CN114380515B - 一种具有渐变或幻彩效果的结构色薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有渐变或幻彩效果的结构色薄膜及其制备方法，该制备方法采用含有微球的结构色浆料通过喷涂、刮涂、狭缝涂布、辊对辊挤压式涂布、旋涂、线棒、压膜、模板成膜、滚涂、流延、丝印、压印、凹版印刷、凸版印刷的方式成膜，使其位于产品的夹层或产品的内层。采用本发明的技术方案，成功的对结构色薄膜进行了应用，将其用于产品的内部或夹层中，实现渐变或幻彩效果。通过将含硅微球的结构色浆料通过辊压涂布的方式，使微球在辊压过程中进行自组装，然后将上述技术与纳米压印技术相结合，实现特殊的、极佳的光学效果和极具震撼力的显色效果，极大地推动结构色薄膜更为广泛的应用，满足人们对高端显色效果的追求。
Description
技术领域
本发明属于结构色薄膜技术领域，尤其涉及一种具有渐变或幻彩效果的结构色薄膜及其制备方法。
背景技术
随着微纳米光子技术蓬勃发展，光子晶体结构色凭借其独有的周期性排列几何结构与自然光相互作用，成为一种无需色素、无需染色技术、全新的物理色，并具有饱和度高、永不退色、颜色可控及环保节能的优点，这是传统染色方法所无法媲美的。光子晶体结构色因其价格低廉、雾度低、高透过率及无毒环保等特点，受到了众多科研学者的热切关注。然而，在光子晶体结构中，硬质微球结构单元之间、微球与基材间通常因为作用力比较弱，导致光子晶体结构的稳定很差，因而极易遭到外部作用力破坏，使得结构色消失。因此，如何极大提高自组装光子晶体结构的稳定性以及与基材之间的附着力，已成为结构生色研究领域的关键和热点问题。
近年来，为了提高光子晶体结构色薄膜的稳定性和力学性能，研究者们进行了大量的研究工作，主要集中在如下两个方面：（1）通过化学改性增加微球基元间的化学键交联度，虽提高了其光子晶体结构的稳定性，但其化学键共价结合只发生于胶体纳米微球间的点接触处，无法大幅度提高其结构稳定性（Liu P, Chen J, Zhang Z, et al. Nanoscale,2018, 10(8): 3673-3679）；（2）在光子晶体组装体空腔中，采用填充弹性聚合物或热塑性聚合物对光子晶体结构中的基元微球进行锚定及封装，虽极大解决了光子晶体的结构稳定性，但因其填充树脂折射率与硅球折射率相近，降低了其饱和度，且在填充树脂时，易破坏其结构（Wang X, Li Y, Zhao Q, et al. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021,13(16): 19221-19229）。因此，如何制备具有优异的、综合性质（稳定性好、色彩饱和度高、耐酸碱性、力学性能优异等）的结构色薄膜，仍然是一项极具挑战性的工作。此外，实现结构色薄膜的大面积制备是其能否实现大规模应用的另一个关键，也亟待解决。
与此同时，结构色薄膜还需要更好地满足人们日益增长的艺术性、个性化、时尚化产品需求。某些公司凭借“自上而下”纳米技术设计制备了具有幻彩效果的手机，为众多追求个性化、时尚化客户的喜爱。这种制备技术虽然具有很好的应用价值及光学效果，但光谱色渐变区难以精确把控，需时刻调整溅射内部的修正板来控制玻璃不同区域的光学厚度，这降低了生产效率且容易导致良率下降，推高生产成本。此外还存在一定的技术限制(如结构必须大于100纳米等)、难于制备禁带在可见光范围内等缺陷，阻碍了它们在更多场景下的应用。因此，如何高效、快速制备多功能化且具有美轮美奂光学效果的结构色薄膜成为了亟待解决的另一个重要的技术难题。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种具有渐变或幻彩效果的结构色薄膜及其制备方法，实现特殊的、极佳的光学效果，给色彩领域带来重要变化。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种具有渐变或幻彩效果的结构色产品的制备方法，其采用含有微球的结构色浆料通过喷涂、刮涂、狭缝涂布、辊对辊挤压式涂布、旋涂、线棒、压膜、模板成膜、滚涂、流延、丝印、压印、凹版印刷、凸版印刷的方式成膜，使其位于产品的夹层或产品的内层。
