CN114779502A - 一种响应性持续变色结构件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种响应性持续变色结构件及其制备方法，属于变色器件领域。本发明所述响应性持续变色结构件由于特殊的结构设计，该产品无需引入变色油墨或色漆即可实现多重响应性变色效果，同时不拘束于特定镀层金属层或其结构，可根据外界的刺激进行对应的颜色应答，与外界环境呈现持续交互功能。本发明还公开了所述响应性持续变色结构件的制备方法及其应用。

Description

一种响应性持续变色结构件及其制备方法
技术领域
本发明涉及变色器件领域，具体涉及一种响应性持续变色结构件及其制备方法。
背景技术
现有很多产品原本的质感并不为大众所喜爱(比如塑料)，所以需要借助各种表面处理工艺来改善甚至改变原本材质所带来的原本质感。目前常用的表面处理工艺有模内装饰技术、喷漆、真木、热转印、数码打印、电泳、蒙皮、水转印等。随着信息技术的发展，可以得到更好的表面金属感观且环保的真空电镀工艺受到广泛关注。
除了材质改性，另一种可改善产品的表观质感的方法便是改善产品的色彩，尤其是在汽车领域中，大众越来越喜爱具有变色性能的汽车材质或零部件。对于颜色的变化，现有的汽车产品主要使用的是各种颜色氛围灯产品，通过控制氛围灯的颜色来呈现不同的颜色。
虽然氛围灯可以实现表观变色，但是需要添加氛围灯等设备，结构厚度大，对于真空电镀产品，由于真空电镀产品的透光率较低，颜色氛围效果不明显。现有技术中有将色彩变化与真空电镀相结合，得到渐变色或双色渐变的结构件(例如CN201911329524.4、CN201911379165.3)，减少了变色氛围灯的使用，实现了色彩多样化；但二者实现渐变色的原因都是通过另外增加油墨或者色漆来实现，且油墨或色漆决定后，色彩渐变固定后不会变化，颜色不会对外界环境的变化而变化(即智能变色)，也不具有对外界刺激持续变色的能力。也有一些渐变镀层产品可基于镀层金属的特性而使得产品表面可以变色，但是这些渐变色效果必须依靠特定的渐变镀层金属才能实现，且这些产品对生产时的真空电镀技术以及镀层本身的结构要求极高(需要镀层有较高的透光率)，使用范围较窄。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种响应性持续变色结构件，该产品无需引入变色油墨或色漆即可实现多重响应性变色效果，同时不拘束于特定镀层金属层或其结构，具有一体化结构，可根据外界的刺激进行对应的颜色应答，与外界环境呈现持续交互功能。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种响应性持续变色结构件，自下而上包括变色结构层、环境响应基体层以及镀膜层；所述环境响应基体层为响应性材料，受外界刺激发生体积或相态变化。
本发明所述提供的响应性持续变色结构件中，以响应性材料作为中间的环境响应基体层，当外界出现刺激响应条件时，该材料便会产生相应应答，该层的体积或相态将发生变化，从而带动最上层的镀膜层产生表层变化(无论其是否遮光)，使得光线进入内层(或者进入内层时的光线路径及强度等发生变化)的环境响应基体层及变色结构层，而当光线在变色结构层中进行光反射或干涉时，便可呈现出相应的颜色；随着外界刺激强度的变化或者刺激时间的延长，环境响应基体层的体积或相态发生持续变化或突变，使得光线的反射或干涉效果也进一步改变，最终展现出持续变色的效果。
相比于现有变色色漆/油墨加工产品或渐变色镀层产品具有一体化结构且更多样化的设计，无需再局限于特定的镀层或油墨种类，同时可实现持续的变色效果。
优选地，所述镀膜层为通过气相沉积法沉积得到膜层。
优选地，所述镀膜层的厚度为100～25000nm。
本发明所述响应性持续变色结构件的镀膜层对其种类和厚度并没有严格限制，采用较薄的镀层或透光的镀层时，由于响应性材料的体积或相态变化，镀层会随着响应性材料也发生膜层的破裂，此时便可实现光线射入方式的变化，从而引起变色效果；而采用较厚或者不透光的膜层时，当响应性材料受到刺激牵连镀膜层发生变化时，镀膜层表面存在的微小纳米细纹会变成裂纹，当响应时间越长，裂纹的数目和宽度也会增加，使得光线得以进入内部并改变入射方式，获得持续变色效果。另一方面，为了达到变色的统一协调性，采用气相沉积法可获得质地均一的镀膜层，有利于设计纳米结构的微小细纹，而其技术也可根据实际需求得到多种厚度的产品。
更优选地，所述镀膜层为金属镀膜层、金属氧化物镀膜层、金属氮化物镀膜层中的至少一种。
优选地，所述响应性材料为光响应性材料、热响应性材料、磁响应性材料中的至少一种。
对于环境响应基体层而言，其构成的响应性材料其无论是否透光均可以由于其响应的特性而最终达到持续变色的效果，而由于外界的刺激源多种多样，因此所述响应性材料也可多种选择，而采用多种刺激响应性材料相搭配，还可以使得产品的智能变色效果呈现出多样性。
