一种具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜及其制备方法与应用，属于结构生色领域。其具有三种典型的变色模式，包括：固定样品位置与观察角度，改变入射光方向；固定样品位置与入射光方向，改变观察角度；固定入射光方向和观察角度，转动样品。有序结构在三种模式下的结构色都具有颜色亮丽、可随着角度变化、颜色覆盖整个可见光谱的特性。采用粒径大于300nm的二氧化硅(SiO2)微球、聚苯乙烯(PS)微球或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球等为构筑单元，制备了1

【技术实现步骤摘要】
一种具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜及其制备方法与应用，属于结构生色领域。

技术介绍

[0002]自然界中颜色的来源主要有两类，一类是基于色素分子对光的选择性吸收而产生的色素色，另一类是起源于光与微纳结构的相互作用而产生的结构色。结构色具有颜色饱和度高、耐候性好等特点。特别是，当光与特定粒径微球组装的三维周期结构相互作用时，可以实现散射光的定向调控，让散射光子朝特定方向振动，这一特性为光学防伪开辟了新的途径。
[0003]传统的三维光子晶体是由160
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280nm(CN201810058780.3)左右的单分散胶体微球组装成的有序阵列。根据布拉格定理，其产生的结构色具有明显的角度依存变色的特点，即在不同的观察角度下可以看到不同的颜色。但是上述光子晶体结构色的局限是颜色只能在入射光的镜面角观察到(Angew.Chem.2016,128,7025
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7028)，单一改变入射或观察角度结构色消失，且随着观察角的变大，结构色逐渐变得暗淡。这些性能使得其防伪性能单一，容易被仿制。传统的点接触结构使得三维光子晶体机械性能很差，易破损，这也大大限制了其应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜及其制备方法与应用。利用制备三维结构的多模式变色特征，可以将其应用于防伪、包装、着色和美妆等领域；利用添加痕量的水性粘结剂或者利用高聚物锁定三维结构，使得结构的稳定性得到极大的提高。
[0005]本专利技术基于微球的Mie散射原理，将微球粒径大于300nm的SiO2微球、PMMA微球或PS微球等粒径均一、尺寸适当的介电微球组装为特定厚度的三维有序结构，利用有序结构中不同微球的散射共振耦合，得到颜色靓丽的结构色膜，我们利用激光刻蚀的方法将微球组装的三维结构实现图案化，并探索了其在防伪领域的应用。
[0006]本专利技术具体通过以下技术方案实现：
[0007]一种具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜，所述三维有序的结构色膜由二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球与空气或者聚合物构成，所述微球的层数为1
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8层，微球的直径为300
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600nm，所述三维有序的结构具有多模式可变结构色，颜色覆盖整个可见光谱，每一个观察角度下都具有亮丽的颜色，不会随观察角度增大而颜色暗淡。
[0008]进一步地，上述技术方案中，所述多模式包括：
[0009](1)固定样品位置和观察角度改变入射光方向；
[0010](2)固定样品位置和入射光方向改变观察角度；
[0011](3)固定入射光方向和观察角度，转动样品；
[0012]以上三种模式都可以实现结构色变化，颜色可从紫色，经过蓝、绿、黄绿、橙到红色，每一种颜色都亮丽。
[0013]进一步地，上述技术方案中，所述聚合物可以渗入微球之间的缝隙，包括可以光固化或者热固化的材料。
[0014]进一步地，上述技术方案中，所述光固化材料包括丙烯酸树脂类光固化材料，所述丙烯酸树脂类光固化材料包括聚乙二醇二丙烯酸酯，乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，聚氨酯丙烯酸酯树脂，月桂醇甲基丙烯酸酯中的一种、两种或两种以上的混合物。
[0015]进一步地，上述技术方案中，所述热固化的材料包括硅树脂如聚二甲基硅氧烷，环氧树脂或聚氨酯。
[0016]进一步地，上述技术方案中，所述三维有序的结构色膜在点光源照射下，可以实现虹彩渐变色，即在一个观察角度下，有序结构出现渐变的虹彩色，所述点光源包括LED灯或手电筒。
[0017]一种具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜的制备方法：
[0018]由二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球与空气构成的结构色膜的方法，包括(1)或(2)中任一种：
[0019](1)将均匀的胶体微球分散在乙醇或水中制备成质量分数为3wt％
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30wt％的分散液，添加0wt％
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1wt％的水性粘合剂于分散液中，利用浸渍提拉的方法在基底上组装不同微球层数的微球/空气构成的三维有序的结构色膜，其中浸渍循环速度为0.5
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5μm/s，组装温度为20
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60℃；
[0020](2)将均匀的胶体微球分散在乙醇或水中制备成质量分数为10wt％
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50wt％的分散液，添加0wt％
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0.1wt％的水性粘合剂于分散液中，将分散液直接涂覆在基底表面，利用刮刀涂布的方法制备微球/空气构成的三维有序的结构色膜；
