基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，主要是结合多轴机械臂定位和自动化连续供墨系统，采用胶体粒子组装和凝胶固化的方法在亲‑疏水图案化基底上沉积形貌可控、层数可调的三维结构色阵列图案。本方法可以实现固着液滴形成，保证打印墨水在基底上的均匀分配，同时液滴在竖直方向上可进行多次沉积，实现多层结构的构筑。本发明专利技术提出的制备结构色三维阵列图案的方法具有过程简单，微阵列像素点形状可任意设计、图案可调性强、色彩均一、重复性好等优势，同时，并联使用多种胶体墨水不仅可以实现多彩图案显示，还可以实现具有多层结构的光学编码阵列的构筑。

【技术实现步骤摘要】
基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法
本专利技术涉及一种结构色材料图案化的方法，具体涉及一种基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法。
技术介绍
不同于染料、色素等化学色，物理色，又称结构色，是材料的有序微纳结构对不同波长的光散射、衍射或干涉后产生的颜色，其具有高亮度、高饱和度、永不褪色等优点，在传感、显示以及防伪标签等领域有着广泛的应用前景。其中，采用胶体粒子自组装制备蛋白石结构或一维结构光子晶体，是一种较为经济的结构色材料制备方法。近年来，各种结构色材料的图案化策略被相继开发出来，极大地促进了其在各类元器件中的应用。例如，通过将结构色材料引入预制的模板凹槽中可以构筑各种形貌特征的结构色图案。但该方法步骤较为繁琐，制备周期长且图案受制于较为昂贵的模板结构，因此无法满足可任意定制、批量化生产等需求。光刻技术是一种实现高精度结构色图案的有效方式，但该方法同样存在所需仪器价格昂贵、图案制备周期较长等问题。基于此中国专利CN104044380A公开了一种喷墨打印制备连续光子晶体图案的方法，通过控制喷射的连续喷墨墨滴的相邻间隔时间，制备得到连续的光子晶体线，实现了连续光子晶体图案的简便、易规模化的制备。尽管喷墨打印过程快速、高效，但其对墨水要求较高，需要其具有高表面张力和低粘度，并且为克服咖啡环效应还对打印基底有一定要求。3D打印技术是近年来发展起来的一种高效构筑三维结构色材料的方法，如中国专利CN106042377A公开了一种基于3D打印在产品上添加结构色涂层的方法，但目前适用于该方案的结构色打印墨水材料较少，图案饱和度差，限制了其大规模的应用。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，解决现有方法中的图案可设计性不强、液滴像素点稳定性差、过程繁琐、不能多彩显示以及沉积液态形式及结构不可调控的问题。技术方案：本专利技术所述的基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，包括以下步骤：(1)制备具有疏水-亲水阵列化微图案的打印基底；(2)将含有单分散胶体粒子和聚合物前驱体的墨水通过连续供墨装置输送给打印喷头，通过多轴机械臂控制打印喷头在基底局部预设位置构筑含有单分散胶体粒子和聚合物单体的固着液滴点阵；(3)固着液滴点阵采用化学交联固化，液滴内胶体粒子采用挥发自组装或外场诱导自组装实现胶体粒子有序排列，形成结构色图案。其中，所述步骤(1)具体为：使用掩膜法在疏水基底上进行等离子体处理或臭氧处理引入亲水图案，或在疏水基底局部位置进行激光烧灼氧化引入亲水图案。所述步骤(2)中单分散胶体粒子质量占溶剂质量分数为0.01％-80％，聚合物单体质量占溶剂质量分数为1％-100％，溶剂为水、乙二醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。所述步骤(2)中单分散胶体粒子的粒径为80nm-300nm，所述单分散胶体粒子包括有机单分散胶体粒子、无机单分散胶体粒子或复合胶体粒子中的任一种。所述有机单分散胶体粒子为聚苯乙烯胶体粒子或聚甲基丙烯酸甲酯胶体粒子，无机单分散胶体粒子为二氧化硅、二氧化钛、四氧化三铁胶体粒子，复合胶体粒子为二氧化硅包裹四氧化三铁、聚甲基丙烯酸甲酯包裹聚苯乙烯。所述步骤(2)中聚合物单体为丙烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、异丙基丙烯酰胺、羟乙基丙烯酸甲酯、苯硼酸修饰的超支化聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙烯醇、葡聚糖、巯基或双键功能化化明胶、巯基或双键功能化化海藻酸钠、巯基或双键功能化化透明质酸、超支化聚乙二醇二丙烯酸酯以及聚乙二醇丙烯酸酯中的至少一种。所述步骤(2)具体为：通过3D打印多轴机械臂在一维、二维或者三维定位书写的方法在打印基底预设位置上构筑液滴点阵。所述步骤(3)中聚合物交联固化的方法为迈克尔加成反应、光引发自由基聚合反应或热引发自由基聚合反应。