色。根据它们相对于观察角度的表现，可以将这些类型的颜色分为两组：虹彩色和非虹彩色。前者提供的颜色是由包含周期性排列的纳米或微米颗粒的结构生成的，具体观测的颜色取决于观察角度(虹彩)。相比之下，后者拥有一种称为非晶光子结构的准有序胶体排列，并提供相反的效果：与角度无关的颜色生成(非虹彩)。在这种情况下，与光子晶体不同，此胶体粒子的排列显示出具有短程有序、长程无序的无定形结构。与色素或染料相比，该类颜料具有环境友好、色彩稳定等优点。目前，非晶光子结构颜色制备方法主要包括沉降组装两种不同大小的粒子，及滴涂、电泳沉积等，这些方法都可以抑制球体之间的长距离静电相互作用，并破坏胶体结构的长距离有序排列，从而减少虹彩现象。然而，很多已报道的方法难以快速在大面积和柔性表面上制备均匀的非晶光子晶体结构色涂层。
发明内容
为了克服现有结构色材料制备繁琐、具有角度依赖性等缺点，本发明的目的在于提供一种SiO2/TiC非晶虹彩色的颜料及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料的制备方法，其制备步骤如下：
步骤1：将去离子水，氨水和无水乙醇按照比例加入到烧瓶中，在常温下以搅拌使之均匀混合，记为A溶液，将正硅酸乙酯与无水乙醇按照比例加入到烧杯中，在常温下以搅拌均匀混合，记为B溶液；
步骤2：在反应温度下将A溶液转速调至高速，将B溶液快速倒进A溶液中，并在高转速下搅拌反应，随后调低转速，继续反应，反应结束后将溶液倒入离心瓶中，使用离心机离心，得到的沉淀即为SiO2微球，使用乙醇将微球离心清洗三次，放入到烘箱中干燥；
步骤3：将合成的SiO2微球分散到乙醇中，超声分散处理，形成均匀的分散液，将纳米TiC分散到乙醇中超声分散形成均匀分散液制备喷涂液，取SiO2分散液和纳米TiC分散液混合超声制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液；
步骤4：将喷涂的目标基底使用乙醇/丙酮清洗，然后把已经制备好的分散液加载到喷枪中，调节参数，对准基材进行喷涂，喷枪喷涂时逐行移动，每个行程与先前喷涂的区域重叠，以确保连续覆盖，重复该步骤若干次，得到非晶光子晶体结构色涂层，该步骤可以通过使用不同粒径的微球来调节制备得到非晶光子晶体结构色涂层结构色涂层的颜色，由于微球粒径不同，导致结构色光子带隙落在可见光区不同的位置，便呈现出不同的颜色，粒径从小到大对应颜色由蓝色红移到到红色。
步骤1中A溶液中氨水用量为11-32mL，去离子水用量为100mL，无水乙醇用量为168-189mL，搅拌速率为700r/min，搅拌时间为20min，B溶液中无水乙醇用量为164mL，正硅酸乙酯用量为36mL，搅拌速率为700r/min，搅拌时间为10min。
步骤2中A溶液高转速为1000r/min，高转速下A溶液和B溶液搅拌反应时间为3min，随后调低转速为700r/min，A溶液和B溶液低转速继续反应时间为3h，离心机离心转速为8000r/min，离心时间为30min，烘箱中干燥温度为60℃，干燥时间为3h。
步骤3中SiO2微球以质量分数为5％分散到乙醇中，超声分散处理1h，TiC以质量分数为0.1-0.6％分散到乙醇中，超声分散处理2h，称取4g SiO2分散液和2g TiC分散液混合超声0.5h制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液。
步骤4中分散液加载到喷嘴尺寸为0.2mm的喷枪中，工作气体为空气，压力为200kPa，喷枪与底物的距离保持在5cm，喷枪喷涂的速度为5cm/s的速度逐行移动。
一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料，由以上任意一种方法制备而成。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：
