一种疏水性结构色涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于疏水性结构色涂层领域，涉及光子晶体结构色的技术，尤其涉及一种疏水性结构色涂膜的制备方法。能广泛应用于装饰装修、防伪、化妆品包装、工艺品和布告牌等方面。
【背景技术】
[0002]自然界中蝴蝶的翅膀具有非常良好的疏水性能，水滴不仅不会浸湿蝴蝶的翅膀，还会呈球形很容易滚离表面，这种优良的疏水性能保证了蝴蝶在下雨天依然可以生存。不仅如此，很多蝴蝶的翅膀都会呈现出绚丽的色彩，且从不同方向观察往往颜色也不一样，这表明蝴蝶翅膀表面的颜色并不是我们常见的化学色。这种以特殊的物理结构来产生颜色，被称之为结构色。光子晶体是自然界中普遍存在的一种结构色。光子晶体具有光子禁带，通过控制光子的传播而产生结构色，这种自然结构色具有高亮度、高饱和度和虹彩现象等特性。在实际应用中，光子晶体结构色通常由二氧化硅或者聚苯乙烯纳米颗粒组装而成，其涂层存在耐水性、耐候性差等缺点，比如对于外墙的应用，光子晶体涂层由于会受到尘埃、雾气和雨雪等污染物的影响，它们的使用将会受限。因此，在保持光子晶体有序结构的同时，改善具有结构色涂层的综合性能，使其兼具疏水能力和明亮结构色，对于发展这种环保型疏水结构色涂层是非常有意义的。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的是提供一种疏水性光子晶体膜及其制备方法。通过低表面能的疏水剂对光子晶体表面进行修饰，在不破坏光子晶体晶体有序性结构的同时，又解决光子晶体耐水性差的问题。涂层的疏水效果不仅取决于疏水剂表面自由能的大小，还与其表面粗糙度有密切的关系。疏水性光子晶体涂层不仅构建微观尺度上的纳米级几何结构，增加表面凹凸起伏，而且在涂层表面提供了低表面能的疏水材料，赋予涂层更好的疏水效果。
[0004]本发明的制备方法中，对疏水性光子晶体膜的基本要求是:首先要求疏水性光子晶体涂层具良好的疏水效果，并且静态接触角在130°以上，其次，要求疏水性光子晶体涂层具有鲜艳的、能覆盖全色谱的颜色，最后要求疏水剂在对光子晶体膜进行修饰时要保持光子晶体的有序结构，并且疏水剂的颜色为透明或半透明，不能影响光子晶体膜的结构色彩。因此对疏水性光子晶体膜的材料有严格要求，本发明首先选用单分散性优异的阴离子型纳米颗粒作为单元材料组装成光子晶体膜，再选择阳离子型疏水剂在光子晶体膜上进行涂覆，这样阳离子型疏水剂可通过其阳离子基团与阴离子型纳米颗粒直接吸附，使涂层形成紧密的结合，并有良好的成膜性，同时疏水剂中的疏水基团定向向涂层外排列，提高了涂层的疏水性能。
[0005]根据以上的发明构思，本发明的疏水性结构色涂层及其制备方法包括:
1.一种疏水性结构色涂层，其特征在于:该涂层由两层材料构成，第一层为单分散的阴离子型纳米颗粒通过自组装的方法组装成的结构色膜，第二层为在第一层得到的结构色膜表面涂覆的阳离子型疏水剂层；阳离子型疏水剂通过其阳离子基团与单分散的阴离子型纳米颗粒直接吸附，疏水剂中的疏水基团定向向涂层外排列。
[0006]所述的单分散的阴离子型纳米颗粒是嵌段聚合物颗粒，其颗粒的外层主要是羧基基团构成。
[0007]所述的单分散的阴离子型纳米颗粒是单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)颗粒或者聚(苯乙烯-甲基丙烯酸酯-甲基丙烯酸)颗粒。
[0008]所述的阳离子型疏水剂是改性的阳离子苯丙乳液或改性的阳离子丙烯酸乳液，可为市售产品。
[0009]所述的阳离子型疏水剂是通过疏水改性剂乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三异丙基硅烷、丙烯酸六氟庚酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯中的I种或几种，和共聚单体、阳离子型功能性单体共聚得到。
[0010]所述的共聚单体选自甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基丙烯酸、丙烯酸、醋酸乙烯酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯中的I种或几种。
