[发明专利]基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法

说明书

本发明公开了一种基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，主要是结合多轴机械臂定位和自动化连续供墨系统，采用胶体粒子组装和凝胶固化的方法在亲‑疏水图案化基底上沉积形貌可控、层数可调的三维结构色阵列图案。本方法可以实现固着液滴形成，保证打印墨水在基底上的均匀分配，同时液滴在竖直方向上可进行多次沉积，实现多层结构的构筑。本发明提出的制备结构色三维阵列图案的方法具有过程简单，微阵列像素点形状可任意设计、图案可调性强、色彩均一、重复性好等优势，同时，并联使用多种胶体墨水不仅可以实现多彩图案显示，还可以实现具有多层结构的光学编码阵列的构筑。

技术领域

本发明涉及一种结构色材料图案化的方法，具体涉及一种基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法。

背景技术

不同于染料、色素等化学色，物理色，又称结构色，是材料的有序微纳结构对不同波长的光散射、衍射或干涉后产生的颜色，其具有高亮度、高饱和度、永不褪色等优点，在传感、显示以及防伪标签等领域有着广泛的应用前景。其中，采用胶体粒子自组装制备蛋白石结构或一维结构光子晶体，是一种较为经济的结构色材料制备方法。

近年来，各种结构色材料的图案化策略被相继开发出来，极大地促进了其在各类元器件中的应用。例如，通过将结构色材料引入预制的模板凹槽中可以构筑各种形貌特征的结构色图案。但该方法步骤较为繁琐，制备周期长且图案受制于较为昂贵的模板结构，因此无法满足可任意定制、批量化生产等需求。光刻技术是一种实现高精度结构色图案的有效方式，但该方法同样存在所需仪器价格昂贵、图案制备周期较长等问题。基于此中国专利CN104044380A公开了一种喷墨打印制备连续光子晶体图案的方法，通过控制喷射的连续喷墨墨滴的相邻间隔时间，制备得到连续的光子晶体线，实现了连续光子晶体图案的简便、易规模化的制备。尽管喷墨打印过程快速、高效，但其对墨水要求较高，需要其具有高表面张力和低粘度，并且为克服咖啡环效应还对打印基底有一定要求。3D打印技术是近年来发展起来的一种高效构筑三维结构色材料的方法，如中国专利CN106042377A公开了一种基于3D打印在产品上添加结构色涂层的方法，但目前适用于该方案的结构色打印墨水材料较少，图案饱和度差，限制了其大规模的应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，解决现有方法中的图案可设计性不强、液滴像素点稳定性差、过程繁琐、不能多彩显示以及沉积液态形式及结构不可调控的问题。

技术方案：本发明所述的基于固着液滴制备结构色三维阵列图案的方法，包括以下步骤：

(1)制备具有疏水-亲水阵列化微图案的打印基底；

(2)将含有单分散胶体粒子和聚合物前驱体的墨水通过连续供墨装置输送给打印喷头，通过多轴机械臂控制打印喷头在基底局部预设位置构筑含有单分散胶体粒子和聚合物单体的固着液滴点阵；

(3)固着液滴点阵采用化学交联固化，液滴内胶体粒子采用挥发自组装或外场诱导自组装实现胶体粒子有序排列，形成结构色图案。

其中，所述步骤(1)具体为：使用掩膜法在疏水基底上进行等离子体处理或臭氧处理引入亲水图案，或在疏水基底局部位置进行激光烧灼氧化引入亲水图案。

所述步骤(2)中单分散胶体粒子质量占溶剂质量分数为0.01％-80％，聚合物单体质量占溶剂质量分数为1％-100％，溶剂为水、乙二醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的至少一种。

所述步骤(2)中单分散胶体粒子的粒径为80nm-300nm，所述单分散胶体粒子包括有机单分散胶体粒子、无机单分散胶体粒子或复合胶体粒子中的任一种。

所述有机单分散胶体粒子为聚苯乙烯胶体粒子或聚甲基丙烯酸甲酯胶体粒子，无机单分散胶体粒子为二氧化硅、二氧化钛、四氧化三铁胶体粒子，复合胶体粒子为二氧化硅包裹四氧化三铁、聚甲基丙烯酸甲酯包裹聚苯乙烯。