一种高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种结构色薄膜的制备方法，具体涉及一种高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜的制备方法，属于结构色制备技术领域。
背景技术
印刷行业着色的主要途径是通过施加颜料或油墨来产生颜色，颜料、油墨等均是由色素色呈色，在人们日常生活中发挥着巨大作用，但也存在着一些问题，例如，颜料、油墨很难同时获得高亮度和高饱和度，且污染较大，不符合绿色、环保的可持续发展理念。结构色的产生无须颜料和油墨等化学着色剂的存在，由于自然光在材料微观周期性结构中发生衍射、干涉等产生的颜色，具有不褪色、高饱和度和环保等优点。胶体纳米微球自组装(包括重力沉降、垂直沉积、电泳沉积)是构筑有序光子晶体结构的主要手段。但此类方法耗时较长且无法实现光子晶体在纸基表面的大面积批量制备。
为了解决上述结构色光子晶体制备耗时长、难以大面积制备等问题，中国发明专利CN 101327479 B提出了使用喷墨打印方法制备复合带隙胶体光子晶体膜的方法，喷墨打印技术是一种操作简便、价格低廉的非接触印刷技术，此方法易于实现在纸上的大面积制备，但通常情况下，胶体微球很难在快速的喷墨打印过程中完成有序的组装，得到的结构色薄膜的表面不平，饱和度较低，不能满足高饱和度的需求。
中国发明专利CN 110042673 A提出了通过外力诱导(手工刮印、磁棒刮印、手工或机械刮涂等方式)将胶体微球分散液均匀涂覆到织物的表面，快速形成大面积的单晶态光子晶体薄膜结构。该制备方法所配制的液态光子晶体色浆中，纳米微球的体积分数较高，因而已在溶剂中过饱和析出，形成了多晶态的光子晶体结构。相对于纺织基材，纸基材具有韧性差、遇水易变形等特点，所以该专利提供的制备方法并不适用于印刷行业纸基材表面的胶体微球的组装。
中国发明专利CN 110041759提出了通过烫印方法制备光子晶体结构色薄膜，该制备方法是在烫版的高温加热下，光子晶体油墨中热熔树脂呈半熔化的玻璃态，在烫版的巨大压力作用下，油墨中的微球发生重组，其排布由无序变有序。但这种方法所形成的光子晶体结构缺陷较多，很难使微球组装具备高度有序性，从而影响样品的饱和度和明度，印刷效果的一致性与稳定性也不能保证。
因此，研究一种适合于在纸基材表面快速制备大面积高亮度、窄带隙、高附着力结构色薄膜的方法，不仅具有重要的科研价值，而且具有很大的应用价值。
发明内容
本发明提供了一种制备高亮度、窄带隙、高附着力结构色薄膜的方法。利用快速涂布组装的方法在纸基上涂布一定量的胶体晶体微球分散液，得到有序的光子晶体结构，实现纸基表面高亮度、窄带隙、高附着力结构色薄膜的制备。此方法简单、高效，可以实现高亮度、窄带隙结构色薄膜的大面积快速制备。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)选用不同材质的纸基作为承印物，并对纸基进行表面预处理；
(2)配制一定比例胶体晶体微球与透明涂料(清漆)的混合分散液，进行超声分散，使该混合分散液处于均匀分散状态；
(3)将步骤(1)中所述纸基裁剪为合适尺寸后，水平固定于工作台上，取步骤(2)中所述一定体积的混合分散液，滴于纸基上，采用涂膜棒将混合分散液均匀涂布于纸基表面，置于加热台上加热干燥后，得到高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜。
优选地，步骤(1)中所述纸基为激光打标纸、铜版纸、RC相纸或高光相纸中的一种。
优选地，步骤(1)中的纸基为激光打标纸时，所述表面预处理的具体步骤为：
首先，将步骤(1)中的纸基进行等离子体处理，射频功率为100-200W，气体流量为60-150SCCM，处理时间为1-15min；再利用阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对纸基表面进行修饰，使其具有更好的润湿铺展性。
优选地，步骤(1)中的纸基为铜版纸、RC相纸或高光相纸时，所述表面预处理的具体方法为：