本发明工艺简单、周期短，且对设备要求简单，所得的结构色色彩较好，角度依赖性低，且普适性强，将其从基底刮下后仍能保持原有的结构颜色，具有良好的应用前景。
附图说明
图1SiO2微球的SEM图：(a)微球粒径为210nm；(b)250nm；(c)260nm；(d)270nm；(e)290nm；(f)310nm；
图2不同尺寸含有SiO2/TiC/乙醇分散液所制备的结构颜色实物图；
图3不同尺寸SiO2微球添加0.3％TiC纳米分散液的反射光谱图；
图4不同角度结构颜色实物图；
图5填充PA的结构颜色在柔性基底PDMS上形成的结构颜色实物图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明申请作进一步的说明：
实施例1：
将100mL去离子水，11mL氨水和189mL无水乙醇加入到1000mL圆底烧瓶中，在室温下以700r/min搅拌20min均匀混合，记为A溶液。将36mL正硅酸乙酯与164mL无水乙醇加入到500mL烧杯中，在室温下以700r/min搅拌10min均匀混合，记为B溶液。在25℃下将A溶液转速调节到1000r/min，将B溶液快速倒进A溶液中，并在1000r/min转速下搅拌3min。随后调节到700r/min，持续反应3h。反应结束后将溶液倒入离心瓶中，使用8000r/min离心30min，得到的沉淀即为SiO2微球，使用乙醇将微球离心清洗三次，放入到烘箱中60℃干燥3h，经检测，所制备的微球粒子平均粒径为210nm，如图1(a)所示，所制备的刚性二氧化硅微球粒径均一、球形度良好；
将合成的SiO2微球以质量分数为5％分散到乙醇中，超声分散处理1h，形成均匀的分散液。将TiC以质量分数为0.3％分散到乙醇中超声2h分散形成均匀分散液制备喷涂液。称取4g SiO2分散液和2g TiC分散液混合超声0.5h制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液；
将使用的玻璃载玻片使用乙醇和丙酮溶剂清洗，然后把已经制备好的分散液加载到喷嘴尺寸为0.2mm的喷枪中。工作气体为空气，压力为200kPa，喷枪与底物的距离保持在5cm。喷枪喷涂的速度为5cm/s的速度逐行移动，每个行程与先前喷涂的区域重叠，以确保连续覆盖。最终获得高饱和结构颜色，如图2所示。
实施例2：
将100mL去离子水，17mL氨水和183mL无水乙醇加入到1000mL圆底烧瓶中，在室温下以700r/min搅拌20min均匀混合，记为A溶液。将36mL正硅酸乙酯与164mL无水乙醇加入到500mL烧杯中，在室温下以700r/min搅拌10min均匀混合，记为B溶液。在25℃下将A溶液转速调节到1000r/min，将B溶液快速倒进A溶液中，并在1000r/min转速下搅拌3min。随后调节到700r/min，持续反应3h。反应结束后将溶液倒入离心瓶中，使用8000r/min离心30min，得到的沉淀即为SiO2微球，使用乙醇将微球离心清洗三次，放入到烘箱中60℃干燥3h，经检测，所制备的微球粒子平均粒径为250nm，如图1(b)所示，所制备的刚性二氧化硅微球粒径均一、球形度良好；
将合成的SiO2微球以质量分数为5％分散到乙醇中，超声分散处理1h，形成均匀的分散液。将TiC以质量分数为0.3％分散到乙醇中超声2h分散形成均匀分散液制备喷涂液。称取4g SiO2分散液和2g TiC分散液混合超声0.5h制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液；
将使用的玻璃载玻片使用乙醇和丙酮溶剂清洗，然后把已经制备好的分散液加载到喷嘴尺寸为0.2mm的喷枪中。工作气体为空气，压力为200kPa，喷枪与底物的距离保持在5cm。喷枪喷涂的速度为5cm/s的速度逐行移动，每个行程与先前喷涂的区域重叠，以确保连续覆盖。最终获得高饱和结构颜色，如图2所示。
实施例3：
