一种低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜及其制备方法，包括以下步骤：步骤1，分别配制得到镉源、硫源和混合基溶液；步骤2，将硫源和镉源加入混合基溶液中，高温反应制得种子溶液；步骤3，步骤2反应完后，所得种子溶液置于冰水中，快速冷却至室温，离心保留亮黄澄清透明的上清液；步骤4，上清液中加入四水合硝酸镉和硫脲；在55‑65℃下反应50‑70min，然后加热至160‑170℃反应60‑120min，洗涤后超声分散在乙醇溶剂中；步骤5，采用垂直沉降法进行镀膜。本发明专利技术得到的硫化镉结构色薄膜，结构各向同性，呈色稳定，不易褪色，角度依赖性弱，颜色不会随观察角度的变化而变化。

A Low Angle Dependent Red Cadmium Sulfide Structural Color Film and Its Preparation Method

The invention provides a low-angle-dependent red cadmium sulfide structural color film and its preparation method, which comprises the following steps: step 1, the cadmium source, the sulfur source and the mixed base solution are prepared respectively; step 2, the sulfur source and the cadmium source are added into the mixed base solution, and the seed solution is prepared by high-temperature reaction; step 3, step 2, after the reaction, the obtained seed solution is placed in ice water and rapidly cooled to the chamber. In step 4, cadmium nitrate tetrahydrate and thiourea were added to the supernatant; reaction time was 50-70 min at 55-65 (?) C, then heated to 160-170 (?) C for 60-120 min, then ultrasonic was dispersed in ethanol solvent after washing; in step 5, vertical sedimentation method was used for coating. The cadmium sulfide structural color film obtained by the invention has the advantages of isotropic structure, stable color appearance, not easy to fade, weak angle dependence and no change in color with the change of observation angle.

【技术实现步骤摘要】
一种低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜及其制备方法
本专利技术属于结构色材料制备
，具体涉及一种低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜及其制备方法。
技术介绍
高低折射率的材料交替排列形成周期性结构，即光子晶体，特定波长的光线不能通过其产生的光子带隙，从而产生了结构色。结构色是一种物理呈色，具有颜色鲜艳、永不褪色、环境友好、制备周期短等优点。近些年来通过胶体微球的有序自组装法，能够形成蛋白石结构光子晶体，最后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，但是因为具有虹彩效应，即不同方向观察到的颜色不同，大大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。通常，制备的光子晶体粉体状态一般呈现出白色。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)。