基於烏賊墨汁的可調無虹彩結構色顏料及其製備方法
2023-07-25 01:34:46
基於烏賊墨汁的可調無虹彩結構色顏料及其製備方法
【專利摘要】本發明屬於結構色顏料【技術領域】，具體為一種基於烏賊墨汁的可調非虹彩結構色顏料及其製備方法。本發明的可調非虹彩結構色顏料由烏賊墨汁顆粒和另外一種具有高的可見光波段吸收率的微粒自組裝而形成，其具有短程序的光子非晶結構；所述烏賊墨汁顆粒平均尺寸為110納米；所述另外一種微粒粒徑為200納米至400納米。本發明可調非虹彩結構色顏料由自組裝一步法製備得到，簡單快速，可大面積製備，製得的顏料顏色可視性好、且可調，可以使用在任何襯底上仍能顯示明亮的顏色，顏色隨觀察角度不變化。本發明在塗料、化妝品、紡織和顯示等領域具有廣闊的應用前景。
【專利說明】基於烏賊墨汁的可調無虹彩結構色顏料及其製備方法
[0001]【技術領域】
本發明屬於結構色顏料【技術領域】，具體涉及烏賊墨汁作為組成物質之一的可調無虹彩結構色顏料及其製備方法。
[0002]【背景技術】
光子晶體結構在自然界中被廣泛採用產生虹彩結構色；同樣在一些甲蟲鱗片和鳥類羽毛中存在光子非晶結構，這種結構具有光學特徵尺度在可見光波段的短程序，能夠產生可見的無虹彩結構色。只要光子非晶結構不被破壞，無虹彩結構色永不褪色且具有明亮而柔和的特點，在塗料、化妝品、紡織和顯示等領域有廣闊的應用前景。
[0003]微球自組裝方法通常被採用人工製備具有長程序和短程序的光子晶體結構和只具有短程序的非晶光子結構，這種方法工藝簡單，成本低並可以獲得大面積的樣品。一種微球通過自組裝很容易堆疊形成高度有序的面心立方結構而擁有長程序。而要獲得只具有短程序的光子非晶結構，現有的方法是基於自組裝的方法是通過加入鹽電解質來調節一種單分散微球的範德瓦爾斯力或者採用兩種單分散的有機或無機微球的混合等來實現的，但由於入射光的多次散射影響，顏色的可視性較差。如果要獲得可視性較好的顏色，需要另外加入吸收性的物質，如炭黑或者Fe3O4顆粒。總體來說，這些製備方法都非一步到位式；但對於塗料、化妝品、紡織和顯示等領域的顏色應用，方法簡單快速、大面積製備、顏色可視性好和可調的無虹彩結構色顏料的製備顯得尤其需要。
[0004]
【發明內容】
本發明的目的在於提供一種顏色可視性好的，製備方法簡單的基於烏賊(墨魚)墨汁的可調無虹彩結構色顏料及其製備方法。
[0005]本發明提供的基於烏賊(墨魚)墨汁的可調無虹彩結構色顏料，由烏賊(墨魚)墨汁顆粒和另外一種具有高可見光波段吸收率的微粒(微球)自組裝而形成，其具有短程序的光子非晶結構。因烏賊(墨魚)墨汁顆粒具有高的可見光波段吸收率，因此最後得到的光子非晶結構顯示出可視性好的隨觀察角度不變的顏色，並且顏色能長時間保存，不褪色。通過改變微粒(微球)的直徑，可調節顏料的顏色，可得到可見光光譜內的所有顏色。
[0006]本發明提供的可調無虹彩結構色顏料，採用自組裝方法一步製備，具體步驟為；
把一定量的烏賊(墨魚)墨汁顆粒的水分散溶液和一定量的另外一種微粒(微球)的水
分散溶液進行充分混合，其中，所述「一定量」的範圍為0.1飛克(即墨汁顆粒在0.1飛克範圍內任取，另外一種微粒也0.1飛克範圍內任取);烏賊(墨魚)墨汁顆粒在水分散溶液中的質量濃度範圍為10%~40%，另外一種微粒(微球)在水分散溶液的質量濃度範圍為5%~45% ；兩者水溶液各在自然條件(室溫、自然風)下隨著溶劑的蒸發，墨汁顆粒和另外一種微粒(微球)相進行自組裝，待蒸發過程完成，明亮的顏色即可顯示出來，且觀察角度不同，顏色不變。烏賊(墨魚)墨汁顆粒相對於另外一種微粒(微球)的比例大小造成不同飽和度的顏色；烏賊(墨魚)墨汁顆粒多，顏色偏暗；烏賊(墨魚)墨汁顆粒少，顏色偏売。最後的顏色色調由微粒(微球)的尺寸大小決定。微球的尺寸越大，顏色紅移。