将100mL去离子水，23mL氨水和177mL无水乙醇加入到1000mL圆底烧瓶中，在室温下以700r/min搅拌20min均匀混合，记为A溶液。将36mL正硅酸乙酯与164mL无水乙醇加入到500mL烧杯中，在室温下以700r/min搅拌10min均匀混合，记为B溶液。在25℃下将A溶液转速调节到1000r/min，将B溶液快速倒进A溶液中，并在1000r/min转速下搅拌3min。随后调节到700r/min，持续反应3h。反应结束后将溶液倒入离心瓶中，使用8000r/min离心30min，得到的沉淀即为SiO2微球，使用乙醇将微球离心清洗三次，放入到烘箱中60℃干燥3h，经检测，所制备的微球粒子平均粒径为260nm，如图1(c)所示，所制备的刚性二氧化硅微球粒径均一、球形度良好；
将合成的SiO2微球以质量分数为5％分散到乙醇中，超声分散处理1h，形成均匀的分散液。将TiC以质量分数为0.3％分散到乙醇中超声2h分散形成均匀分散液制备喷涂液。称取4g SiO2分散液和2g TiC分散液混合超声0.5h制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液；
将使用的玻璃载玻片使用乙醇和丙酮溶剂清洗，然后把已经制备好的分散液加载到喷嘴尺寸为0.2mm的喷枪中。工作气体为空气，压力为200kPa，喷枪与底物的距离保持在5cm。喷枪喷涂的速度为5cm/s的速度逐行移动，每个行程与先前喷涂的区域重叠，以确保连续覆盖。最终获得高饱和结构颜色，如图2所示。
实施例4：
将100mL去离子水，26mL氨水和174mL无水乙醇加入到1000mL圆底烧瓶中，在室温下以700r/min搅拌20min均匀混合，记为A溶液。将36mL正硅酸乙酯与164mL无水乙醇加入到500mL烧杯中，在室温下以700r/min搅拌10min均匀混合，记为B溶液。在25℃下将A溶液转速调节到1000r/min，将B溶液快速倒进A溶液中，并在1000r/min转速下搅拌3min。随后调节到700r/min，持续反应3h。反应结束后将溶液倒入离心瓶中，使用8000r/min离心30min，得到的沉淀即为SiO2微球，使用乙醇将微球离心清洗三次，放入到烘箱中60℃干燥3h；经检测，所制备的微球粒子平均粒径为270nm，如图1(d)所示，所制备的刚性二氧化硅微球粒径均一、球形度良好；
将合成的SiO2微球以质量分数为5％分散到乙醇中，超声分散处理1h，形成均匀的分散液。将TiC以质量分数为0.3％分散到乙醇中超声2h分散形成均匀分散液制备喷涂液。称取4g SiO2分散液和2g TiC分散液混合超声0.5h制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液；
将使用的玻璃载玻片使用乙醇和丙酮溶剂清洗，然后把已经制备好的分散液加载到喷嘴尺寸为0.2mm的喷枪中。工作气体为空气，压力为200kPa，喷枪与底物的距离保持在5cm。喷枪喷涂的速度为5cm/s的速度逐行移动，每个行程与先前喷涂的区域重叠，以确保连续覆盖。最终获得高饱和结构颜色，如图2所示。
实施例5：
将100mL去离子水，29mL氨水和171mL无水乙醇加入到1000mL圆底烧瓶中，在室温下以700r/min搅拌20min均匀混合，记为A溶液。将36mL正硅酸乙酯与164mL无水乙醇加入到500mL烧杯中，在室温下以700r/min搅拌10min均匀混合，记为B溶液。在25℃下将A溶液转速调节到1000r/min，将B溶液快速倒进A溶液中，并在1000r/min转速下搅拌3min。随后调节到700r/min，持续反应3h。反应结束后将溶液倒入离心瓶中，使用8000r/min离心30min，得到的沉淀即为SiO2微球，使用乙醇将微球离心清洗三次，放入到烘箱中60℃干燥3h，经检测，所制备的微球粒子平均粒径为290nm，如图1(e)所示，所制备的刚性二氧化硅微球粒径均一、球形度良好；
