一种喷墨打印制备大面积结构生色图案的方法与流程

本发明属于大面积结构色图案制备领域，特别涉及一种利用喷墨打印技术在纸上得到大面积结构生色图案的方法。

背景技术：

通过光的色散、折射、衍射、干涉而产生的颜色效应称为结构色。结构色具有光亮度、高饱和度、永不褪色等特点与优势，所以，近些年如何制备大面积的结构色光子晶体图案受到人们极大的关注。目前，得到结构色图案的方法包括自组装法、垂直沉积法、旋转涂层法和喷墨打印技术。自组装方法需要使用图案化的模板基底,在空间限域作用下组装胶体粒子到模板上,难以大规模制备,限制了图案化光子晶体的实际应用。竖直沉积方法是基于乳胶粒蒸发过程中的回流力及毛细力实现乳胶粒组装，是迄今为止胶体晶体制备的最为常用的方法。但仍不能满足对大面积样品的制备需求，为此旋转涂层方法被用于胶体晶体的大面积制备。但该方法需要将单分散胶乳样品分散在高黏度分散液中，其再分散过程的工艺非常繁琐，且有时很难找到合适的分散体系。而喷墨打印技术更容易实现大面积复杂图案的直接书写和复合功能材料的图案化，且制备简便，成本低廉，无需使用预先图案化的模板。另外，喷墨打印技术打印的结构色图案可以使墨水均匀沉积在基质表面，从而使得到的大面积结构色图案颜色均一。

对于喷墨打印技术制备大面积结构色光子晶体图案，人们一般使用两类设备，一类是普通的喷墨打印机，另外一类就是材料喷墨沉积仪。前者价格低廉，打印的基质一般选择PET，墨水的材料包括聚合物微球(Journal of Materials Chemistry,2009,19(31):5499-5502.)、TiO₂(ACS nano,2016,10(3):3078-3086.)等。材料喷墨沉积仪相对于普通喷墨打印机价格昂贵，使其应用受到限制。宋延林等利用材料喷印沉积仪将聚合物微球打印在疏水的PDMS基质上(Advanced Optical Materials,2014,2(1):34-38.)。利用液滴在基底表面上三相线的滑移抑制“咖啡环”效应，制备具有较大高径比且纳米粒子紧密堆积的组装结构，进而得到角度无关的结构色图案。

以上两种方法虽然能够得到大面积的结构色图案，但两种方法所需基质材料都要经过预先处理，且第二种设备价格昂贵，限制了其使用。因此仍然有必要开发一种利用普通喷墨打印机在纸上打印得到大面积结构色图案的方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种简单普适的制备大面积结构色图案的方法，利用普通喷墨打印机在无需预处理的纸上得到大面积结构色图案。该方法不仅成本低廉，同时使用的基质材料不需要经过预处理，方法实用性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：将含有高折射率单分散微球的墨水装于墨盒内，通过计算机软件设计图案，利用喷墨打印机使墨水在纸上均匀沉积，得到大面积的结构色图案。其实现过程包含以下工艺步骤：

①制备单分散胶体微球，将由单分散胶体微球、高沸点助剂、乙醇、甘油、表面活性剂、消泡剂、胶黏剂、pH调节剂和去离子水混合，超声分散得到的墨水装于喷墨打印机的墨盒中；

②通过计算机软件设计图案；

③将②所设计的图案用①所配制的墨水通过喷墨打印技术打印在纸上，得到大面积结构色图案。

所述高沸点助剂为沸点大于180℃的有机溶剂。

进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述高折射率单分散亚微米胶体微球为折射率大于2的纳米微球，硫化镉(CdS)，氧化亚铜(Cu₂O)，二氧化钛(TiO₂)，硫化锌(ZnS)或氧化锌(ZnO)中的一种。

进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述单分散胶体微球粒径范围为90～400nm。

进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述单分散胶体微球、高沸点助剂、乙醇、甘油、表面活性剂、消泡剂、胶黏剂、pH调节剂和去离子水混合，超声分散得到的墨水中单分散胶体微球的含量为5～20wt％、高沸点助剂的含量为5～15wt％、乙醇的含量为8～20wt％、甘油的含量为1～5wt％、表面活性剂的含量为2～5wt％、消泡剂的含量为0.1～0.2wt％，胶黏剂的含量为1～4wt％，pH调节剂的含量为2～4wt％，余量为去离子水。

