一种功能化结构色染料及其制备和应用的制作方法

本发明属于功能化结构色染料技术领域，特别涉及一种具有紫外防晒功能的结构色染料及其制备和应用。

背景技术：

结构色(包括光子晶体和非晶光子晶体)是由折射率不同的两种或多种介电材料在空间有序/无序排列而形成的三维周期性结构。例如孔雀的羽毛，蝴蝶的翅膀，绚丽的蛋白石，它们均是在自然界广泛存在的结构色材料。其中粒径在100nm-500nm的单分散微球由于制备工艺成熟，组装过程简单，成为自组装制备光子晶体常用的组装单元。这种来源于他们自身的纳米，微米周期结构的绚丽的“结构色彩”，具有环境友好，高亮度和饱和度，光谱范围广，虹彩效应，永不褪色的特点，是一种新型的结构色染料，并可获得无污染的染色过程，从根本上消除印染对环境造成的严重污染，丰富纺织印染色系。目前国内外部分课题组也开始就结构色在织物整理及染色方面的应用展开了初步的研究，并在各种织物、金属、合金及各种复合材料等表面制备了仿生光子晶体结构色，取得了一定的研究进展并展现出良好的应用前景。而如何进一步将结构色染料功能化，对于扩展其应用领域具有十分重要的意义。

日常生活中，为了保护皮肤免受阳光中紫外线的伤害，多种日用化妆品中都添加了防晒剂，特别是防晒霜，为了提高防晒产品的防晒指数，需要加入高浓度的紫外线吸收剂和紫外线屏蔽剂。然而大多数的紫外线吸收剂都会使皮肤产生接触过敏或光致过敏反应，有些紫外线吸收剂甚至会有致癌作用。利用高分子聚合物包覆紫外线吸收剂得到具核壳结构的防晒微胶囊，可以使芯材紫外线吸收剂的稳定性提高，在保持其防晒性能的同时可以减少紫外线吸收剂与皮肤的接触，降低其对皮肤的刺激作用。另外，纳米尺寸的防晒微胶囊由于尺寸效应，具有更好的透明性、分散稳定性和防晒性能，使得防晒纳米胶囊在日化产品中有更广泛的应用。

是否能够将具有防晒性能的纳米微球与由纳米微球组装而成的结构色染料结合在一起，从而扩展结构色染料的应用范围和使用价值，目前尚未见类似文献报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有紫外防晒功能的结构色染料及其制备和应用，克服了传统的先依靠染料进行染色、再通过紫外防晒剂涂覆的工艺缺陷。

本发明的一种功能化结构色染料，将紫外防晒材料修饰在单分散微球表面或者包覆在单分散微球壳层中制得。

所述单分散微球的粒径为100-500nm；单分散性小于5％。

所述单分散微球为市售或基于文献方法(乳液聚合法、原位诱导还原法或法)合成。

所述单分散微球为聚合物微球或无机纳米微球。

所述聚合物微球选自聚苯乙烯、聚丙烯酸、聚苯乙烯-聚丙烯酰胺、聚-n-异丙基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸、聚丙烯酰胺中的一种。

所述无机纳米微球选自二氧化硅、二氧化钛、四氧化三铁、氧化铁、碳、稀土氧化物中的一种。

所述紫外防晒材料选自奥克立林、阿伏苯腙、对氨基苯甲酸衍生物、水杨酸及其衍生物、肉桂酸酯类化合物、二苯酮类化合物、邻氨基苯甲酸酯、二苯甲酰甲烷类化合物或樟脑。

本发明还提供了上述功能化结构色染料的制备方法，包括：

将紫外防晒材料修饰在单分散微球表面或者包覆在单分散微球壳层中，得到微球溶液，稀释至浓度为0.1-10wt％，超声分散均匀，然后在基材上自组装，制得。

所述基材为金属、合金、聚合物材料、无机非金属材料。

所述金属选自cu、al、ti或fe等；合金选自铝合金、钛合金或不锈钢等。

所述聚合物材料选自塑料、纤维、橡胶中的一种或几种。

所述无机非金属材料选自陶瓷、玻璃、硅片中的一种。

所述自组装的工艺条件为：在恒温恒湿的环境或恒温环境，温度为20～80℃，湿度为10～90％。

本发明还进一步提供了上述功能化结构色染料在紫外防晒领域中的应用。

本发明通过对结构色染料的组成单元进行修饰或者包覆具有紫外防晒功能的材料，从而取代传统的先依靠染料进行染色、再通过紫外防晒剂涂覆的工艺，达到具有紫外防晒功能的结构色染料的快速大面积制备的目的。