首先，将步骤(1)中的铜版纸、RC相纸或高光相纸的表面涂布SM-TM-101F型超疏水涂料或SM-FC-3120型透明高疏水涂料，进行疏水处理，再利用阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)来对纸基表面进行修饰，使其具有更好的润湿铺展性。
优选地，步骤(2)中所述胶体晶体微球为聚苯乙烯、二氧化硅、二氧化钛或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种任意比例的混合。
优选地，步骤(1)中的纸基为高光相纸时，步骤(2)的混合分散液中还包括黑色染料；其量为与透明涂料的体积比为1：1。
优选地，步骤(2)中所述胶体晶体微球的粒径为180-550nm。
优选地，步骤(2)中所述胶体晶体微球分散于去离子水中，形成胶体晶体微球分散液，其质量浓度为0.5-25％。
优选地，步骤(2)中所述超声分散时间为1-10min。
优选地，步骤(2)中所述透明涂料为水性清漆、酯胶清漆、虫胶清漆、酚醛清漆、醇酸清漆、硝基清漆或丙烯酸清漆等。
优选地，步骤(2)中所述透明涂料(清漆)与胶体晶体微球的体积比为1:10以内。
优选地，步骤(3)中所述涂膜棒型号为4号、6号、8号、10号或20号。
优选地，步骤(3)中所述混合分散液的加入体积为1-800μL。
优选地，步骤(3)中所述加热台的温度为40℃-65℃。
优选地，步骤(3)中所述涂膜棒的涂布方式为来回涂布，涂布次数为3-6次。
本发明提供的这种适合于在纸基材表面快速制备大面积高亮度、窄带隙、高附着力结构色涂层的方法，以纸基底材料，通过快速涂布方法在其上组装胶体晶体微球，形成高亮度、窄带隙、高附着力结构色薄膜。和现有技术相比，本发明可实现高亮度、窄带隙、高附着力的结构色薄膜制备，本发明具有适合大面积批量快速制备，成本低廉，绿色环保，适用范围广等诸多优点，不仅具有重要的科研价值，而且具有很大的应用价值。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的结构色薄膜的光学照片图。
图2是本发明实施例1制备的结构色薄膜角分辨反射光谱图(入射角为30度)。
图3是本发明实施例2制备的结构色薄膜的光学照片图。
图4是本发明实施例2制备的结构色薄膜角分辨反射光谱图(入射角为30度)。
具体实施方式
除非特别说明，本发明具体实施方式中用的原料均为市场上可购的通用原料，所用的设备和方法均为本领域现有的通用设备和方法。
本发明的具有高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜的制备方法，选用特定纸基材料，对基质材料进行表面预处理；配制一定粒径和浓度的胶体晶体微球与透明涂料(清漆)的混合分散液，并进行超声分散，使该混合分散液处于均匀分散状态；将预处理后的纸基裁剪为合适尺寸后，水平搁置于工作台上，取一定体积的混合分散液，滴于纸基边缘上，采用一定型号的涂膜棒将分散液均匀涂布于纸基材表面，置于加热台上加热干燥后，得到所需结构色薄膜。本发明可实现高亮度、窄带隙、高附着力的结构色显示。
该方法包括如下具体步骤：
(1)选用不同材质的纸基作为承印物，并对纸基进行表面预处理，具体如下：
1)纸基为激光打标纸时，表面预处理的具体步骤为：
首先，将激光打标纸基质材料，进行等离子体处理，射频功率为100-200W，气体流量为60-150SCCM，处理时间为1-15min，再利用阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)来对基质材料表面进行修饰，使其具有更好的润湿铺展性；
2)纸基为铜版纸、RC相纸或高光相纸时，表面预处理的具体步骤为：
首先，将铜版纸、RC相纸或高光相纸浸泡在SM-TM-101F型超疏水涂料或SM-FC-3120型透明高疏水涂料中进行疏水处理，再利用阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)来对纸基表面进行修饰，使其具有更好的润湿铺展性；
