[发明专利]一种兼具结构稳定性和高饱和度的结构色薄膜及其应用

说明书

本发明涉及一种兼具结构稳定性和高饱和度的结构色薄膜。这种复合薄膜是由不同种类的薄膜材料组合得到。具体的是由胶体晶体薄膜和高分子薄膜材料复合而成。本专利在高分子薄膜材料上组装得到胶体光子晶体，在经过适当的热处理或者光处理工艺，即可得到具有高结构稳定性、高饱和度结构色的复合结构色薄膜。本发明得到的复合结构色薄膜产生的结构色兼具高结构稳定性和高饱和度，同时。该方法具有操作简单、成本低廉、绿色环保和普适性好等特点，在防伪、显示、涂料等领域都有着潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及具结构稳定性和高饱和度的复合结构色薄膜的制备及其应用，具体地，涉及一种兼具结构稳定性和高饱和度结构色的胶体晶体薄膜和高分子薄膜材料结合的复合结构色薄膜及其应用。

背景技术

光子晶体(PCs)是近年来物理和工程领域光学研究的重要课题之一，被认为是下一代光学器件，包括照明、显示、光通信、太阳能甚至量子信息系统的发展方向。它由周期介电体、金属-介电体甚至超导体微观结构或纳米结构组成。通过用不同介电常数的材料制造周期性结构，可以形成光子带隙(PBG)。光子带隙能影响电磁波的传播，产生抑制/增强自发辐射、高反射全向反射镜和低损耗波导等明显的光学现象。由于光子晶体的独特光学性质，其在显示、编码、传感、防伪及光纤等领域均具有潜在应用。

胶体晶体(CPCs)是由单分散的微米或亚微米无机或有机颗粒(也称胶体粒子）形成的具有三维有序结构的一类物质。这种自组装的CPCs可以大面积制备，并以较低的成本制成图案多样的图案。由于CPCs周期性结构的布拉格散射产生阻带，使得CPCs具有亮丽的颜色。目前常用的纳米微球为二氧化硅、二氧化钛等无机纳米微球和聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物纳米微球。上述这些纳米微球均为硬质微球，由这些硬质纳米微球自组装所构成的光子晶体结构中，微球与微球间、微球与基材间基本以范德华力或/和氢键等弱作用力相连接，使其在基材上的自组装结构稳定性较差，极易被外力作用所破坏，从而使结构色随之消失。

提高自组装光子晶体结构的稳定性以提高结构色的耐久性已成为结构生色研宄领域的热点问题，研究者们为此开展了大量的研宄工作，如在微球间引入高分子粘结剂(LiY, Zhou L, Liu G, et al. Applied Surface Science，2018,444:145-153.)、采用软质聚合物微球（Sun C, Yao Y, Gu Z. Colloids and Surfaces A:Physicochemical andEngineering Aspects,2012,402:l02-l07.)等方法以增强光子晶体的结构稳定性。然而上述方法虽然增强了结构稳定性，却明显降低了光子晶体结构色的饱和度。这是因为高分子粘合剂等填充物与常用纳米微球(二氧化硅、聚苯乙烯等)的折光指数很接近，从而降低了折光指数差，使得光结构色的饱和度降低。因此，胶体晶体应用范围的扩大需要新的制备以及提高稳定性的方法。

发明内容

本发明的目的是得到一种通过简单方法就能制备的兼具结构稳定性和高饱和度的结构色薄膜。

为了实现上述目的，本发明采用在高分子薄膜材料上面组装胶体光子晶体薄膜得到由两种薄膜组合的复合结构色薄膜，经过热处理或光处理，胶体光子晶体薄膜底层嵌入在高分子薄膜材料表层。

本发明得到一种兼具结构稳定性和高饱和度的结构色薄膜，上层为胶体光子晶体薄膜，下层为高分子薄膜材料。

本发明得到一种兼具结构稳定性和高饱和度的结构色薄膜，胶体光子晶体中纳米粒子呈六方紧密堆积结构、立方紧密堆积结构、非紧密堆积结构、短程有序长程无序的堆积结构中的任意一种结构。

本发明得到一种兼具结构稳定性和高饱和度的结构色薄膜，胶体纳米粒子可以有机纳米粒子、无机纳米粒子、有机-无机复合纳米粒子；优选具有核壳结构的聚合物纳米粒子、聚苯乙烯纳米粒子、二氧化硅纳米粒子、二氧化钛纳米粒子、四氧化三铁纳米粒子、金纳米粒子、银纳米粒子、聚（苯乙烯 -甲基丙烯酸甲酯 -丙烯酸）纳米粒子、聚甲基丙烯酸甲酯胶体纳米粒子中的一种或者几种混合。