[0007]本發明中，採用的烏賊(墨魚)墨汁直接取自烏賊(墨魚)生物體內或者風乾後的黑色墨汁塊、粉，按照一定的質量分數和去離子水(或者普通水)混合攪拌配製成墨汁水溶液。烏賊墨汁顆粒平均尺寸為80納米-140納米，標準背離為13%;在去離子水中(或者普通水)中具有不團聚，有很好的分散性的天然特性。這個可以由烏賊(墨魚)自身遇到天敵時噴吐迅速擴散的墨汁來得到驗證。
[0008]本發明中，採用的微粒(微球)直徑為200納米至400納米之間，包括聚苯乙烯[英文名為Polystyrene,縮寫為PS]微球、聚甲基丙烯酸甲脂[英文名為poly(methylmethacrylate),縮寫為PMMA]微球、二氧化娃(SiO )微球，以及以聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂為基體修飾(接枝、共聚、羥基化等)的微球；其他市售或者實驗室可以製備的微球也包括在內。
[0009]本發明中，無虹彩結構色顏料的成色機理是:通過烏賊(墨魚)墨汁顆粒和另外一種微粒(微球)的自組裝，烏賊(墨魚)墨汁顆粒在水中有天然的分散特性，另外一種微粒(微球)在水中也有很好的分散特性。因而當水分蒸發完以後很容易形成兩種介質的相間排列，由此形成的結構具有短程序而不具有長程序且光學特徵尺度在200納米至400納米之間，由于波長選擇的相干散射而能夠產生可見光波段的無虹彩結構色。採用不同尺寸的微粒(微球)可以得到不同的光學特徵尺度，從而得到可見光光譜範圍內的可調的顏色。
[0010]本發明中，無虹彩結構色顏料具有好的可視性，關鍵在於烏賊(墨魚)墨汁。烏賊(墨魚)墨汁自身是一種在可見光波段具有全譜高吸收率的物質。烏賊墨汁的吸收特性會因其顆粒混在另外一種微球中間而形成的特殊光子態密度環境中而發生改變，即某些波長相干散射強的頻域吸收少、其餘波長處吸收較之多。因而會把光子非晶結構裡光的多次散射大大降低，特定光學散射峰突出，即對應的顏色可視性增強。
[0011]本發明的人工顏料可應用到任何顏色的襯底上面來表現顏色，如常見的白色背景上(白色列印紙、白色 塑料襯底、白色紡織布料衣物、白色陶瓷表面等)；也可用在透明的基底上(玻璃製品、透明塑料等)。又由於顏料具有無虹彩特性，使得它可以用在任何形狀的表面上，如器物的凹凸面、柔性顯示屏等。總之，本發明的無虹彩結構色顏料在塗料、化妝品、紡織和顯示等顏色相關領域有非常廣闊的應用前景。
[0012]本發明相比現有人工顏料有如下的優點:本發明無虹彩結構色顏料屬於結構色，無毒無害、長時間不褪色。最重要的是使用烏賊(墨魚)墨汁作為顏料的組成成分之一，參與了引起無虹彩結構色的光子非晶結構的生成，並且吸收了一部分的多次散射光，使得顏料可視性大大提高。這種顏料製備方法簡單快速、顏色可調、可大面積製備；並可用在任何的襯底上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明使用的烏賊(墨魚)墨汁顆粒的放大倍率為10000倍的掃描電子顯微鏡圖片。右下角的插入圖是放大倍率為50000倍的掃描電子顯微鏡圖片。由圖片知道，墨汁顆粒平均粒徑為110納米。
[0014]圖2是由烏賊(墨魚)墨汁顆粒和聚苯乙烯微球自組裝後得到的顏料圖片。其中，(a)、(b)、(c)分別對應聚苯乙烯微球直徑為:200納米、240納米、290納米。
[0015]圖3是顏料顏色結構不同放大倍率的掃描電子顯微鏡圖。其中，(a)對應於圖2(a)中藍色顏色結構的放大倍率為10000倍的掃描電子顯微鏡圖，插入的為放大倍率為50000倍的掃描電子顯微鏡圖片，圖中紅色和灰色區域分別代表烏賊(墨魚)墨汁顆粒和聚苯乙烯微球。(b)是圖3(a) 10000倍的掃描電子顯微鏡圖進行二維傅立葉變化得到的結果。環形代表了結構具有短程序，並具有光學特徵長度為251納米。
[0016]圖4是對應於圖2中製備得到的三種顏色樣品的光學反射譜。藍線、綠線和紅線分別代表三種顏色樣品。
[0017]圖5是本發明顏料顏色效果圖。其中，(a)是復旦圖標；(b)、(C)是顏料使用3D印表機得到的復旦標示(a)上面的顏色效果圖:(b)觀察角度為0°，(C)觀察角度為60°。