将合成的SiO2微球以质量分数为5％分散到乙醇中，超声分散处理1h，形成均匀的分散液。将TiC以质量分数为0.3％分散到乙醇中超声2h分散形成均匀分散液制备喷涂液。称取4g SiO2分散液和2g TiC分散液混合超声0.5h制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液；
将使用的玻璃载玻片使用乙醇和丙酮溶剂清洗，然后把已经制备好的分散液加载到喷嘴尺寸为0.2mm的喷枪中。工作气体为空气，压力为200kPa，喷枪与底物的距离保持在5cm。喷枪喷涂的速度为5cm/s的速度逐行移动，每个行程与先前喷涂的区域重叠，以确保连续覆盖。最终获得高饱和结构颜色，如图2所示。
实施例6：
将100mL去离子水，32mL氨水和168mL无水乙醇加入到1000mL圆底烧瓶中，在室温下以700r/min搅拌20min均匀混合，记为A溶液。将36mL正硅酸乙酯与164mL无水乙醇加入到500mL烧杯中，在室温下以700r/min搅拌10min均匀混合，记为B溶液。在25℃下将A溶液转速调节到1000r/min，将B溶液快速倒进A溶液中，并在1000r/min转速下搅拌3min。随后调节到700r/min，持续反应3h。反应结束后将溶液倒入离心瓶中，使用8000r/min离心30min，得到的沉淀即为SiO2微球，使用乙醇将微球离心清洗三次，放入到烘箱中60℃干燥3h；经检测，所制备的微球粒子平均粒径为310nm，如图1(f)所示，所制备的刚性二氧化硅微球粒径均一、球形度良好；
将合成的SiO2微球以质量分数为5％分散到乙醇中，超声分散处理1h，形成均匀的分散液。将TiC以质量分数为0.3％分散到乙醇中超声2h分散形成均匀分散液制备喷涂液。称取4g SiO2分散液和2g TiC分散液混合超声0.5h制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液；
将使用的玻璃载玻片使用乙醇和丙酮溶剂清洗，然后把已经制备好的分散液加载到喷嘴尺寸为0.2mm的喷枪中。工作气体为空气，压力为200kPa，喷枪与底物的距离保持在5cm。喷枪喷涂的速度为5cm/s的速度逐行移动，每个行程与先前喷涂的区域重叠，以确保连续覆盖。最终获得高饱和结构颜色，如图2所示。
上述所述基底不限于玻璃，金属，纸，可拓展至任意基底。当采用基底为纸时，无需对基底进行清洗。
下面举例对使用SiO2非晶光子晶体结构色涂层在柔性基底上制备进行描述。
实施例7：取0.2g商用PA粘合剂加入到实例3中配制的SiO2微球与TiC纳米粒子的均匀分散液中继续超声分散0.5h，然后在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上喷涂，事先制备PDMS弹性体薄膜：将商用PDMS预聚体和固化剂按质量比10:1添加至烧杯中，用压舌板将其充分混合均匀，然后在真空干燥器中抽真空30min去除气泡。将除完气泡的混合物倒入PE培养皿中，并置于70℃烘箱加热固化3h，待其冷却至室温后取出固化的PDMS。然后进行喷涂结构颜色操作：把已经制备好的分散液加载到喷嘴尺寸为0.2mm的喷枪中。工作气体为空气，压力为200kPa，喷枪与底物的距离保持在5cm。喷枪喷涂的速度为5cm/s的速度逐行移动，每个行程与先前喷涂的区域重叠，以确保连续覆盖。
图1是根据本发明的示范性实施例1-6制备的SiO2微球的SEM图。图2是根据本发明的示范性实施例1-6制备的SiO2非晶光子晶体结构色涂层实物图。图3是根据本发明的示范性实施例1-6制备的SiO2非晶光子晶体结构色涂层反射光谱图。图4是根据本发明的示范性实施例3制备的SiO2非晶光子晶体结构色涂不同角度结构颜色实物图。图5是根据本发明的示范性实施例7制备填充PA的结构颜色在柔性基底PDMS上形成的结构颜色实物照片。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。
熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料的制备方法，其特征是，其制备步骤如下：
