[发明专利]一种具有结构颜色膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属化工、材料及光学领域，涉及一种具有结构颜色膜材料。更具体地，本 发明涉及一种大面积使用的结构颜色膜材料，它包含水性无机纳米粒子、单分散聚合 物乳液和非必需助剂。本发明还涉及所述的具有结构颜色膜材料的制备方法和应用。

背景技术

自然界产生颜色的主要途径是色素，而结构颜色(Structural Color)的产生却 无须任何色素，它是由自然光与波长尺度相似的微结构相互作用而产生的颜色。自然 界存在的结构颜色例子如彩虹色的天然蛋白石、孔雀羽毛、昆虫、海生物等的颜色， 主要用于动物的自身保护、吸引同类注意、发出警告信号及调节体温等。模仿自然界 中结构显色机制，制备具有三维有序的周期性排列材料，由于布拉格(Bragg)衍射， 当反射光处于可见光波段时，就会呈现鲜艳的结构颜色，通过控制材料的周期性尺度 大小，可以对颜色进行调节。

光子晶体是由周期性介电结构或者他们的反向结构在二维或三维方向上有序排列 构成的。周期性介电材料所表现出的对光子很强的衍射效应，非常相似于电子在硅半 导体中所遇到的情况，既电磁波或光子的传播被阻挡了。在1987年Yablonovitch和 John发表了周期性介电结构能够表现出光学性质之后，科学家对设计和制备新的光子 晶体产生了很大的兴趣。光子晶体的一个有趣的应用就是它的结构性颜色，结构性颜 色亮度高、饱和度高、彩虹色和永不退色，人们有可能设计光子晶体产生不同的的颜 色应用于仿生材料、装饰材料、印刷材料、色彩显示材料、滤波材料、个人护理品材 料、织物纤维材料、涂层材料、防伪材料、光学传感器材料、光电转换材料等。

迄今为止，有研究公开了若干方法用于制备光子晶体，包括胶体自组装方法和结合 了多种刻蚀方法的光、电子流印刷法等，其中最常用的方法就是胶体自组装方法。采 用胶体自组装方法，单分散的胶体被承载于基材上干燥，形成周期性结构排列，现有 技术的自组装方法，分别利用电子力、气体或液体的流动、重力作用、电化学作用或 者毛细管作用。但，所述的方法存在很大的缺陷，例如，制备单分散胶体困难且费时， 难于获得在可见光范围的单分散胶体，不能获得结构颜色；另外，该方法得到的光子 晶体强度很低，甚至简单的触摸都能破坏它的结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、操作方便、可常温固化成膜、可大面积使用 的具有结构颜色膜材料。

本发明尤其提供一种无须任何色素，由自然光与波长尺度相似的微结构相互作用 而产生的结构颜色膜材料及其制备方法。

本发明还提供一种成膜后可形成平整、致密的结构颜色膜材料及其制备方法。

本发明还提供一种水性纳米复合乳液在水分挥发后自组装形成的三维有序排列形 成的结构颜色膜材料。

本发明还提供一种可大面积使用的结构颜色膜材料及其制备方法。

本发明还提供一种可常温固化成膜的结构颜色膜材料及其制备方法。

本发明还提供一种环保型结构颜色膜材料及其制备方法。

本发明还提供一种具有良好附着力和高强度的结构颜色膜材料及其制备方法。

本发明还提供一种将无机纳米粒子采用原位聚合法或共混法与聚合物乳液复合， 制备纳米复合乳液，无机纳米粒子吸附在聚合物表面，通过自组装产生结构颜色的结 构颜色膜材料及其制备方法。

本发明还提供一种结构颜色膜材料应用范围及其应用方法。

水性无机纳米粒子表面带有大量羟基或亲水性基团，利用亲水性无机纳米粒子与 带功能基团的聚合物乳胶球表面的化学键结合、氢键作用、正负电荷吸附或静电作用 力，亲水性无机纳米粒子吸附在聚合物乳胶球表面。

本发明采用原位聚合方法或共混方法，将水性无机纳米粒子与单分散水性聚合物 乳液复合，得到纳米复合乳液。将纳米复合乳液涂敷在平整的基材表面，水分挥发形 成三维有序纳米结构，由于自然光波长与该纳米周期性结构相互作用，产生结构颜色， 制得具有结构颜色膜材料。本发明采用原位聚合法或共混法制备单分散无机纳米粒子/ 聚合物复合乳液，将这种复合乳液涂敷在平整基材上，水分挥发后，形成三维有序的 规则排列，通过控制聚合物乳胶粒子与无机纳米粒子的粒径大小及用量，获得结构颜色 膜材料。

本发明所述结构颜色膜材料，是由自然光波长与尺度相似的纳米复合乳液成膜后 形成三维周期性结构相互作用而产生的结构颜色，无须任何色素。