[发明专利]一种具有结构色且可应力诱导变色的材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种具有结构色且可应力诱导变色的材料及其制备方法。

背景技术

自然界的颜色丰富多彩，色彩斑斓的色彩产生途径是多种多样的，大体上可分为色素色（化学色）与结构色（物理色）。绝大多数的颜色均是源自于色素色的效果，色素色是物质通过吸收某种波长而反射其他光波的原理来显示各种颜色的。为了赋予物体一定的颜色，传统的染色技术通常采用各种颜色的无机或有机染料作为染色剂，该染色过程不可避免的存在着大量的金属离子或有毒有害的化合物，这些污染物对人类的生活环境存在着很大的负面影响，并且处理这些污染物需要耗费大量的人力物力财力，难以实现可持续发展。结构色作为一种物理色，不但颜色明亮，饱和度高，永不褪色，并且是一种无污染的环境友好型的生色途径。另外，结构色是源自于光波与物体结构发生散射、衍射或干涉的物理过程，光子晶体是一种能够产生结构色的人造周期性电介质材料，轻微改变光子晶体结构参数就能实现结构色的改变，这种变色材料是一种新颖的敏感材料，能够广泛运用于许多领域，如纺织业、感应器和显示器等。

目前，国内外已经报道了一些纤维状或者平面状的光子晶体结构色材料，其中聚合物微球如聚苯乙烯、二氧化硅微球是最常用的制备光子晶体结构的原材料，其制备方法主要有自然沉积法、高温挤出法，电泳沉积法，纳米光刻法等等。但是这些方法存在耗时长、温度高、条件苛刻等缺点，为了实现结构色材料的广泛运用，积极寻求成本低、简单便捷、颜色鲜艳、环境友好、可连续制备的结构色染色技术是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有结构色，且在应力作用下可实现结构色稳定快速而可逆的改变的材料及其制备方法。

本发明提供的具有结构色且可应力诱导变色的材料的制备方法，具体步骤为：

（1）首先合成具有核壳结构的聚合物微球，然后通过稀释或者浓缩得到浓度合适的聚合物微球的分散液；

（2）将基底物体直接浸入到上述核壳型结构聚合物微球分散液中，待物体表面浸涂上一层核壳型聚合物微球的分散液后，取出；例如，对于基底物体为膜、三维立体物体等；

或者将基底物体通过一个电机传送，使其连续不断地浸入到核壳型聚合物微球分散液中，待物体表面浸涂上一层核壳型聚合物微球的分散液后，由另一个电机收集浸涂上分散液的物体，便于连续制备；例如，对于基底物体为纤维材料等；

（3）将浸涂有核壳型结构聚合物微球分散液的物体挥发掉其中的溶剂，即得到具有结构色且可应力诱导变色的材料。

本发明中，所述的核壳结构聚合物微球具有单分散性好和粒径均一的特点；并且，该聚合物微球中，其内核为相对较硬的聚合物，如二氧化硅、聚苯乙烯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯等，外壳为较软的聚合物，如聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸异辛酯等等。硬核与软壳的厚度比例可以进行简单调控，一般两者比例为1:99-99:1，优选40:60-80:20。另外，核壳结构聚合物微球的粒径范围为100-400纳米。

本发明中，核壳型聚合物微球的制备方法包括乳液聚合法，沉淀聚合法等。比如采用乳液聚合法制备具有聚苯乙烯硬核和聚丙烯酸乙酯的软壳的纳米微球。

本发明中，所述的核壳结构聚合物微球分散液中，其溶剂是可以分散聚合物微球且与基底材料不发生反应的；根据不同的制备方法，分散液中的溶剂可以是水、乙腈或者乙醇等等。通过添加溶剂稀释或者蒸发溶剂浓缩得到的核壳型聚合物微球分散液的质量浓度（即固含量）为1%-90%，优选10%-60%。

本发明中，所述的基底可采用任意形状和任意材质的物体，包括纤维状、膜状，或其他三维立体物体，这些物体可以是具有光滑的表面，也可以是比较粗糙的表面；可以是刚性的，也可以是具有弹性的。

本发明中，浸涂可以直接把物体浸入到核壳型结构聚合物微球分散液中，进行着色；也可以采用两个电机来控制物体的浸涂过程与收集过程，进行连续着色，其中，一个电机匀速地将大量物体连续经过核壳型聚合物微球分散液，另一个电机匀速收集浸涂上核壳型聚合物微球分散液的物体。一般地，两个电机的转动速度相同；且电机转动的速度匀速可调。一般地，浸涂时间控制在5秒-60分钟之间，优选5秒-10分钟；挥发溶剂的时间为5秒-60分钟，优选5秒-10分钟。

最终，物体上浸涂的聚合物微球有序地排列在物体的表面而产生结构色，浸涂上的聚合物微球的厚度为1-200 μm，优选厚度在5-100 μm。