进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述高沸点助剂为乙二醇、二乙二醇或甲酰胺。

进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述表面活性剂为OP-10或聚乙烯吡咯烷酮。

进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述消泡剂为磷酸三丁酯。

进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述胶黏剂为聚乙烯醇、聚氨酯树脂和丙烯酸树酯中的一种。

进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述的pH调节剂为三乙醇胺、二乙醇胺和乙醇胺中的一种。

进一步地，在上述技术方案中，步骤①中所述的纸为铜版纸、RC相纸和高光相纸中的一种。

进一步地，在上述技术方案中，步骤③中所述打印机为喷墨打印机。

发明有益效果

本发明利用普通喷墨打印机，使得含有单分散微球的墨水在纸上均匀沉积，基质无需预处理，最终得到大面积的结构色图案。该方法不仅成本低廉，同时使用的基质材料不需要经过预处理，方法实用性强。

本发明提供一种由上述方法制备，在纸张上得到大面积的结构色图案。

本发明提供一种由上述方法制备得到的含有大面积结构色图案的纸张。

附图说明

图1中a，b，c分别为实施例1中喷墨打印大面积的红色结构色图案的数码照片图、扫描电镜图以及反射光谱图；

图2中a，b，c分别为实施例2中喷墨打印大面积的绿色结构色图案的数码照片图、扫描电镜图以及反射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的较佳实施例进行阐述，使本发明能够更好地被本领域技术研究人员理解，从而对本发明的保护范围做出清晰明确的界定。

实施例1

喷墨打印CdS墨水得到大面积的红色结构色图案.

首先制备单分散CdS胶体微球，具体制备方法如下：

称取6g聚乙烯吡咯烷酮粉末(PVP)，加入150mL二乙二醇，再加入等物质的量的硝酸镉和硫脲粉末，硝酸镉和硫脲的物质的量为15mmol，搅拌至所有粉末完全溶解。将溶液加热至160℃，保温反应5h后自然冷却至室温，将产物离心后乙醇和水洗3次干燥。

称取一定量单分散CdS微球粉末，充分研磨，其中，加入单分散胶体微球的含量为12wt％、乙二醇的含量为5wt％、乙醇的含量为10wt％、甘油的含量为5wt％、PVP的含量为2.7wt％、磷酸三丁酯的含量为0.1wt％，聚乙烯醇的含量为1wt％，三乙醇胺的含量为3wt％，余量为去离子水。超声30min，配制成分散均匀的墨水。

将配置好的墨水装于墨盒内，利用喷墨打印机打印已经设计好的图案，使墨水中的CdS纳米粒子在高光相纸上均匀沉积，最终得到大面积的红色结构色图案。

实施例2

喷墨打印CdS墨水得到大面积的红色结构色图案.

首先制备单分散CdS胶体微球，具体制备方法如下：

称取6g聚乙烯吡咯烷酮粉末(PVP)，加入150mL二乙二醇，再加入等物质的量的硝酸镉和硫脲粉末，硝酸镉和硫脲的物质的量为20mmol，搅拌至所有粉末完全溶解。将溶液加热至162℃，保温反应6h后自然冷却至室温，将产物离心后乙醇和水洗3次干燥。

称取一定量单分散CdS微球粉末，充分研磨，其中，加入单分散胶体微球的含量为15wt％、乙二醇的含量为5wt％、乙醇的含量为10wt％、甘油的含量为5wt％、PVP的含量为3wt％、磷酸三丁酯的含量为0.1wt％，聚乙烯醇的含量为1.5wt％，三乙醇胺的含量为3wt％，余量为去离子水。超声30min，配制成分散均匀的墨水。

将配置好的墨水装于墨盒内，利用喷墨打印机打印已经设计好的图案，使墨水中的CdS纳米粒子在高光相纸上均匀沉积，最终得到大面积的绿色结构色图案。