有益效果

(1)本发明工艺简单，节约了制备成本，且普适性强，具有良好的应用前景。

(2)本发明从扩展结构色染料的应用和使其功能化角度入手，通过紫外防晒材料的加入提高结构色染料的紫外光防晒性能，从而利用功能化结构色染料取代传统的依靠染料进行染色、进一步利用防晒涂层达到防晒效果的工艺，在赋予结构色材料紫外防晒功能的同时，又不影响制备得到的结构色的光学性能和色泽度，达到一步染色并防晒的效果。

(3)本发明的结构色染料具有良好的紫外光防晒性能，具有对不同组成和微结构的基材的广谱适用性，生物相容性，同时保证了防晒材料化学结构的稳定性，免于其在自然条件下的分解及对人体直接接触造成伤害等优点，达到同步染色及防晒的目的。

附图说明

图1为实施例1制得的结构色染料的防晒效果；其中，reference为单分散微球无序排列形成的涂层防晒效果；pcs为纯光子晶体结构色涂层的防晒效果；sunscreen为实施例1制得的包含有紫外防晒剂的结构色防晒效果；

图2为实施例1中制备得到的结构色染料的光学性能及色泽度展示。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

采用乳液聚合法，制备粒径为200nm的单分散的聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸为壳，奥克立林紫外防晒剂为核的核壳结构乳胶粒水溶液，稀释至浓度为0.1wt％并超声分散均匀，然后将涤纶织物浸入上述混合溶液中，在20℃的温度和10％的湿度环境下自组装得到在涤纶织物表面具有紫外防晒性能的结构色染料。

对本实施例制备的包覆奥克立林的结构色染料的紫外光吸收值进行测试，另取聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸单分散微球无序排列形成的涂层以及纯光子晶体结构色涂层作为参照对比，结果如图1所示，可知包覆有防晒剂的结构色染料的防晒指数达到120，证明了结构色染料将紫外防晒剂很好的包覆在结构内部且具有较好的紫外线防晒想效果。

由图2可知，本实施例制得的染料的结构色涂层展现出大面积范围内均一、绚丽的蓝紫色，光学性能优异。

实施例2

采用乳液聚合法，制备粒径为500nm的单分散的聚苯乙烯为壳，阿伏苯腙紫外防晒剂为核的核壳结构乳胶粒水溶液，稀释至浓度为10wt％并超声分散均匀，然后将涤纶织物浸入上述混合溶液中，在80℃的温度和90％的湿度环境下自组装得到在塑料表面具有紫外防晒性能的结构色染料。包覆有防晒剂的结构色染料的防晒指数达到105，证明了结构色染料将紫外防晒剂很好的包覆在结构内部且具有较好的紫外线防晒想效果。本实施例制得的染料的结构色涂层展现出大面积范围内均一、绚丽的红色，光学性能优异。

实施例3

采用乳液聚合法，制备粒径为300nm的单分散的聚丙烯酸为壳-对氨基苯甲酸衍生物紫外防晒剂为核的核壳结构乳胶粒水溶液，稀释至浓度为1wt％并超声分散均匀，然后将铝合金基底浸入上述混合溶液中，在50℃的温度和50％的湿度环境下自组装得到在铝合金表面具有紫外防晒性能的结构色染料。包覆有防晒剂的结构色染料的防晒指数达到145，证明了结构色染料将紫外防晒剂很好的包覆在结构内部且具有较好的紫外线防晒想效果。本实施例制得的染料的结构色涂层展现出大面积范围内均一、绚丽的黄红色，光学性能优异。

