仿白甲虫超薄超白材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种仿白甲虫超薄超白材料及其制备方法和应用，所述超薄超白材料性能优异，与白甲虫几乎处于同一水平，远高于此前报道的同类材料，所述仿白甲虫超薄超白材料与现有技术已知的超白材料相比具有如下优势：1.性能优异，一定程度上可以取代广泛应用的具有潜在致癌性的超白涂料钛白粉TiO2；2.解决了仿白甲虫超白材料制备难、性能不佳等问题。本发明专利技术采用简单的非溶剂蒸汽诱导相分离法即可制得光学散射性能优秀的仿白甲虫超薄超白表面材料，可以较容易地进行大规模生产，而此前报道的静电纺丝和超临界CO2发泡等制备手段都存在高成本、高技术门槛的问题，且所制备的仿白甲虫材料光学散射性能欠佳。

Ultra-thin and Ultra-white Material Imitating White Beetle and Its Preparation and Application

The invention discloses a super-thin super-white material imitating white beetle and its preparation method and application. The super-thin super-white material has excellent performance, almost at the same level as white beetle and is much higher than the similar material reported previously. The super-thin super-white material imitating white beetle has the following advantages compared with the super-white material known in the existing technology: 1. The super-thin super-white material has excellent performance and can be replaced extensively to a certain extent. Titanium dioxide titanium dioxide, a potential carcinogenic super-white coating, has been widely used. 2. It solves the problems of difficult preparation and poor performance of super-white materials imitating white beetles. The invention adopts simple non-solvent vapor-induced phase separation method to prepare super-thin and super-white surface material with excellent optical scattering performance, which can be easily mass-produced. However, the previously reported electrospinning and supercritical CO2 foaming methods have the problems of high cost and high technology threshold, and the prepared material has poor optical scattering performance. \u3002

【技术实现步骤摘要】
仿白甲虫超薄超白材料及其制备方法和应用
本专利技术属于高反射材料
，具体涉及一种仿白甲虫超薄超白材料及其制备方法和应用。
技术介绍