添加微量黑色颜料能够提高色彩饱和度，而且能够有效降低结构色对角度的依赖性，达到随着观察角度变化结构色保持不变的效果(CN105174302B、105175015A、103788770A)，其中炭黑或者黑色素的作用在于能够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、长程无序的状态下也能够表现出较高的色彩饱和度，同时这种短程有序、长程无序的结构因为各向同性，所以具有低角度依赖性，即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。但将粉体与一定量黑色物质混合制膜，工艺较复杂，往往需要较长时间的超声混合；且蛋白石结构对镀膜环境要求很高，易受外界环境干扰，纳米结构的黑色素会造成薄膜结构的缺陷，并且微弱的环境波动都会对薄膜的质量有很大的影响，因此很难被广泛应用。同时，纳米级炭黑具有较高的表面能，因此存在难分散、易团聚，并且在多数溶液中难以溶解等缺点，而有机黑色染料需要进行拼色、混色等工艺过程，过程复杂且制备出来的有机黑色染料不稳定。近些年来，半导体硫化物(比如硫化镉)材料因其较高的色彩饱和度，主要作为单一黄色色料使用，此外硫化镉主要用作颜料。硫化镉和硒化镉用于制造光敏电阻、太阳能电池、光催化剂等。目前为止，还没有文献对利用硫化镉来制备短程有序结构及高饱和度结构色材料的制备进行过报道。
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低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜及其制备方法，在不掺杂黑色素的作用下，成功制备出一种低角度依赖的光子晶体结构色薄膜。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将四水合硝酸镉充分溶解于二乙二醇中，得到镉源；将硫脲充分溶解于二乙二醇中，得到硫源；将聚乙烯吡咯烷酮溶于二乙二醇中，制得混合基溶液；步骤2，将硫源和镉源加入混合基溶液中，使四水合硝酸镉与二乙二醇的比例为(0.045-0.09)g:60mL，硫脲与二乙二醇的比例为(0.0135-0.03)g:60mL，聚乙烯吡咯烷酮与二乙二醇的比例为(0.6-1.0)g：60mL，高温反应制得种子溶液；步骤3，步骤2反应完后，所得种子溶液置于0-10℃冰水中，快速冷却至室温，离心保留亮黄澄清透明的上清液；步骤4，向步骤3所得上清液中加入四水合硝酸镉和硫脲，使四水合硝酸镉与二乙二醇的比例为(4.66-6.20)g:60mL，硫脲与二乙二醇的比例为(1.15-1.30)g:60mL；在55-65℃下反应50-70min，然后加热至160-170℃反应60-120min，制得含有硫化镉微球的乳浊液，洗涤后超声分散在乙醇溶剂中，得到单分散硫化镉微球的乙醇溶液；步骤5，采用垂直沉降法进行镀膜，得到硫化镉结构色薄膜。优选的，步骤1中，混合基溶液的配制具体是：将聚乙烯吡咯烷酮加入二乙二醇中，加热至50-70℃，磁力搅拌1-4h。优选的，步骤2中，高温反应是在160-200℃反应5-6min。优选的，步骤3中，离心的转速为7000-10000r/min，时间为20-30min。优选的，步骤4中，洗涤是采用乙醇洗涤两次，水洗两次。优选的，步骤5中，采用垂直沉降法进行镀膜具体是：向单分散硫化镉微球的乙醇溶液中插入玻璃片，然后真空干燥，制得硫化镉结构色薄膜。进一步的，采用的玻璃片是经过氧化氢浸泡24h以上的玻璃片。进一步的，步骤5中，真空干燥的温度为40-50℃，真空度0.05-0.09MPa，干燥时间为48-96h。所述的制备方法制备得到的硫化镉微球。所述的制备方法制备得到的低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术所述的制备方法，先采用种子法，制备出粒径均一的硫化镉微球纳米颗粒，然后采用垂直沉降法镀膜，制备得到硫化镉结构色薄膜。由于硫化镉微球比重大，不易形成完美的面心立方(FCC)排列，微观表现上呈现出短程有序、长程无序的“缺陷态结构”。这种硫化镉结构色薄膜，结构各向同性，呈色稳定，不易褪色，角度依赖性弱，颜色不会随观察角度的变化而变化。其原理解释如下。理想状态下，光子晶体的光子禁带和结构色满足布拉格方程(Bragglaw)：mλpeak＝2dhkl[n2eff-sin2θ]1/2(1)式(1)中，m是衍射级数，λpeak是反射峰的波长，dhkl为晶体在(hkl)方向上的晶格间距，它与聚合物微球的粒径有关，neff是晶格的有效折射率；θ为入射光的角度。