作为本发明的进一步改进，所述的具有渐变或幻彩效果的结构色产品的制备方法，其包括：
步骤S1：采用结构色浆料在基材上制备具有角度依赖的结构色薄膜；
步骤S2：在带有微纳米结构的模具上涂一层光刻胶，再通过UV转印工艺对结构色薄膜的表面进行成型，经过固化获得具有微纳米结构的结构色薄膜；
步骤S3：在上述具有微纳米结构的结构色薄膜的表面丝印黑色油墨，固化后得到幻彩半成品光学薄膜；
步骤S4：将幻彩半成品光学薄膜的表面成型透明层，得到幻彩光学薄膜产品。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，其中微纳米结构的内部间距或纹距为10-70μm。优选的，所述微纳米结构的内部间距或纹距为20-60μm。进一步优选的，所述微纳米结构的内部间距或纹距为40-60μm。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，采用纳米压印的方式制备带有微纳米结构的模具；所述微纳米结构为锯齿状、网格状、圆波状、菱波状或方波状。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，采用辊压涂布的方式成型结构色薄膜，所述辊压涂布的辊速为3-50 r/min。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述结构色浆料的成分及其质量百分比为：含硅微球0.1%-90%，有机物3-90%，添加剂0-30%，溶剂0.001~95%。
其中，所述含硅微球为二氧化硅微球、氢氧化硅微球、羟基氧化硅微球、无机物或聚合物球表面包覆有含硅物质的复合微球、含硅物质的表面包覆有无机物或聚合物的复合微球；
所述有机物为小分子有机物、低聚物、高分子有机物中的一种或多种；
所述添加剂包括引发剂、修饰剂、防沉剂、流平剂、消泡剂中的一种或多种；
所述溶剂为水、或者有机溶剂、或者二者的混合液。
作为本发明的进一步改进，所述含硅微球的粒径为120~1000 nm；优选的，所述含硅微球的直径为180nm-300nm。
作为本发明的进一步改进，所述结构色浆料的成分及其质量百分比为：含硅微球30%-50%，添加剂0.1%-1%，溶剂为50%-70%。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，将含硅微球、有机物及添加剂通过加热到60-80℃，搅拌速度为300-600 r/min，组装时间为90 min，得到结构色浆料。
本发明还公开了一种具有渐变或幻彩效果的结构色产品，其采用如上任意一项所述的具有渐变或幻彩效果的结构色产品的制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，成功的对结构色薄膜进行了应用，将其用于产品的内部或夹层中，实现渐变或幻彩效果。通过将含硅微球的结构色浆料通过辊压涂布的方式，使微球在辊压过程中进行自组装，得到具有稳定性好、色彩饱和度高、耐酸碱性、力学性能优异等又具有渐变或幻彩效果的结构色薄膜，而且可快速、可大面积制备；将上述技术与纳米压印技术相结合，实现特殊的、极佳的光学效果和极具震撼力的显色效果，极大地推动结构色薄膜更为广泛的应用，满足人们对高端显色效果的追求。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构色浆料的自组装过程的示意图。
图2是本发明实施例1的结构色薄膜是否处于产品夹层或内层的状态对比示意图；其中（a）为结构色薄膜处于产品夹层或内层，（b）为结构色薄膜处于无产品夹层或内层。