实施例4

采用原位诱导还原法制备单分散的粒径为150nm的单分散fe3o4为壳-水杨酸及其衍生物为核的核壳结构乳胶粒水溶液，稀释至浓度为3wt％并超声分散均匀，然后将金属cu片基底浸入上述混合溶液中，在40℃的温度和70％的湿度环境下自组装得到在金属cu片表面具有紫外防晒性能的结构色染料。包覆有防晒剂的结构色染料的防晒指数达到123，证明了结构色染料将紫外防晒剂很好的包覆在结构内部且具有较好的紫外线防晒想效果。本实施例制得的染料的结构色涂层展现出大面积范围内均一、绚丽的紫色，光学性能优异。

实施例5

采用法制备粒径为400nm的单分散sio2为壳-肉桂酸酯类紫外防晒剂为核的核壳结构乳胶粒水溶液，稀释至浓度为3wt％并超声分散均匀，然后将橡胶片浸入上述微球溶液，在20℃的温度和10％的湿度环境下自组装得到在橡胶表面具有紫外防晒性能的结构色染料。包覆有防晒剂的结构色染料的防晒指数达到101，证明了结构色染料将紫外防晒剂很好的包覆在结构内部且具有较好的紫外线防晒想效果。本实施例制得的染料的结构色涂层展现出大面积范围内均一、绚丽的红色，光学性能优异。

实施例6

采用乳液聚合法制备粒径为500nm的单分散聚-n-异丙基丙烯酰胺为壳-二苯酮类化合物为核的核壳结构乳胶粒水溶液，稀释至0.5wt％并超声分散均匀，然后将玻璃片浸入上述微球溶液，在20℃的温度和10％的湿度环境下自组装得到在玻璃表面具有紫外防晒性能的结构色染料。包覆有防晒剂的结构色染料的防晒指数达到113，证明了结构色染料将紫外防晒剂很好的包覆在结构内部且具有较好的紫外线防晒想效果。本实施例制得的染料的结构色涂层展现出大面积范围内均一、绚丽的红色，光学性能优异。

实施例7

采用乳液聚合法，制备粒径为300nm的单分散聚丙烯酰胺为壳-邻氨基苯甲酸酯类衍生物为核的核壳结构乳胶粒水溶液，稀释至2.5wt％并超声分散均匀，然后将硅片浸入上述微球溶液，在50℃的温度和50％的湿度环境下自组装得到在硅片表面具有紫外防晒性能的结构色染料。包覆有防晒剂的结构色染料的防晒指数达到107，证明了结构色染料将紫外防晒剂很好的包覆在结构内部且具有较好的紫外线防晒想效果。本实施例制得的染料的结构色涂层展现出大面积范围内均一、绚丽的黄绿色，光学性能优异。

实施例8

采用乳液聚合法，制备粒径为300nm的单分散聚丙烯酰胺为壳-二苯甲酰甲烷类化合物为核的核壳结构乳胶粒水溶液，稀释至5wt％并超声分散均匀，然后将纯棉织物浸入上述微球溶液，在50℃的温度环境下自组装得到在纯棉织物表面具有紫外防晒性能的结构色染料。包覆有防晒剂的结构色染料的防晒指数达到118，证明了结构色染料将紫外防晒剂很好的包覆在结构内部且具有较好的紫外线防晒想效果。本实施例制得的染料的结构色涂层展现出大面积范围内均一、绚丽的黄绿，光学性能优异。

实施例9

采用法制备粒径为250nm的单分散sio2为壳-樟脑类衍生物为核的核壳结构乳胶粒水溶液，稀释至浓度为1.5wt％并超声分散均匀，然后将橡胶片浸入上述微球溶液，在20℃的温度环境下自组装得到在橡胶表面具有紫外防晒性能的结构色染料。包覆有防晒剂的结构色染料的防晒指数达到116，证明了结构色染料将紫外防晒剂很好的包覆在结构内部且具有较好的紫外线防晒想效果。本实施例制得的染料的结构色涂层展现出大面积范围内均一、绚丽的绿色，光学性能优异。