一种具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜及其制备方法和应用，先采用无皂液聚合和混合溶剂法，制备出粒径均一、单分散的PS@TiO2微球，球形度好，直径8nm左右的TiO2纳米颗粒均匀包覆在PS微球表面，形成10nm左右厚度的TiO2壳层。与碳黑物质混合均匀后用喷枪喷涂，得到结构色薄膜。本发明专利技术薄膜的颜色不会随观察角度的变化而变化，呈色稳定，不易褪色，在颜色显示领域具有广阔的应用前景，扩充了非晶光子晶体结构色薄膜材料的种类。本发明专利技术制备方法简单，重复性强，环保安全无毒；喷涂法对基板和镀膜环境要求低，适用于在多种材质表面构建不随角异色结构色薄膜，且喷涂法可大面积制备，易于实现工业化。

【技术实现步骤摘要】
一种具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜及其制备方法和应用
本专利技术属于结构色材料制备
，具体涉及一种具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜及其制备方法和应用。
技术介绍
丰富的色彩世界给人一种美的视觉体验。色彩根据呈色机理可分为化学色和结构色。化学色指利用化学着色剂，虽然化学物质色彩绚丽丰富，但易引起资源破坏和环境污染等问题。而结构色通过物体自身特殊的组织结构与白光发生光栅衍射、散射、干涉等光学过程而呈现出颜色。其具有诸多优点，如颜色鲜艳、永不褪色、环境友好、制备周期短等，在防伪、绘画、检测和装饰等方面有着巨大的应用前景。通常，微球只有通过有序的自组装才能够形成光子晶体膜，只有通过组装成有序的光子晶体薄膜之后才能呈现出结构色(CN108059829A、CN107987216A)。光线在具有周期性结构的光子晶体表面形成通过干射、衍射、散射等作用，从而产生绚丽多彩的结构色，这种虹彩效应，即不同方向观察到的颜色不同，限制了结构色在平板显示，印刷媒介以及光学设备等方面的应用。如何降低光子晶体膜呈色的角度依赖性，获得明确的、单一颜色的晶体膜，也是一个研究热门。蒸镀碳膜(CN105714290A)和包覆黑色物质(CN107121714A)是实现非虹彩效应的新方法。这是因为添加微量黑色颜料在可见光波段内有较强的吸收，从而降低非相干散射，使得结构色薄膜在短程有序、长程无序的状态下表现出较高的色彩饱和度，随着观察角度的变化，颜色基本不变，能够应用于显示、印刷等方面。蒸镀和包覆需要较高的实验条件与技术，成本较高，并且制备规模小，受到一定限制。利用聚苯乙烯(PS)微球所制备的胶体光子晶体结构色薄膜颜色鲜艳，但是有机体PS微球本身材料结构敏感，相比较于无机材料(如TiO2)，耐热性差，呈现脆性，冲击强度低。无机物TiO2常常作为单一无毒的白色颜料使用，纳米TiO2具有优异的湿敏、气敏、光催化和介电性能等优点，被广泛应用于涂料、塑料、油墨、人造纤维、电子元件、陶瓷和化妆品等传统工业领域。但是纳米TiO2的比表面积较大，表面空键较多，导致其在制备和应用过程中极易发生团聚现象，其优异的性能得不到充分的发挥。在现有技术中，粒径可控在150-380nm范围内TiO2微球的制备存在诸多困难，如粒径分布宽、大小不均一、分散性较差等，这些因素都限制了其作为光子晶体结构色材料的使用。目前为止，还没有文献对喷涂碳掺杂TiO2包裹PS的核壳微球溶液来制备短程有序结构色薄膜的制备进行过报道。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜及其制备方法和应用，方法重复性强，对外界环境要求低；经该方法制得的PS@TiO2结构色薄膜，短程有序，长程无序，永不褪色，且薄膜色彩几乎不随观测角度的变化而变化。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，制备改性PS胶体微球乳液：取苯乙烯、α-甲基丙烯酸和水，混合均匀，在75-95℃下搅拌反应30-60min，然后注入引发剂过硫酸钾溶液，在75-95℃下反应7-9h，得到改性PS胶体微球乳液；步骤2，包裹TiO2壳层结构：所得改性PS胶体微球乳液分散于乙醇和乙腈的混合液中，记为A液；将钛酸丁酯溶于乙醇和乙腈的混合液中，记为B液；在搅拌条件下，将B液缓缓注入A液中，搅拌反应得到PS@TiO2微球的分散液；步骤3，喷涂制膜：将步骤2得到的PS@TiO2微球的分散液离心洗涤，然后加入无水乙醇中，再加入碳黑超声分散，得到喷涂液，用喷枪将喷涂液喷涂于预处理的玻璃片上，制得非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜。优选的，苯乙烯、α-甲基丙烯酸和水的比例为：(7-14)mL：(0.5-1)mL：90mL。优选的，步骤2中，B液注入A液后，改性PS胶体微球与钛酸丁酯的比例为(3-6)g：(0.5-3)mL。优选的，步骤2中，将B液缓缓注入A液后，在20-40℃下反应5-25h。优选的，步骤2中，B液缓缓注入A液的滴速控制在30-60滴/min，每滴加5mL间隔5-10min，期间保持搅拌。优选的，步骤3中，碳黑占PS@TiO2微球的0.1wt％-1wt％。优选的，步骤3中，玻璃片的预处理具有是：在过氧化氢溶液中浸泡24h以上，并用水和无水乙醇冲洗后烘干。所述的制备方法制备得到的PS@TiO2微球。