随着四水合硝酸镉和硫脲反应物浓度增大，反应时长的增加，硫化镉微球粒径增大，根据式(1)喷涂所得薄膜的反射峰值发生红移，理论上，结构色会从紫色向红色转变。一般来说，光子晶体的(111)晶面平行于玻璃基板的表面。在光谱测量中，设定入射光垂直于(111)晶面，即：θ＝0，m＝1。对于面心立方结构来说，晶格间距可由以下公式计算得：式(2)中，Dsphere为硫化镉微球的直径。对于密堆积结构，其有效折射率可用以下公式计算得：neff＝[n2spheref+n2air(1-f)]1/2(3)式(3)中：nsphere和nair分别为硫化镉和空气的折射率，f为硫化镉的填充率。即nsphere＝2.5，nair＝1，f＝0.74。以实施例1的硫化镉微球直径为例，根据布拉格方程计算所得硫化镉结构色薄膜的理论反射峰波长为：1082.21nm，实验测得的波长为：628nm。可知，反射峰波长的理论计算值和实际测量值之间存在较大的差异。这个差异可以通过分析硫化镉的显微结构中光子晶体的结构缺陷来解释。由于非晶光子晶体材料具有唯一的相互重叠的光子能隙，光子晶体的最低阶能隙是完全由空间介电结构的短程序决定的。因此，降低结构上的有序性、重复性，能降低虹彩效应。本专利技术制备操作方法简单，无需添加色素或者炭黑，就能够得到高饱和度无角度依赖性硫化镉结构色薄膜，重复性强，对外界环境要求低，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。本专利技术工艺操作过程简单易行，适用于在多种材质表面构建不随角异色结构色色料，具有广阔的应用前景。本专利技术能够扩充有序光子晶体结构色薄膜材料的种类。进一步的，在真空条件下进行镀膜，有助于乙醇溶液快速稳定地挥发，以克服硫化镉微球较大的重力沉降效应。经本专利技术方法制备的硫化镉微球球形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将四水合硝酸镉充分溶解于二乙二醇中，得到镉源；将硫脲充分溶解于二乙二醇中，得到硫源；将聚乙烯吡咯烷酮溶于二乙二醇中，制得混合基溶液；步骤2，将硫源和镉源加入混合基溶液中，使四水合硝酸镉与二乙二醇的比例为(0.045‑0.09)g:60mL，硫脲与二乙二醇的比例为(0.0135‑0.03)g:60mL，聚乙烯吡咯烷酮与二乙二醇的比例为(0.6‑1.0)g：60mL，高温反应制得种子溶液；步骤3，步骤2反应完后，所得种子溶液置于0‑10℃冰水中，快速冷却至室温，离心保留亮黄澄清透明的上清液；步骤4，向步骤3所得上清液中加入四水合硝酸镉和硫脲，使四水合硝酸镉与二乙二醇的比例为(4.66‑6.20)g:60mL，硫脲与二乙二醇的比例为(1.15‑1.30)g:60mL；在55‑65℃下反应50‑70min，然后加热至160‑170℃反应60‑120min，制得含有硫化镉微球的乳浊液，洗涤后超声分散在乙醇溶剂中，得到单分散硫化镉微球的乙醇溶液；步骤5，采用垂直沉降法进行镀膜，得到硫化镉结构色薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将四水合硝酸镉充分溶解于二乙二醇中，得到镉源；将硫脲充分溶解于二乙二醇中，得到硫源；将聚乙烯吡咯烷酮溶于二乙二醇中，制得混合基溶液；步骤2，将硫源和镉源加入混合基溶液中，使四水合硝酸镉与二乙二醇的比例为(0.045-0.09)g:60mL，硫脲与二乙二醇的比例为(0.0135-0.03)g:60mL，聚乙烯吡咯烷酮与二乙二醇的比例为(0.6-1.0)g：60mL，高温反应制得种子溶液；步骤3，步骤2反应完后，所得种子溶液置于0-10℃冰水中，快速冷却至室温，离心保留亮黄澄清透明的上清液；步骤4，向步骤3所得上清液中加入四水合硝酸镉和硫脲，使四水合硝酸镉与二乙二醇的比例为(4.66-6.20)g:60mL，硫脲与二乙二醇的比例为(1.15-1.30)g:60mL；在55-65℃下反应50-70min，然后加热至160-170℃反应60-120min，制得含有硫化镉微球的乳浊液，洗涤后超声分散在乙醇溶剂中，得到单分散硫化镉微球的乙醇溶液；步骤5，采用垂直沉降法进行镀膜，得到硫化镉结构色薄膜。2.根据权利要求1所述的低角度依赖性红色硫化镉结构色薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，混合基溶液的配制具体是：将聚乙烯吡咯烷酮...

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