图3是本发明实施例1的结构色薄膜位于不同产品内层的示意图，其中（a）为位于平面内层，（b）为位于曲面内层。
图4是本发明实施例1的结构色薄膜位于不同产品夹层的示意图，其中（a）为位于平面夹层，（b）为位于曲面夹层。
图5是本发明实施例2的结构色薄膜与压印技术结合应用的示意图。
图6是本发明实施例2的模具的微纳米结构示意图。
图7是本发明实施例2的结构色薄膜与纳米压印结构色薄膜的对比图，其中（a）为结构色薄膜，（b）为纳米压印结构色薄膜。
图8是本发明对比例1的辊速为55 r/min得到的结构色薄膜的图片。
图9是本发明对比例2的微纳米结构的间距为100μm得到的纳米压印结构色薄膜的图片，其中（a）为模具上的微纳米结构，（b）为得到的带有微纳米结构的结构色薄膜。
其中附图标记包括：1-透明光学层，2-结构色薄膜层，3-基材层。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1
一种具有炫彩色彩的结构色产品的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1，通过液相合成法制备含硅微球，然后采取溶剂离心、过滤纯化，得到纯化SiO2微球溶液，然后再将40%纯化后的SiO2微球、20%树脂（甲基丙烯酸羟乙酯及乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯）、0.5%添加剂（聚苯乙烯磺酸钠及2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮）、39.5%溶剂乙醇均匀搅拌后，再采用在60°下，搅拌速度为300 r/min，蒸发自组装法制备得到前驱结构色浆料，然后再将前驱结构色浆料通过真空搅拌机高速搅拌，固化得到颜色分布均匀的SiO2结构色浆料。
步骤S2，将结构色浆料成膜在产品内层，如图3所示，在产品的表面成型结构色薄膜2，然后表面成型透明光学层1，使结构色薄膜2位于产品的内层；也可以居于产品的夹层，如图4所示，在产品的表面有一层基材薄膜层3，在其上成型结构色薄膜2，然后表面成型透明光学层1，使结构色薄膜2位于产品的夹层。其中的结构色薄膜的色彩绿、蓝、紫相间，具有渐变或幻彩效果。
其中透明光学层1在内层和夹层结构具有以下作用：1、光学薄膜层具有耐老化、耐水、防尘、耐酸碱、耐高温、耐摩擦、透明度99%、等优势；2、在夹层和内层结构中，结构色薄膜厚度精确可调（误差不超过±3 μm）； 3、在夹层和内层结构中，透明光学层具有毛细应力诱导的作用，有利于光子晶体结构的组装，进而提高整个薄膜的光学性能。
具体而言，结构色薄膜的成型可以通过喷涂、刮涂、狭缝涂布、辊对辊挤压式涂布、旋涂、线棒、压膜、模板成膜、滚涂、流延、丝印、压印、凹版印刷、凸版印刷等方式成膜；可以单独成膜，也可以与其它材料结合得到复合膜；所得的膜具有颜色，可以是角度依赖的，也可以是非角度依赖的。
图2是结构色薄膜处于产品夹层或内层的状态与结构色薄膜处无夹层或内层的状态的示意图，可见图2（a）具有幻彩的结构色，而图2（b）会出现白色。
实施例2
一种具有渐变或幻彩效果的结构色产品，其包括如此步骤：
步骤S1，通过液相合成法制备含硅微球，然后采取溶剂离心、过滤纯化，得到纯化微球溶液；将纯化后的微球溶液、树脂、添加剂按照一定比例均匀搅拌后，再采用蒸发自组装法制备得到前驱结构色浆料，然后再将前驱结构色浆料通过真空搅拌机高速搅拌，固化得到颜色分布均匀的结构色浆料。
所述结构色浆料的成分及其质量百分比为：含硅微球50%，添加剂1%，溶剂为49%。所述含硅微球为二氧化硅微球；所述有机物为小分子有机物（分子量最小为62，比如乙二醇）、低聚物、高分子有机物中的一种或多种；所述添加剂包括引发剂、修饰剂、防沉剂、流平剂、消泡剂中的一种或多种；所述溶剂为水。所述含硅微球的粒径为180nm-300nm。
步骤S2，将结构色浆料在基材上通过辊压涂布的方式成膜，其中最高辊速不超过为50 r/min，压辊为硬辊或软辊，等结构色浆料固化后，得到结构色薄膜。