有益效果：本专利技术利用疏水-亲水作用可以有效地实现胶体分散液在基底上的均匀分配并形成固着液滴，并且结合连续供墨系统和机械臂装置，可以实现任意液滴阵列图案的构筑；同时，在液滴内引入原位固化的凝胶材料，为胶体组装单元提供了柔性支撑，有效抑制了颗粒沉降，并保证了结构色图案的稳定性、可调性；整个工艺步骤简单且设备低廉，为实现大面积结构色多彩图案的制备提供了一个新的技术方案，在光学器件、传感器和生物编码等领域具有重要应用价值。附图说明图1为疏水-亲水阵列图案化基底的制作过程示意图；图2为微液滴在等离子体处理和未处理区域的液滴粘附能力测试结果；图3为实施例6中的原料的分子式；图4为不同形状的结构色材料单元；图5为结构色材料的反射光谱图；图6为微流控连续供墨装置和机械臂自动定位装置的结构示意图；图7为基于固着点阵制备的双色结构色图案；图8为多层结构的图案化阵列的制备。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术进行进一步说明。实施例1(1)结构色墨水的制备取50μL含有0.1％二氧化硅包裹四氧化三铁胶体粒子的水溶液，将50μL5％超支化聚乙二醇二丙烯酸酯溶解在上述溶液中，调节pH＝9装入第一注射器中；取100μL1％巯基化透明质酸，调节混合液pH＝7.5装入第二注射器中，将两个注射器置于微流控设备的供墨装置1上，通过供墨装置将两个注射器的水溶液注入3D打印喷头内，混合即制得结构色墨水。(2)疏水-亲水图案化印刷基底的制备如图1所示，使用掩膜的方法将激光打孔的纸张贴附在黑色硅胶板上，仅保留微孔，放入氧气等离子装置中进行处理，被处理的位置呈现亲水性，被纸张覆盖部分的为疏水性，去除纸张即可制得疏水-亲水图案化的印刷基底，通过改印刷基底上的图案形状，可以得到不同形状的液滴阵列，从图2可以看出在氧气等离子体处理后的位置上滴加液滴，会出现液滴粘附表面的现象，而未处理的位置则保持半球形状，表明处理后的亲水表面易于固着液滴，形成液滴阵列。(3)结构色材料图案化的制备将上述结构色墨水通过微流控设备挤出，将注射器与打印喷头相连接，使用多轴机械臂2控制打印喷头将步骤(1)中的结构色墨水实时书写在印刷基底预设位置，通过控制3D打印喷头动作可以精准控制结构色墨水的空间取向，在供墨装置上并联不同结构色的墨水可以实现空间位置上多彩的打印，在磁场条件下即可制得带有结构色的多层结构图案。实施例2(1)结构色墨水的制备取100μL含有80％二氧化硅胶体粒子的水溶液，将10％丙烯酰胺、1％N,N亚甲基双丙烯酰胺溶解在上述溶液中，待完全溶解后装入第一注射器中；5％光引发剂2959溶解在100μL水中,待完全溶解后装入第二注射器中，通过供墨装置将两个注射器的水溶液注入3D打印喷头内，混合即制得结构色墨水。(2)疏水-亲水图案化印刷基底的制备采用激光刻蚀法直接在黑色硅胶板上打印图案微孔，将样品放入氧气等离子体装置中进行处理，撕下表面的薄膜即可制得疏水-亲水的图案化印刷基底。(3)结构色材料图案化的制备<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)制备具有疏水-亲水阵列化微图案的打印基底；/n(2)将含有单分散胶体粒子和聚合物前驱体的墨水通过连续供墨装置输送给打印喷头，通过多轴机械臂控制打印喷头在基底局部预设位置构筑含有单分散胶体粒子和聚合物单体的固着液滴点阵；/n(3)固着液滴点阵采用化学交联固化，液滴内胶体粒子采用挥发自组装或外场诱导自组装实现胶体粒子有序排列，形成结构色图案。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备具有疏水-亲水阵列化微图案的打印基底；
(2)将含有单分散胶体粒子和聚合物前驱体的墨水通过连续供墨装置输送给打印喷头，通过多轴机械臂控制打印喷头在基底局部预设位置构筑含有单分散胶体粒子和聚合物单体的固着液滴点阵；
(3)固着液滴点阵采用化学交联固化，液滴内胶体粒子采用挥发自组装或外场诱导自组装实现胶体粒子有序排列，形成结构色图案。


2.根据权利要求1所述的基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的疏水-亲水阵列化微图案的打印基底是采用如下两种方式之一构筑：使用掩膜法在疏水基底上进行等离子体处理或臭氧处理引入亲水图案，或在疏水基底局部位置进行激光烧灼氧化引入亲水图案。


3.根据权利要求1所述的基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，其特征在于，所述步骤(2)中单分散胶体粒子质量占溶剂质量分数为0.01％-80％，聚合物单体质量占溶剂质量分数为1％-100％，溶剂为水、乙二醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，其特征在于，所述步骤(2)中单分散胶体粒子的粒径为80nm-300nm，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：余子夷，钦义鹏，张静，姜超，汤保，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32