(2)配制一定比例胶体晶体微球与透明涂料(清漆)的混合分散液，进行超声分散，使该混合分散液处于均匀分散状态；胶体晶体微球为聚苯乙烯、二氧化硅、二氧化钛或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种任意比例的混合；胶体晶体微球粒径为180-550nm；胶体晶体微球分散于去离子水中，形成胶体晶体微球分散液，其质量浓度为0.5-25％；超声分散时间为1-10min；透明涂料(清漆)为酯胶清漆、虫胶清漆、酚醛清漆、醇酸清漆、硝基清漆或丙烯酸清漆等；透明涂料(清漆)与胶体晶体微球的体积比为1:10以内；
(3)将步骤(1)中所述纸基裁剪为合适尺寸后，水平固定于工作台上，取步骤(2)中所述一定体积的混合分散液滴于纸基边缘上，采用涂膜棒将混合分散液均匀涂布于纸基表面，置于加热台上加热干燥后，得到高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜，涂膜棒型号为4号、6号、8号、10号、20号；混合分散液的体积为1-800μL；加热台的温度为40℃-65℃；涂膜棒的涂布方式为来回涂布，涂布次数为3-6次。
实施例1
采用快速涂布法制备高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜，该方法的具体步骤包括：
步骤1：选用黑色激光打标纸作为承印物，对黑色激光打标纸进行表面预处理：首先，将黑色激光打标纸进行等离子体处理，射频功率为180W，气体流量为80SCCM，处理时间为7min，再配置质量分数为2％的阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液，取50μL，在等离子体处理后的激光打标纸表面，用涂膜棒涂布一层十二烷基硫酸钠(SDS)，对黑色激光打标纸表面进行修饰，使其具有更好的润湿铺展性；
步骤2：配制2mL粒径250nm、质量浓度为10％的二氧化硅微球分散液，取10μL水性清漆(透明涂料)与二氧化硅微球分散液共混，超声分散3min，使该混合分散液处于均匀分散状态；
步骤3：将步骤1中制备的经过表面预处理的黑色激光打标纸裁剪为10cm2大小，水平固定于工作台上，取步骤2中制备的混合分散液30μL，滴于黑色激光打标纸边缘上，采用10号涂膜棒将该混合分散液均匀涂布于黑色激光打标纸表面，置于加热台上，55℃下加热干燥2min，得到高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜。
观察，该结构色薄膜垂直于直面角度上观察呈现明亮的绿色。
如图1所示，是本发明实施例1制备的结构色薄膜的光学照片图，是在标准观察箱下的光学照片图，可以观察到：二氧化硅微球混合分散液被均匀涂布于黑色激光打标纸上，垂直于纸面方向观察呈现明亮的绿色，且具有较好的一致性和均匀性。
如图2所示，是本发明实施例1制备的结构色薄膜角分辨反射光谱图(入射角为30度)；30°度入射角度时，在其镜面反射方向测得反射光谱，在552nm处有明显反射峰，谱线宽度较窄，且具有很高的光谱反射率，样品呈现绿色。
实施例2
采用快速涂布法制备高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜，该方法的具体步骤包括：
步骤1：选用白色高光相纸作为承印物，对白色高光相纸进行表面预处理：首先，配制质量浓度为2％的SM-FC-3120型透明高疏水涂料，取100μL，涂布于白色高光相纸表面，待其完全干燥后，再配置质量分数为2％的阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液，取80μL，用涂膜棒涂布一层十二烷基硫酸钠(SDS)来对白色高光相纸表面进行修饰，使其具有更好的润湿铺展性；
步骤2：配制1.5mL粒径300nm、质量浓度为10％的二氧化硅微球分散液，取7.5μL水性清漆(透明涂料)以及7.5μL市售黑色染料与二氧化硅微球分散液共混，超声分散2min，使该混合分散液处于均匀分散状态；