所述的制备方法制备得到的具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜。所述的具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜在水下系统中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术先采用无皂液聚合和混合溶剂法，制备出粒径均一、单分散的PS@TiO2微球，球形度好，直径8nm左右的TiO2纳米颗粒均匀包覆在PS微球表面，形成10nm左右厚度的TiO2壳层。与碳黑物质混合均匀后用喷枪喷涂，得到结构色薄膜。由于黑色素能够吸收非相干散射光和背景光，非晶光子晶体材料又具有唯一的相互重叠的光子能隙，最低阶能隙是完全由空间介电结构的短程序决定，降低结构上的有序性、重复性，能降低虹彩效应。因此，这种薄膜的颜色不会随观察角度的变化而变化，呈色稳定，不易褪色，在颜色显示领域具有广阔的应用前景，扩充了非晶光子晶体结构色薄膜材料的种类。本专利技术制备的PS@TiO2微球，TiO2以微小纳米颗粒的形式聚集在PS核的表面，提供了多级的粗糙度，多级粗糙度的微纳结构可能使其优异的光电化学性能得到更为充分的发挥。本专利技术采用的炭黑成本相对较低，外加法操作简单，适于大规模制备。本专利技术制备方法简单，重复性强，环保安全无毒；喷涂法对基板和镀膜环境要求低，适用于在多种材质表面构建不随角异色结构色薄膜，且喷涂法可大面积制备，易于实现工业化。本专利技术不但解决了化学有机物颜料易褪色的技术难题，同时解决了蛋白石结构对基板要求严格、镀膜环境苛刻等技难题。本专利技术弥补了有机体PS微球本身材料结构敏感，耐热性差的缺陷，丰富了白色色料TiO2的显色种类。进一步的，合适的苯乙烯浓度，将改性PS胶体微球控制在合适的大小，使得到的PS@TiO2微球在150-350nm之间，从而控制薄膜的颜色。本专利技术的制备方法得到的PS@TiO2微球粒径均一，从而可以制备得到结构色，通过掺杂碳和喷涂得到的结构色薄膜具有非彩虹效应。本专利技术的结构色薄膜具有疏油性，可用于各种水下系统、有色船底涂层。这是由于该方法制备的PS@TiO2微球是亚微米级的，粒径分布在150-380nm之间，且PS表面包覆的二氧化钛颗粒十分细小，约8nm左右，提供了相当高的表面粗糙度，降低了表面能，能够在水下环境中，免受油污、生物淤积等污染物的沾染。结构色薄膜相比于现有的有色涂层，不需要进行第二次表面疏油涂覆处理，只用一层结构色薄膜即可，简单，扩展了非晶光子晶体结构色薄膜材料的应用范围和前景。附图说明图1为实施例1所得掺杂碳的PS@TiO2分散液的能谱图。图2为实施例2所得的PS@TiO2微球的SEM图像；图3为实施例2所得的PS@TiO2微球的SEM图像；图4为实施例2所得的PS@TiO2微球的TEM图像；图5为实施例1、2、3所得薄膜不同视角观察图(2cm*2cm)；图6为实施例1所得结构色薄膜水下油滴接触角测试图。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，制备改性PS胶体微球乳液：取苯乙烯、α‑甲基丙烯酸和水，混合均匀，在75‑95℃下搅拌反应30‑60min，然后注入引发剂过硫酸钾溶液，在75‑95℃下反应7‑9h，得到改性PS胶体微球乳液；步骤2，包裹TiO2壳层结构：所得改性PS胶体微球乳液分散于乙醇和乙腈的混合液中，记为A液；将钛酸丁酯溶于乙醇和乙腈的混合液中，记为B液；在搅拌条件下，将B液缓缓注入A液中，搅拌反应得到PS@TiO2微球的分散液；步骤3，喷涂制膜：将步骤2得到的PS@TiO2微球的分散液离心洗涤，然后加入无水乙醇中，再加入碳黑超声分散，得到喷涂液，用喷枪将喷涂液喷涂于预处理的玻璃片上，制得非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，制备改性PS胶体微球乳液：取苯乙烯、α-甲基丙烯酸和水，混合均匀，在75-95℃下搅拌反应30-60min，然后注入引发剂过硫酸钾溶液，在75-95℃下反应7-9h，得到改性PS胶体微球乳液；步骤2，包裹TiO2壳层结构：所得改性PS胶体微球乳液分散于乙醇和乙腈的混合液中，记为A液；将钛酸丁酯溶于乙醇和乙腈的混合液中，记为B液；在搅拌条件下，将B液缓缓注入A液中，搅拌反应得到PS@TiO2微球的分散液；步骤3，喷涂制膜：将步骤2得到的PS@TiO2微球的分散液离心洗涤，然后加入无水乙醇中，再加入碳黑超声分散，得到喷涂液，用喷枪将喷涂液喷涂于预处理的玻璃片上，制得非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜。2.根据权利要求1所述的具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜的制备方法，其特征在于，苯乙烯、α-甲基丙烯酸和水的比例为：(7-14)mL：(0.5-1)mL：90mL。3.根据权利要求1所述的具有非虹彩效应的PS@TiO2结构色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2中，B液注入A液后...

【专利技术属性】
技术研发人员：王芬，薛雨，罗宏杰，朱建锋，王莹，赵婷，方媛，赵旭，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61