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖並通過實施例對本發明作進一步說明。
[0019]本實施例使用微粒(微球)是聚苯乙烯[英文名為Polystyrene,縮寫為PS]微球。
[0020]實施例1，製備可調無虹彩結構色顏料，步驟為:
(O配製烏賊墨汁水溶液和聚苯乙烯微球水溶液
取風乾後的黑色墨汁塊5克和25克的去離子水混合，為了加速墨汁顆粒的分散，在超聲儀中超聲20分鐘，配製質量比為17%的烏賊墨汁水溶液。用乳液聚合的方法合成聚苯乙烯微球並分散在水溶液中，也可直接購買市售的聚苯乙烯微球水溶液；本實施例中採用後者，最後得到的微球濃度為10% (質量分數)。此步驟中取墨汁塊少量用於觀察掃描電子顯微鏡，得到圖 1的結構照片。
[0021](2)混和烏賊墨汁和聚苯乙烯微球水溶液
取3支5ml離心管並標號，分別滴加I克的聚苯乙烯微球水溶液，然後滴加0.1克的上述烏賊墨汁水溶液。兩者滴加混合順序可改變，不影響最後結果。
[0022](3)均勻混合
手持離心管分別左右振蕩約5分鐘，使上述兩種溶液充分混合。
[0023](4)滴塗到襯底表面
用5ml醫用注射器分別把上述3支混勻的溶液滴於白色相紙上。
[0024](5)顯色
20°(T25°C的室溫下自然風乾，即可得到可視的顏色。對應於圖2(a)、(b)、(c)。取少量觀察掃描電子顯微鏡，以藍色樣為例得到圖3 (a)，並對其做二維傅立葉變換得到圖3 (b)；對其測量反射光譜，得到圖4。光譜分析證明顏色來源於光的對特定波長選擇性散射而不是吸收。
[0025]實施例2應用到實際器物上
用3D印表機列印出來復旦標示的圖樣，基材為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(英文名為 Acrylonitrile butadiene Styrene copolymers,簡稱 ABS),如圖 5 (a)所不。用注射器把實施例1中的混合溶液滴入到復旦模式模塊中，自然風乾。圖中共展示了圖5中聚苯乙烯微球製備出來的顏色:200nm、240nm、260nm、290nm、300nm，對應於藍、綠、黃棕、粉紅和紫色。改變觀察角度，如圖5(b)、(C)，顏色不變化。
【權利要求】
1.一種基於烏賊墨汁的可調無虹彩結構色顏料，其特徵在於:由烏賊墨汁顆粒和另外一種具有高可見光波段吸收率的微粒自組裝而形成，其具有短程序的光子非晶結構。
2.根據權利要求1所述的可調無虹彩結構色顏料，其特徵在於:所述另外一種微粒材料為聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂或二氧化矽，或者為以聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂為基體經接枝、共聚、羥基化修飾的材料。
3.根據權利要求2所述的可調無虹彩結構色顏料，其特徵在於:所述烏賊墨汁顆粒平均尺寸為80納米-140納米；所述另外一種微粒粒徑為200納米至400納米。
4.一種如權利要求1-3之一所述的可調無虹彩結構色顏料的製備方法，其特徵在於具體步驟為: 把一定量的烏賊墨汁顆粒的水分散溶液和一定量的另外一種微粒的水分散溶液進行充分混合，其中，所述「一定量」的範圍為0.1飛克；烏賊墨汁顆粒在水分散溶液中的質量濃度範圍為10%~40%，另外一種微粒在水分散溶液的質量濃度範圍為5%~45% ;兩者水溶液各在自然條件下隨著溶劑的蒸發，墨汁顆粒和另外一種微粒相進行自組裝，待蒸發過程完成，即得到所需的可調 無虹彩結構色顏料。
【文檔編號】C09C3/00GK103965699SQ201410194894
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月10日 優先權日:2014年5月10日
【發明者】張亞峰, 石磊, 劉曉晗, 資劍 申請人:復旦大學