CN114164483B - 一种微气泡驱动的光子颜料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微气泡驱动的光子颜料的制备方法，属于材料领域。一种微气泡驱动的光子颜料的制备方法，利用纳米粒子在平整基材表面制备彩色光子晶体薄膜；将所得薄膜连同基材一并浸入一定浓度酸或碱溶液中，基材与酸或碱反应产生微气泡，光子晶体薄膜表面产生褶皱和裂痕；然后将基材和光子晶体一并取出，置入水中，使光子晶体与基材分离，得到分散的彩色微片，即为光子颜料。这种方法利用基材和光子晶体间形成的微气泡的冲击力，将在平整基材上组装得到的光子晶体结构色薄膜碎片化，并脱离基材束缚，形成结构色微片。

Description

一种微气泡驱动的光子颜料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种微气泡驱动的光子颜料的制备方法，属于材料领域。
背景技术
光子晶体是一种具有光子带隙特性的周期性电介质结构，当光子带隙落于可见光区就会产生人眼可见的颜色，即结构色。相比于色素色，光子晶体结构色具有更高的色彩饱和度和亮度，但结构色的应用往往受限于基材，这是因为只有在平整的基材上才能形成高度有序排列的光子晶体结构，从而得到亮丽的结构色。因而结构色往往不能像染、颜料一样方便地进行大规模涂装。
发明内容
为解决结构色不能大规模涂装的问题，本发明提供一种制备微米级光子晶体颜料的方法。
本发明提供一种制备微米级光子晶体颜料的方法，这种方法利用基材和光子晶体间形成的微气泡的冲击力，将在平整基材上组装得到的光子晶体结构色薄膜碎片化，并脱离基材束缚，形成结构色碎片。这种方法既可以兼顾结构色尺寸，方便后续应用，也有利于保持光子晶体的结构有序性和颜色饱和度。因此，制备的结构色微片有望作为一种新型光子颜料使用。
一种微气泡驱动的光子颜料的制备方法，利用纳米粒子在平整基材表面制备光子晶体薄膜；将所得光子晶体薄膜连同基材一并浸入一定浓度的酸或碱溶液中，基材与酸或碱反应产生微气泡，使光子晶体薄膜表面产生褶皱和裂痕；然后将基材和光子晶体一并取出，置入水中，使光子晶体与基材分离，得到分散的彩色碎片，即为光子颜料。
上述技术方案中，所述光子晶体薄膜按下述方法制得：利用纳米粒子分散液在平整基材上交替组装3～15次两种不同折射率的纳米材料，每次组装后都将基材放在50～160℃加热板上加热1～30分钟，得到具有亮丽颜色的多层光子晶体薄膜，其中，所述纳米粒子的尺寸为10～80nm；所述光子晶体每层的厚度为40～200nm；所述组装方法为浸涂、喷涂或旋涂。
上述技术方案中，利用现有技术公开的浸涂、喷涂或旋涂的方式在基材上组装纳米粒子层。用于制备光子晶体薄膜的材料必须以纳米微粒的形态存在于溶剂中形成均匀的分散剂，溶剂可为水、水醇混合液等。
上述技术方案中，所述平整基材为硅、玻璃、石英、锌或铁基材。优选地，所述平整基材为硅片、玻璃片、石英片、锌片或铁片。
上述技术方案中，所述酸为盐酸、磷酸、醋酸或氢氟酸；所述碱为氢氧化钠。
进一步地，所述酸溶液的浓度为1％～15wt.％，所述碱溶液的浓度为1％～20wt.％。
上述技术方案中，所述纳米粒子包括但不限于氧化钛、氧化锆、氧化锡、氧化硅、炭黑、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚(苯乙烯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酰胺-N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)、聚氨酯纳米粒子。
上述技术方案中，所述酸或碱及其浓度的选择与的基材的选择有关，以两者能够反应为准并产生足够的气泡为准；同时，所述酸或碱及其浓度的确定也与光子晶体层选用的纳米粒子有关，优选酸或碱不与光子晶体层纳米材料反应，或两者产生较为微弱的反应，该反应不影响光子晶体的颜色特性。
上述技术方案中，优选将光子晶体薄膜放入浓度为1～15wt.％的酸或浓度为1～20wt.％的碱溶液中，浸泡1～30分钟，基材与酸或碱反应产生微气泡，气体逸出，光子晶体薄膜表面产生褶皱和裂痕。
上述技术方案中，优选将光子晶体膜取出，放入水中，扰动溶液或振荡基材，基材与光子晶体碎片分离；取出基材，光子晶体碎片分散在溶液中，形成尺寸在10～200μm的光子颜料分散液，去除溶液，得到光子颜料。