步骤3：将步骤1中制备的经过表面预处理的白色高光相纸裁剪为5cm2大小，水平固定于工作台上，取25μL步骤2中制备的混合分散液，滴于白色高光相纸边缘上，采用8号涂膜棒将该混合分散液均匀涂布于白色高光相纸表面，置于加热台上，60℃下加热干燥3min，得到高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜。
观察，该结构色薄膜垂直于直面角度上观察呈现明亮的红色。
如图3所示，是本发明实施例2制备的结构色薄膜的光学照片图，是在标准观察箱下的光学照片图，可以观察到：二氧化硅微球混合分散液被均匀涂布于白色高光相纸上，垂直于纸面方向观察呈现明亮的紫红色，且具有较好的一致性和均匀性。
如图4所示，是本发明实施例2制备的结构色薄膜角分辨反射光谱图(入射角为30度)，30°度入射角度时，在其镜面反射方向测得反射光谱，30°度入射角度时，在其镜面反射方向测得反射光谱，在650nm处有明显反射峰，谱线宽度较窄，且具有很高的光谱反射率，样品呈现红色。
实施例3
采用快速涂布法制备高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜，该方法的具体步骤包括：
步骤1：选用黑色激光打标纸作为承印物，对黑色激光打标纸进行表面预处理：首先，将黑色激光打标纸进行等离子体处理，射频功率为180W，气体流量为80SCCM，处理时间为7min，再配置质量分数为2％的阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液，取50μL，在等离子体处理后的激光打标纸表面，用涂膜棒涂布一层十二烷基硫酸钠(SDS)，对黑色激光打标纸表面进行修饰，使其具有更好的润湿铺展性；
步骤2：配制2mL粒径250nm、质量浓度为10％的聚苯乙烯、二氧化钛或聚甲基丙烯酸甲酯微球分散液，取10μL水性清漆(透明涂料)与聚苯乙烯、二氧化钛或聚甲基丙烯酸甲酯微球分散液共混，超声分散3min，使该混合分散液处于均匀分散状态；
步骤3：将步骤1中制备的经过表面预处理的黑色激光打标纸裁剪为10cm2大小，水平固定于工作台上，取步骤2中制备的混合分散液30μL，滴于黑色激光打标纸边缘上，采用10号涂膜棒将该混合分散液均匀涂布于黑色激光打标纸表面，置于加热台上，55℃下加热干燥2min，得到高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜。
实施例4
采用快速涂布法制备高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜，该方法的具体步骤包括：
步骤1：选用黑色激光打标纸作为承印物，对黑色激光打标纸进行表面预处理：首先，将黑色激光打标纸进行等离子体处理，射频功率为180W，气体流量为80SCCM，处理时间为7min，再配置质量分数为2％的阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液，取50μL，在等离子体处理后的激光打标纸表面，用涂膜棒涂布一层十二烷基硫酸钠(SDS)，对黑色激光打标纸表面进行修饰，使其具有更好的润湿铺展性；
步骤2：配制2mL粒径250nm、质量浓度为10％的二氧化硅微球分散液，取10μL酯胶清漆、虫胶清漆、酚醛清漆、醇酸清漆、硝基清漆或丙烯酸清漆与二氧化硅微球分散液共混，超声分散3min，使该混合分散液处于均匀分散状态；
步骤3：将步骤1中制备的经过表面预处理的黑色激光打标纸裁剪为10cm2大小，水平固定于工作台上，取步骤2中制备的混合分散液30μL，滴于黑色激光打标纸边缘上，采用10号涂膜棒将该混合分散液均匀涂布于黑色激光打标纸表面，置于加热台上，55℃下加热干燥2min，得到高亮度窄带隙高附着力结构色薄膜。
由以上实施例可知，本发明可实现高亮度、窄带隙、高附着力的结构色显示，不仅具有重要的科研价值，而且具有很大的应用价值。
以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，但并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