步骤S3，如图5所示，通过纳米压印的方式制备具有特殊间距的微纳米结构图案的模具（图5中为球状微纳米结构微透镜光栅），其中微纳米结构的内部间距或纹距为50±10μm，如图6所示；在模具刷涂一层光刻胶，再通过纳米压印工艺在结构色薄膜的表面成型，经过紫外固化获得具有微观图形结构的结构色薄膜。
步骤S4，在对具有微观图形结构的结构色薄膜的表面进行表面丝印黑色油墨层；干燥烘干得到具有红、黄、绿偏振光的幻彩半成品光学薄膜，其中幻彩半成品光学薄膜（如图7（b）所示）具有普通结构色（如图7（a）所示）所不具有的偏振结构色，即从入射光方向观察薄膜时，能观察到虽角度变化的全色系结构色彩（彩虹色彩）；
步骤S5，将幻彩半成品光学薄膜进行纳米喷漆工序，放置到喷涂设备上进行纳米喷漆，然后自然晾干、烘干、热固化或光固化成一层透明层，得到成品具有偏振幻彩光学薄膜。
对比例1
在实施例1的基础上，本对比例中辊压涂布的辊速为55 r/min，其他步骤同实施例1，经过成膜、固化等工艺后，得到的结构色膜的图片如图8所示，可见，得到的薄膜具有不均匀、且有明显的条纹。
对比例2
在实施例2的基础上，本对比例中，纳米压印的方式制备的微纳米结构中内部间距或纹距为100μm，其他步骤与实施例2相同，得到的结构色薄膜如图9所示，可见，采用该对比例得到的结构色薄膜颜色并不能呈现幻彩效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种具有渐变或幻彩效果的结构色产品的制备方法，其特征在于：
所述制备方法包括：
步骤S1：采用结构色浆料在基材上制备具有角度依赖的结构色薄膜；
步骤S2：在带有微纳米结构的模具上涂一层光刻胶，再通过UV转印工艺对结构色薄膜的表面进行成型，经过固化获得具有微纳米结构的结构色薄膜；
步骤S3：在上述具有微纳米结构的结构色薄膜的表面丝印黑色油墨，固化后得到幻彩半成品光学薄膜；
步骤S4：将幻彩半成品光学薄膜的表面成型透明层，得到幻彩光学薄膜产品；步骤S1中，采用辊压涂布的方式成型结构色薄膜，所述辊压涂布的辊速为3-50 r/min；步骤S2中，其中微纳米结构的内部间距或纹距为10-70μm。
2.根据权利要求1所述的具有渐变或幻彩效果的结构色产品的制备方法，其特征在于：步骤S2中，采用纳米压印的方式制备带有微纳米结构的模具；所述微纳米结构为锯齿状、网格状、圆波状、菱波状或方波状。
3.根据权利要求1所述的具有渐变或幻彩效果的结构色产品的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述结构色浆料的成分及其质量百分比为：含硅微球0.1%-90%，有机物3-90%，添加剂0-30%，溶剂0.001~95%；
所述含硅微球为二氧化硅微球、氢氧化硅微球、羟基氧化硅微球、无机物或聚合物球表面包覆有含硅物质的复合微球、含硅物质的表面包覆有无机物或聚合物的复合微球；
所述含硅微球的粒径为120~1000 nm；
所述有机物为小分子有机物、低聚物、高分子有机物中的一种或多种；
所述添加剂包括引发剂、修饰剂、防沉剂、流平剂、消泡剂中的一种或多种；
所述溶剂为水、或者有机溶剂、或者二者的混合液。
4. 根据权利要求3所述的具有渐变或幻彩效果的结构色产品的制备方法，其特征在于：步骤S1中，将含硅微球、有机物及添加剂通过加热到 60-80℃，搅拌速度为300-600 r/min，组装时间为90 min，得到结构色浆料。
5.根据权利要求4所述的具有渐变或幻彩效果的结构色产品的制备方法，其特征在于：所述含硅微球的直径为180nm-300nm。
6.一种具有渐变或幻彩效果的结构色产品，其特征在于：其采用如权利要求1~5任意一项所述的具有渐变或幻彩效果的结构色产品的制备方法制备得到。
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