更优选地，所述光响应材料为聚偶氮苯类聚合物，所述热响应性材料为聚N，N-二甲基丙烯酰胺，所述磁响应材料为含有四氧化三铁的复合聚合物。
优选地，所述环境响应基体层的厚度为1～1000μm。
更优选地，所述环境响应基体层的厚度为100～400μm。
如上所述，环境响应基体层可以选择透明或非透明结构，当选择为透明结构时，通过连续结构便可实现光线的透过和干涉；而选择为非透明结构时，可设计为不连续且具有微小细纹的结构，通过体积的变化实现改变光线入射的方式，而对于上述情况，选择100～400μm的厚度时可使产品呈现出最多样化的变色效果。
优选地，所述变色结构层为复合纳米材料堆积层。
更优选地，所述复合纳米材料堆积层为有机纳米材料堆积层和/或无机纳米材料堆积层。
更优选地，所述复合纳米材料堆积层为纳米聚苯乙烯堆积层、纳米聚甲基丙烯酸甲酯堆积层、纳米二氧化硅堆积层、纳米碳酸钙堆积层中的至少一种。
复合纳米材料堆积层一般由多层上述的纳米尺寸材料堆积而成，其本身的细微结构如纳米球、纳米带等对光线具有良好的反射性，而只需根据实际需要，通过刺激、加工或改性，进而改变这些纳米球或纳米带的排列或球/带间距离便可呈现出不同的反射效果，可用范围显著提升。
优选地，所述复合纳米材料堆积层中的纳米材料的尺寸为1～1000nm，更优选为50～400nm。
优选地，所述变色结构层的厚度为1～100000nm。
更优选地，所述变色结构层的厚度为400～1000nm。
本发明的另一目的在于提供所述响应性持续变色结构件的制备方法，包括以下步骤：
(1)构建环境响应基体层；
(2)在环境响应基体层上表面沉积镀膜层；
(3)在环境响应基体层下表面构建变色结构层，即得所述响应性持续变色结构件。
本发明所述响应性持续变色结构件的制备方法步骤简单，构建各层的方式也可根据实际需要选用不同的方式，可操作性和适应性强，可用于工业规模化生产。
优选地，所述步骤(1)环境响应基体层可通过吹塑、流延或压延构建。
优选地，所述步骤(2)沉积镀膜层时采用真空蒸镀处理、真空溅射电镀处理、真空离子镀处理中的任意一种。
优选地，所述步骤(3)变色结构层可通过3D打印法、沉积法、光刻法、旋涂法构建。
本发明的再一目的在于提供所述响应性持续变色结构件在制备汽车零部件中的应用。
本发明所述响应性持续变色结构件制备工艺适应性强，操作步骤简单，产品依赖特定原料及工艺程度低，可实现智能环境交换变色效果，尤其适用于制备需求响应性变色效果的汽车零部件当中。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种响应性持续变色结构件，由于特殊的结构设计，该产品无需引入变色油墨或色漆即可实现多重响应性变色效果，同时不拘束于特定镀层金属层或其结构，可根据外界的刺激进行对应的颜色应答，与外界环境呈现持续交互功能。本发明还提供了所述响应性持续变色结构件的制备方法及其应用。
附图说明
图1为本发明所述响应性持续变色结构件(环境响应基体层为透明层)在受到外界刺激响应前的结构示意图；其中1为镀膜层，2为环境响应基体层，3为变色结构层；
图2为本发明所述响应性持续变色结构件(环境响应基体层为透明层)在受到外界刺激响应后的结构示意图；其中1为镀膜层，2为环境响应基体层，3为变色结构层；
图3为本发明所述响应性持续变色结构件(环境响应基体层为透明层)在受到外界刺激响应前后的镀膜层表面变化示意图；
图4为本发明所述响应性持续变色结构件(环境响应基体层为非透明层)在受到外界刺激响应前的结构示意图；其中1为镀膜层，2为环境响应基体层，3为变色结构层；
图5为本发明所述响应性持续变色结构件(环境响应基体层为非透明层)在受到外界刺激响应后的结构示意图；其中1为镀膜层，2为环境响应基体层，3为变色结构层。
具体实施方式
若无特别说明，本发明实施例中所用原料均购自市场。
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。
实施例1
一种响应性持续变色结构件及其制备方法的一种实施例，所述方法包括以下步骤：
(1)通过吹塑工艺构建300μm厚度的透明环境响应基体层聚偶氮苯类聚合物膜；将其放置在真空设备的工件架上除尘除静电；
(2)将环境响应基体层置入真空电镀设备中，装入金属蒸发丝，抽真空至8×10- 3Pa，开启电源，清洗环境响应基体层表面杂质的第一阶段电压设置为5±0.5V，时间10±1S，蒸发丝熔融的第二阶段电压设置为6±0.5V，时间6±1S，蒸发丝升华成气态沉积在环境响应基体层表面第三阶段电压设置为7±0.5V，时间6±1S；同时在需要保留图案的区域设置阻镀漆并在60～70℃下干燥2h，最终将电镀沉积好的结构件置入退镀槽中清洗，金属膜厚度约为10000nm；