[0011]所述的阳离子型功能性单体是甲基丙烯酸酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵中的一种或几种的混合物。
[0012]所述的第二层得到的阳离子型疏水剂层的厚度为100?300 nm。
[0013]所述的阳离子型疏水剂的颜色为透明或半透明。
[0014]所述的单分散的阴离子型纳米颗粒的浓度为0.2 wt%?10 wt%，优选为0.lwt%?0.5 wt%0
[0015]所述的单分散的阴离子型纳米颗粒的粒径范围是150 nm?350 nm。
[0016]所述的阳离子型疏水剂的浓度为3wt%?15 wt%，优选为5 wt%?8 wt%D
[0017]2.一种疏水性结构色涂层的制备方法，其特征是，所述的制备方法包括以下步骤:
(1)将一定浓度的单分散的阴离子型纳米颗粒采用自组装的方法在基材上制备成光子晶体结构色薄膜；
(2)将一定浓度的阳离子型疏水剂配制成溶液后，涂覆于步骤(I)制备得到的光子晶体结构色薄膜上，得到疏水性结构色涂层，其接触角在130°以上。
[0018]所述的单分散的阴离子型纳米颗粒是嵌段聚合物颗粒，其颗粒的外层主要是羧基基团构成。
[0019]所述的单分散的阴离子型纳米颗粒是单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)颗粒或者聚(苯乙烯-甲基丙烯酸酯-甲基丙烯酸)颗粒。
[0020]所述的阳离子型疏水剂是改性的阳离子苯丙乳液或改性的阳离子丙烯酸乳液，可为市售产品。
[0021]所述的阳离子型疏水剂是通过疏水改性剂乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三异丙基硅烷、丙烯酸六氟庚酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯中的I种或几种，和共聚单体、阳离子型功能性单体共聚得到。
[0022]所述的共聚单体选自甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、甲基丙烯酸、丙烯酸、醋酸乙烯酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯中的I种或几种。
[0023]所述的阳离子型功能性单体是甲基丙烯酸酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵中的一种或几种的混合物。
[0024]所述的阳离子型疏水剂的颜色为透明或半透明。
[0025]所述的一定浓度的单分散的阴离子型纳米颗粒的浓度为0.2 wt%?10 wt%，优选为 0.lwt% ?0.5 wt%o
[0026]所述的单分散的阴离子型纳米颗粒的粒径范围是150 nm?350 nm。
[0027]所述的一定浓度的阳离子型疏水剂的浓度为3wt%?15 wt%，优选为5 wt%?8wt%。
[0028]所述的自组装的方法选自喷墨打印法、竖直沉积法、喷涂法或旋涂法中的一种。
[0029]所述的基材包括:纸张、玻璃、硅片或金属(包括铝或铜等)板等。
[0030]本发明方法制备得到的疏水性光子晶体涂层的接触角在130°以上，其色彩可覆盖全色谱(400?800 nm的可见光区域)。
[0031]本发明的方法不仅利用光子晶体结构色表面粗糙程度，还能显示五彩斑斓的色彩，通过疏水剂的对涂层的修饰能得到疏水性的结构色涂层。进一步，阳离子型疏水剂可通过其阳离子基团与阴离子型纳米颗粒直接吸附，使涂层形成紧密的结合，并有良好的成膜性，同时疏水剂中的疏水基团定向向涂层外排列，提高了涂层的疏水性能。该发明的方法工艺简单、制备成本低廉，而所具有的色彩也不含任何化学染料成分，不会褪色，具有环境友好性。本发明的制备方法得到的涂层疏水效果良好，可应用于装饰装修、防伪、化妆品包装、工艺品和布告牌等方面。
[0032]本发明方法的优点在于:1.本发明的制备方法简单、成本低廉，绿色环保，可以大面积的制备疏水性结构色涂层。
[0033]2.本发明得到的疏水性光子晶体涂层疏水效果良好，接触角在130°以上。
[0034]3.本发明得到的疏水性光子晶体涂层应用广泛，在装饰装修、防伪、化妆品包装、工艺品和布告牌等领域有实际的