步骤1：将去离子水，氨水和无水乙醇按照比例加入到烧瓶中，在常温下以搅拌使之均匀混合，记为A溶液，将正硅酸乙酯与无水乙醇按照比例加入到烧杯中，在常温下以搅拌均匀混合，记为B溶液；
步骤2：在反应温度下将A溶液转速调至高速，将B溶液快速倒进A溶液中，并在高转速下搅拌反应，随后调低转速，继续反应，反应结束后将溶液倒入离心瓶中，使用离心机离心，得到的沉淀即为SiO2微球，使用乙醇将微球离心清洗三次，放入到烘箱中干燥；
步骤3：将合成的SiO2微球分散到乙醇中，超声分散处理，形成均匀的分散液，将纳米TiC分散到乙醇中超声分散形成均匀分散液制备喷涂液，取SiO2分散液和纳米TiC分散液混合超声制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液；
步骤4：将喷涂的目标基底使用乙醇/丙酮清洗，然后把已经制备好的分散液加载到喷枪中，调节参数，对准基材进行喷涂，喷枪喷涂时逐行移动，每个行程与先前喷涂的区域重叠，以确保连续覆盖，重复该步骤若干次，得到非晶光子晶体结构色涂层，该步骤可以通过使用不同粒径的微球来调节制备得到非晶光子晶体结构色涂层结构色涂层的颜色，由于微球粒径不同，导致结构色光子带隙落在可见光区不同的位置，便呈现出不同的颜色，粒径从小到大对应颜色由蓝色红移到到红色。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料的制备方法，其特征是，步骤1中A溶液中氨水用量为11-32mL，去离子水用量为100mL，无水乙醇用量为168-189mL，搅拌速率为700r/min，搅拌时间为20min，B溶液中无水乙醇用量为164mL，正硅酸乙酯用量为36mL，搅拌速率为700r/min，搅拌时间为10min。
3.根据权利要求1所述的一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料的制备方法，其特征是，步骤2中A溶液高转速为1000r/min，高转速下A溶液和B溶液搅拌反应时间为3min，随后调低转速为700r/min，A溶液和B溶液低转速继续反应时间为3h，离心机离心转速为8000r/min，离心时间为30min，烘箱中干燥温度为60℃，干燥时间为3h。
4.根据权利要求1所述的一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料的制备方法，其特征是，步骤3中SiO2微球以质量分数为5％分散到乙醇中，超声分散处理1h，TiC以质量分数为0.1-0.6％分散到乙醇中，超声分散处理2h，称取4g SiO2分散液和2g TiC分散液混合超声0.5h制备均匀SiO2/TiC/乙醇分散液。
5.根据权利要求1所述的一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料的制备方法，其特征是，步骤4中分散液加载到喷嘴尺寸为0.2mm的喷枪中，工作气体为空气，压力为200kPa，喷枪与底物的距离保持在5cm，喷枪喷涂的速度为5cm/s的速度逐行移动。
6.一种基于SiO2/TiC非晶虹彩色颜料，其特征是，由权利要求1-5中任意一种方法制备而成。
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WO2021008981A1 (de) * 2019-07-12 2021-01-21 Merck Patent Gmbh Verwendung von plättchenförmigen effektpigmenten zur erhöhung der infrarot-reflexion eines dunklen oder schwarzen schichtverbundes

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