本发明的有益效果为：本发明提供一种制备微米级光子晶体颜料的方法，这种方法利用基材和光子晶体间形成的微气泡的冲击力，将在平整基材上组装得到的光子晶体结构色薄膜碎片化，并脱离基材束缚，形成结构色微片。这种方法既可以兼顾结构色尺寸，方便后续应用，也有利于保持光子晶体的结构有序性和颜色饱和度。因此，制备的结构色微粒有望作为一种新型光子颜料使用。
附图说明
图1为实施例1步骤(3)所得的光子颜料截面的扫描电镜图。
图2为实施例1步骤(3)所得的光子颜料的扫描电镜图。
图3为实施例1步骤(3)所得的光子颜料水分散液的数码照片(蓝色)。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
具体实施方式：
一种微气泡驱动的光子颜料的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)在平整基材上交替组装3～15次两种折射率不同的纳米材料，每次组装结束后都将基材放在50～160℃加热板上加热1～30分钟，最终得到具有亮丽颜色的光子晶体薄膜，其中，
所述纳米材料的尺寸为10～80nm；所述光子晶体每层的厚度为40～200nm；所述组装方法可以是浸涂、喷涂或旋涂。
(2)将光子晶体薄膜放入一定浓度的酸或碱溶液中，浸泡1～30分钟。基材与酸或碱反应产生气泡，气体逸出，光子晶体薄膜表面形成大量细小裂纹。
(3)将上述光子晶体取出，放入水中，扰动溶液或振荡基材，基材和光子晶体碎片分离。取出基材，光子晶体碎片分散在溶液中，形成尺寸在10～200μm之间的光子颜料分散液。
(4)通过过滤、蒸发等方式去除水溶液，得到光子颜料。
所述平整基材可以是硅、玻璃、石英、锌或铁基材。
所述酸可以是稀盐酸、稀磷酸、醋酸或氢氟酸；碱可以是氢氧化钠。
所述用于制备光子晶体薄膜的材料必须以纳米微粒的形态存在于水溶液或水-醇混合溶液中。
所述用于制备光子晶体的纳米材料可以是有机聚合物，包括聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚(苯乙烯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酰胺-N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)、聚氨酯；也可以是无机物，包括氧化钛、氧化锆、氧化锡、氧化硅或炭黑。
实施例1
(1)将平均粒径为55nm的聚(苯乙烯-丙烯酸)用去离子水分散到质量分数为2.4％。
取平均粒径为50nm的氧化钛粉末，将其分散在水和乙醇体积比为1:1的混合溶液中，得到质量分数为2％的氧化钛分散液。
将聚合物和氧化钛交替旋涂到石英片基材上，分别旋涂3次，得到具有亮丽颜色的光子晶体薄膜。每次旋涂结束，都要在温度为80℃的加热板上加热5分钟。
(2)将组装有光子晶体薄膜的石英片基材放入质量分数为2％的氢氟酸溶液中，浸泡5分钟，产生气泡，气体逸出，光子晶体薄膜表面形成大量细小裂纹。
(3)将上述光子晶体和石英基材一并取出，放入水中，振荡基材，基材和光子晶体碎片分离。取出基材，光子晶体碎片分散在溶液中，形成尺寸在10～200μm之间的光子颜料分散液，过滤、干燥得到光子颜料。图1给出了光子颜料微观截面形貌，可见其保持了良好的多层结构；图2给出了光子颜料表面形貌；图3为其分散液数码照片，可见分散的蓝色微片。
实施例2
将实施例1步骤(1)中石英基材换成玻璃基材，其它步骤不变。
实施例3～7
将实施例1步骤(1)中的聚(苯乙烯-丙烯酸)换成聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚(甲基丙烯酸甲酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酰胺-N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)、聚氨酯，其它步骤不变。
实施例8
(1)将平均粒径为55nm的聚(苯乙烯-丙烯酸)用去离子水分散到质量分数为2.4％。
取平均粒径为50nm的氧化钛粉末，将其分散在水和乙醇体积比为1:1的混合溶液中，得到质量分数为2％的氧化钛分散液。