[0021]由二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球与聚合物构成的结构色膜的方法，包括如下步骤：
[0022]将光固化树脂渗入到步骤(1)或步骤(2)得到的微球/空气构成的三维有序的结构色膜中，在254/365nm紫外光照射下固化30
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60s，得到微球/聚合物构成的三维有序结构；或者将热固化树脂渗入到步骤(1)或步骤(2)得到的微球/空气构成的三维有序的结构色膜中，在80
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100℃下加热60
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120min固化，得到为微球/聚合物构成的三维有序结构。
[0023]进一步地，上述技术方案中，所述基底包括玻璃、金属、纸张、纺织品或塑料膜，所述塑料膜包括PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，TPU(聚氨酯弹性体橡胶)，PVC(聚氯乙烯)和CPP膜(流延聚丙烯薄膜)。
[0024]进一步地，上述技术方案中，所述水性粘合剂包括聚乙烯醇类水性粘合剂、丙烯酸类水性粘合剂或者聚氨酯类水性粘合剂。
[0025]具体地，一种具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜的制备方法，包括如下步骤：
[0026]1)纳米微球的合成
[0027](1)SiO2微球的合成：分别量取10
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20mL的正硅酸乙酯(TEOS)和80mL的乙醇于
250mL的反应容器中，充分搅拌混匀，另外量取100mL乙醇，50mL去离子水(x)和氨水(y)混合液,(x+y＝50)，在1500r/min的搅拌速度下，将150mL的乙醇/氨水/水混合液加入到反应容器中，搅拌2
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5min,然后缓慢降速至300
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700r/min，室温下反应5
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10h，微球粒径可以通过控制氨水的加入量来调控。5
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45mL的氨水加入量可以得到300
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600nm粒径的SiO2微球。
[0028](2)PS微球、PMMA微球的制备：量取100
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135mL去离子水于反应容器中，称取10
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15g苯乙烯或者甲基丙烯酸甲酯加入反应容器中，将机械搅拌设置为300r/min，反应体系在惰性气氛下搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜，其特征在于：所述三维有序的结构色膜由二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球与空气或者聚合物构成，所述微球的层数为1
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8层，微球的直径为300
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600nm，所述三维有序的结构具有多模式可变结构色，颜色覆盖整个可见光谱，每一个观察角度下都具有亮丽的颜色，不会随观察角度增大而颜色暗淡。2.如权利要求1所述的具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜，其特征在于：所述多模式包括：(1)固定样品位置和观察角度改变入射光方向；(2)固定样品位置和入射光方向改变观察角度；(3)固定入射光方向和观察角度，转动样品；以上三种模式都可以实现结构色变化，颜色可从紫色，经过蓝、绿、黄绿、橙到红色，每一种颜色都亮丽。3.如权利要求1所述的具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜，其特征在于：所述聚合物可以渗入微球之间的缝隙，包括可以光固化或者热固化的材料。4.如权利要求3所述的具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜，其特征在于：所述光固化材料包括丙烯酸树脂类光固化材料，所述丙烯酸树脂类光固化材料包括聚乙二醇二丙烯酸酯，乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，聚氨酯丙烯酸酯树脂，月桂醇甲基丙烯酸酯中的一种、两种或两种以上的混合物。5.如权利要求3所述的具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜，其特征在于：所述热固化的材料包括硅树脂如聚二甲基硅氧烷，环氧树脂或聚氨酯。6.如权利要求1所述的具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜，其特征在于：所述三维有序的结构色膜在点光源照射下，可以实现虹彩渐变色，即在一个观察角度下，有序结构出现渐变的虹彩色，所述点光源包括LED灯或手电筒。7.权利要求1
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6中任一项所述的具有多模式可变结构色的三维有序的结构色膜的制备方法，其特征在于：由二氧化硅微球、聚苯乙烯微球或聚甲基丙烯酸甲酯微球与空气构成的结构色膜的方法，包括(1)或(2)中任一种：(...

【专利技术属性】
技术研发人员：武素丽，孟志鹏，吴越，张淑芬，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：