自然界中许多生物都拥有五彩斑斓的颜色。这些颜色通过生物体上的色素或者周期性的超微结构对光的影响来体现，其中前者称为化学色，后者称为物理色或结构色。在众多颜色中，白色常用于生物伪装和发射信号等途径。然而，白色在生物体中并不常见，由于其要求对整个波段的可见光进行适当的散射，这对应了生物体必须拥有特殊的无规结构媒介。因此，生物白及其相应的特殊微观结构对设计合成光学材料，如新型超白涂层、发光二极管(LED)等，尤其是在能源领域具有重要应用的高反射材料具有相当大的参考价值。近年来，人们利用多种物理和化学分析手段，研究多种生物白所对应的化学组成，建立了较为完备的生物白光散射理论。从海洋头足类生物的嘌呤结晶或蛋白质结晶所组成的多层复合反射器，到陆地昆虫白甲虫(Cyphochilusspp.beetles)的由几丁质纤维(chitinfiber)组成三维无规网络结构反射壳层鳞片(scale)，鸟类翅膀中无规颗粒鳞片组成的反射层以及白杨树叶(poplarleaf)中中空纤维素纤维(hollowcellulosefiber)构成的三维无规网络结构反射膜，无不揭示了生物白所对应的物质结构是一类拥有特殊无规结构(chaoticstacks)的复合反射表面。与目前众多的生物白结构相比，白杨树叶等的高反射膜层结构参数并不理想，对其仿生设计的高反射薄膜在整体厚度、组成纤维直径、反射率等结构性能参数上，并没有凸显出“轻巧和高效”的特点。相比于白杨树叶等，白甲虫由于需要同时考虑伪装和飞行负重等因素，所以在其五亿年的进化过程中，白甲虫将自身由几丁质纤维组成的反射壳层鳞片不断地优化，形成了以三维无规网络结构组成的反射鳞片，达到了壳层结构(包括壳层质量)和反射性能的巧妙平衡，即鳞片内部无规结构的特殊形态允许了高填充率的散射体存在(其直观地增加了散射强度，并因此提高亮度和白度)，同时又降低了光学拥挤效应(这倾向于降低总体散射强度)。因此，与人造超白材料普遍要求的高折光指数和高厚度特性相反，白甲虫的壳层鳞片具有低折光指数、超薄和高散射特性。2016年，Zeighami等利用静电纺丝技术构筑尼龙66或聚丙烯腈纳米纤维涂层(ZeighamiF,TehranMA.DevelopingopticallyefficientnanofibercoatingsinspiredbyCyphochiluswhitebeetle[J].JournalofIndustrialTextiles,2016,46(2):495-509)。该纳米纤维涂层由200nm左右的尼龙66或聚丙烯腈纤维无规堆积而成，厚度约150μm，反射率达到90％左右，且具有一定的力学性能。但是，这种静电纺丝技术制备的纤维涂层仅仅体现了类似白甲虫结构的无规特性，其表征超白性能的光子传输平均自由程大于10μm，远高于白甲虫的0.9-1.6μm，表明其超白性能远低于白甲虫。不仅如此，由于静电纺丝工艺成本高、难于推广和大规模生产，且该涂层的厚度较厚，不具备超薄特性，不利于实际使用。2017年，Syurik等采用超临界二氧化碳(SC-CO2)发泡法制备超薄多孔聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜(SyurikJ,SiddiqueRH,DollmannA,etal.Bio-inspired,largescale,highly-scatteringfilmsfornanoparticle-alternativewhitesurfaces[J].ScientificReports,2017,7)。通过调控发泡温度和压强来优化薄膜孔径大小和PMMA体积分数以实现制备具备较高可见光波段反射率的超薄表面。该法所制备的超白表面厚度为60μm时，反射率可达90％，厚度为9μm仍保持57％的反射率，但其光子传输平均自由程为3.5-4μm，仍高于白甲虫的0.9-1.6μm，表明其光学散射性能仍低于白甲虫。同时，该方法采用超临界发泡，其工艺条件要求达到50MPa的高压，使得该工艺存在成本高、难于推广和大规模生产的问题。虽然其厚度已经显著减少，但仍存在光学散射性能欠佳、制备方法不易控制等缺陷。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种仿白甲虫超薄超白材料及其制备方法和应用。本专利技术目的是通过如下技术方案实现：一种仿白甲虫材料，所述仿白甲虫材料具有仿白甲虫壳层鳞片结构，其中包括具有双连续结构特征的三维无规网络结构；所述仿白甲虫壳层鳞片结构的整体分布在空间轴向上表现为各向异性。根据本专利技术，所述仿白甲虫材料的厚度在5-10μm，优选为6-10μm。根据本专利技术，所述仿白甲虫材料的反射率达到60-75％，优选为64-75％。根据本专利技术，所述整体分布在空间轴向上表现为各向异性是指：在垂直于表面(z轴)和平行于表面(x，y轴)方向上所述仿白甲虫壳层鳞片结构中的三维无规网络结构的排布不同。根据本专利技术，所述仿白甲虫材料为一种表面材料。根据本专利技术，所述仿白甲虫材料均由具有双连续结构特征的三维无规网络结构构成。根据本专利技术，所述具有双连续结构特征的三维无规网络的孔径在300-3000nm范围内，平均孔径约为1000nm；所述具有双连续结构特征的三维无规网络的骨架尺寸为50-500nm。根据本专利技术，所述仿白甲虫材料的骨架体积分数(即聚合物填充率)为35％-70％。或者说，所述仿白甲虫材料的孔隙率为30-65％。