将聚合物和氧化钛交替旋涂到硅基底上，分别旋涂3次，得到具有亮丽颜色的光子晶体薄膜。每次旋涂结束，都要在温度为80℃的加热板上加热5分钟。
(2)将组装有光子晶体薄膜的硅片放入质量分数为20％的氢氧化钠溶液中，浸泡10分钟，反应产生气泡，气体逸出，光子晶体薄膜表面形成大量细小裂纹。
(3)将上述光子晶体和硅片一并取出，放入水中，扰动溶液或振荡硅片，硅片和光子晶体碎片分离。取出硅片，光子晶体碎片分散在溶液中，形成尺寸在10～200μm之间的光子颜料分散液，过滤、干燥得到光子颜料。
实施例9～10
将实施例8步骤(1)中硅基材换成锌片和铁片基材，其它步骤不变。
实施例11
(1)将平均粒径为20nm的氧化硅用去离子水分散，得到质量分数为10％的分散液。
取平均粒径为50nm的氧化钛粉末，将其分散在水和乙醇体积比为1:1的混合溶液中，得到质量分数为2％的氧化钛分散液。
将氧化硅和氧化钛交替旋涂到锌片基材上，分别旋涂3次，得到具有亮丽颜色的光子晶体薄膜。每次旋涂结束，都要在温度为100℃的加热板上加热5分钟。
(2)将组装有光子晶体薄膜的锌片放入质量分数为4％的盐酸溶液中，浸泡10分钟，产生气泡，气体逸出，光子晶体薄膜表面形成大量细小裂纹。
(3)将上述光子晶体取出，放入水中，扰动溶液或振荡锌片，锌片和光子晶体碎片分离。取出锌片，光子晶体碎片分散在溶液中，形成尺寸在10～200μm之间的一维光子颜料分散液，过滤、干燥得到光子颜料。
实施例12
将实施例11步骤(1)中锌片基材换成铁片基材，其它步骤不变。
实施例13～14
将实施例11步骤(2)中盐酸换成磷酸或醋酸，其它步骤不变。

Claims (7)

1.一种微气泡驱动的光子颜料的制备方法，其特征在于：利用纳米粒子在平整基材表面制备彩色光子晶体薄膜；将所得薄膜连同基材一并浸入一定浓度酸或碱溶液中，基材与酸或碱反应产生微气泡，光子晶体薄膜表面产生褶皱和裂痕；然后将基材和光子晶体一并取出，置入水中，使光子晶体与基材分离，得到分散的彩色微片，即为光子颜料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光子晶体薄膜按下述方法制得：利用纳米粒子分散液在平整基材上交替组装3～15次两种不同折射率的纳米材料，每次组装后都将基材放在50～160℃加热板上加热1～30分钟，得到具有亮丽颜色的多层光子晶体薄膜，其中，所述纳米粒子的尺寸为10～80nm；所述光子晶体每层的厚度为40～200nm；所述组装方法为浸涂、喷涂或旋涂。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述平整基材为硅、玻璃、石英、锌或铁基材。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述酸为盐酸、磷酸、醋酸或氢氟酸；所述碱为氢氧化钠。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纳米粒子为氧化钛、氧化锆、氧化锡、氧化硅、炭黑、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚(苯乙烯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸甲酯-乙二醇二甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酰胺-N,N'-亚甲基双丙烯酰胺)或聚氨酯纳米粒子。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将光子晶体薄膜放入浓度为1～15wt.％的酸或浓度为1～20wt.％的碱溶液中，浸泡1～30分钟，基材与酸或碱反应产生微气泡，气体逸出，光子晶体薄膜表面产生褶皱和裂痕。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：将光子晶体膜取出，放入水中，扰动溶液或振荡基材，基材与光子晶体碎片分离；取出基材，光子晶体碎片分散在溶液中，形成尺寸在10～200μm的光子颜料分散液，过滤得到光子颜料微片。
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