(3)将步骤(2)所得结构件放置在旋涂基板上(未沉积金属膜面朝上)，以商用500nm粒径的的纳米二氧化硅为原料配制成5wt％的乙醇溶液，滴加在所述结构件上并以3000r/min的转速旋涂成膜，重复10～30次(30s/次)直至涂层均匀且厚度达到约1000nm，转移至加热炉中低温干燥12h，即得所述响应性持续变色结构件。
本实施例所得响应性持续变色结构件为光响应性持续变色结构件，在受到光刺激前如图1所示，由于环境响应基体层是透明响应层，因此在刺激前结构件中的三层结构连接且连续，产品本身呈现一定的颜色，当受到不同光刺激(即光线变化并透入至响应层和变色结构层)时，环境响应基体层开始发生体积微收缩，使得金属膜层本身存在的表面微小细纹如图2所示出现扩张，使得光线入射强度和入射角度均持续发生改变，如图3所示，变色结构层也发射和干涉出不同的颜色，此时产品宏观便会呈现出持续的变色现象。
实施例2
一种响应性持续变色结构件及其制备方法的一种实施例，所述方法包括以下步骤：
(1)以市售厚度为100μm的非透明环境响应基体层含20wt％四氧化三铁的聚丙烯膜层放置在真空设备的工件架上除尘除静电；
(2)将环境响应基体层置入真空电镀设备中，装入金属蒸发丝，抽真空至8×10- 3Pa，开启电源，清洗环境响应基体层表面杂质的第一阶段电压设置为5±0.5V，时间10±1S，蒸发丝熔融的第二阶段电压设置为8±0.5V，时间10±1S，蒸发丝升华成气态沉积在环境响应基体层表面第三阶段电压设置为9±0.5V，时间8±1S；同时在需要保留图案的区域设置阻镀漆并在60～70℃下干燥2h，最终将电镀沉积好的结构件置入退镀槽中清洗，金属膜厚度约为15000nm；
(3)将步骤(2)所得结构件放置在旋涂基板上(未沉积金属膜面朝上)，以商用800nm粒径的的纳米碳酸钙为原料配制成5wt％的乙醇溶液，滴加在所述结构件上并以3000r/min的转速旋涂成膜，重复10～30次(30s/次)直至涂层均匀且厚度达到约500nm，转移至加热炉中低温干燥12h，即得所述响应性持续变色结构件。
本实施例所得响应性持续变色结构件为磁响应性持续变色结构件，在受到磁刺激前如图4所示，由于环境响应基体层是非透明且含有无机材料的响应层，因此在刺激前结构件中的响应层便存在一定的裂纹使得光线可以透过至变色结构层(此时金属膜层也对应存在裂纹)，当受到磁刺激时，环境响应基体层开始发生体积变化，使其自身及上层的金属膜层的裂纹也发生相对扩张(或相对收缩)，使得光线入射强度和入射角度均持续发生改变，如图5所示，变色结构层也发射和干涉出不同的颜色，此时产品宏观便会呈现出持续的变色现象。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种响应性持续变色结构件，其特征在于，自下而上包括变色结构层、环境响应基体层以及镀膜层；所述环境响应基体层为响应性材料，受外界刺激发生体积或相态变化。
2.如权利要求1所述的响应性持续变色结构件，其特征在于，所述镀膜层为通过气相沉积法沉积得到膜层；
优选地，所述镀膜层为金属镀膜层、金属氧化物镀膜层、金属氮化物镀膜层中的至少一种。
3.如权利要求1所述的响应性持续变色结构件，其特征在于，所述镀膜层的厚度为100～25000nm。
4.如权利要求1所述的响应性持续变色结构件，其特征在于，所述响应性材料为光响应性材料、热响应性材料、磁响应性材料中的至少一种。
5.如权利要求4所述的响应性持续变色结构件，其特征在于，所述光响应材料为聚偶氮苯类聚合物，所述热响应性材料为聚N，N-二甲基丙烯酰胺，所述磁响应材料为含有四氧化三铁的复合聚合物。
6.如权利要求1所述的响应性持续变色结构件，其特征在于，所述环境响应基体层的厚度为1～1000μm；
优选地，所述环境响应基体层的厚度为100～400μm。
7.如权利要求1所述的响应性持续变色结构件，其特征在于，所述变色结构层为复合纳米材料堆积层；
优选地，所述复合纳米材料堆积层为有机纳米材料堆积层和/或无机纳米材料堆积层。
8.如权利要求1所述的响应性持续变色结构件，其特征在于，所述变色结构层的厚度为1～100000nm；
优选地，所述变色结构层的厚度为400～1000nm。
9.如权利要求1～8任一项所述响应性持续变色结构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建环境响应基体层；
(2)在环境响应基体层上表面沉积镀膜层；
(3)在环境响应基体层下表面构建变色结构层，即得所述响应性持续变色结构件。
10.如权利要求1～8任一项所述响应性持续变色结构件在制备汽车零部件中的应用。
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