根据本专利技术，所述仿白甲虫材料的基体为聚合物。根据本专利技术，所述聚合物的折光指数为1.40-1.65。根据本专利技术，所述仿白甲虫材料的光子传输平均自由程lt为1.40-1.80μm，优选为1.40-1.50μm，例如约为1.43μm或1.48μm。所述光子传输平均自由程越低，光散射性能越强。本专利技术还提供上述仿白甲虫材料的制备方法，其是采用相分离法制备所述材料。根据本专利技术，所述相分离是非溶剂蒸汽诱导相分离(VIPS)。根据本专利技术，所述非溶剂是指聚合物的非溶剂且与聚合物溶液中的溶剂互溶的物质。所述非溶剂例如选自水和/或与聚合物溶液中的溶剂互溶的有机溶剂；具体的，所述非溶剂选自水、甲醇、乙醇或丙酮中的至少一种。根据本专利技术，所述方法包括如下步骤：1)配制聚合物溶液，所述聚合物选自能够发生相分离的聚合物；2)将聚合物溶液涂覆到基材表面，在溶剂挥发过程中，所述聚合物溶液发生相分离，制备得到所述仿白甲虫材料。根据本专利技术，步骤1)中，所述聚合物溶液的质量百分比浓度为25-50％，例如为25％-30％，优选为25％。根据本专利技术，所述聚合物选自能够发生相分离的聚合物，具体地，所述能够发生相分离的聚合物选自能够发生非溶剂蒸汽诱导相分离的聚合物。优选为聚苯乙烯(PS)类、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)类、聚砜(PSF)类或聚碳酸酯(PC)类中的一种或多种。其中，所述聚苯乙烯类聚合物可以为聚苯乙烯或其嵌段共聚物，如聚苯乙烯-b-聚二甲基硅氧烷(PS-b-PDMS)。进一步优选，所述聚合物为聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种。根据本专利技术，所述聚合物的重均分子量(Mw)不小于1.0×104g/mol，优选聚合物的重均分子量为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿白甲虫材料，其特征在于，所述仿白甲虫材料具有仿白甲虫壳层鳞片结构，其中包括具有双连续结构特征的三维无规网络结构；所述仿白甲虫壳层鳞片结构的整体分布在空间轴向上表现为各向异性。

【技术特征摘要】
1.一种仿白甲虫材料，其特征在于，所述仿白甲虫材料具有仿白甲虫壳层鳞片结构，其中包括具有双连续结构特征的三维无规网络结构；所述仿白甲虫壳层鳞片结构的整体分布在空间轴向上表现为各向异性。2.根据权利要求1所述的仿白甲虫材料，其特征在于，所述仿白甲虫材料的厚度在5-10μm，优选为6-10μm。优选地，所述仿白甲虫材料的反射率达到60-75％，优选为64-75％。优选地，所述仿白甲虫材料为一种表面材料。优选地，所述仿白甲虫材料均由具有双连续结构特征的三维无规网络结构构成。优选地，所述具有双连续结构特征的三维无规网络的孔径在300-3000nm范围内，平均孔径为1000nm；所述具有双连续结构特征的三维无规网络的骨架尺寸为50-500nm。3.根据权利要求1或2所述的仿白甲虫材料，其特征在于，所述仿白甲虫材料的骨架体积分数(即聚合物填充率)为35％-70％。或者说，所述仿白甲虫材料的孔隙率为30-65％。优选地，所述仿白甲虫材料的基体为聚合物。优选地，所述聚合物的折光指数为1.4-1.65。优选地，所述仿白甲虫材料的光子传输平均自由程lt为1.40-1.80μm，优选为1.40-1.50μm，例如为1.43μm或1.48μm。4.权利要求1-3中任一项所述的仿白甲虫材料的制备方法，其是采用相分离法制备所述材料。优选地，所述相分离是非溶剂蒸汽诱导相分离。优选地，所述非溶剂是指聚合物的非溶剂且与聚合物溶液中的溶剂互溶的物质。所述非溶剂例如选自水和/或与聚合物溶液中的溶剂互溶的有机溶剂；具体的，所述非溶剂选自水、甲醇、乙醇或丙酮中的至少一种。5.根据权利要求4所述的仿白甲虫材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：1)配制聚合物溶液，所述聚合物选自能够发生相分离的聚合物；2)将聚合物溶液涂覆到基材表面，在溶剂挥发过程中，所述聚合物溶液发生相分离，制备得到所述仿白甲虫材料。6.根据权利要求4或5所述的仿白甲虫材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述聚合物溶液的质量百分比浓度为25-50％，例如为25％-30％，优选为2...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐坚，邹为治，郭靖，赵宁，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11