一種具有結構色且可應力誘導變色的材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于智能材料技術領域，具體涉及一種具有結構色且可應力誘導變色的材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]自然界的顏色豐富多彩，色彩斑斕的色彩產生途徑是多種多樣的，大體上可分為色素色(化學色)與結構色(物理色)。絕大多數的顏色均是源自于色素色的效果，色素色是物質通過吸收某種波長而反射其他光波的原理來顯示各種顏色的。為了賦予物體一定的顏色，傳統的染色技術通常采用各種顏色的無機或有機染料作為染色劑，該染色過程不可避免的存在著大量的金屬離子或有毒有害的化合物，這些污染物對人類的生活環境存在著很大的負面影響，并且處理這些污染物需要耗費大量的人力物力財力，難以實現可持續發展。結構色作為一種物理色，不但顏色明亮，飽和度高，永不褪色，并且是一種無污染的環境友好型的生色途徑。另外，結構色是源自于光波與物體結構發生散射、衍射或干涉的物理過程，光子晶體是一種能夠產生結構色的人造周期性電介質材料，輕微改變光子晶體結構參數就能實現結構色的改變，這種變色材料是一種新穎的敏感材料，能夠廣泛運用于許多領域，如紡織業、感應器和顯示器等。
[0003]目前，國內外已經報道了一些纖維狀或者平面狀的光子晶體結構色材料，其中聚合物微球如聚苯乙烯、二氧化硅微球是最常用的制備光子晶體結構的原材料，其制備方法主要有自然沉積法、高溫擠出法，電泳沉積法，納米光刻法等等。但是這些方法存在耗時長、溫度高、條件苛刻等缺點，為了實現結構色材料的廣泛運用，積極尋求成本低、簡單便捷、顏色鮮艷、環境友好、可連續制備的結構色染色技術是非常重要的。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種具有結構色，且在應力作用下可實現結構色穩定快速而可逆的改變的材料及其制備方法。
[0005]本發明提供的具有結構色且可應力誘導變色的材料的制備方法，具體步驟為:
(1)首先合成具有核殼結構的聚合物微球，然后通過稀釋或者濃縮得到濃度合適的聚合物微球的分散液；
(2)將基底物體直接浸入到上述核殼型結構聚合物微球分散液中，待物體表面浸涂上一層核殼型聚合物微球的分散液后，取出；例如，對于基底物體為膜、三維立體物體等；
或者將基底物體通過一個電機傳送，使其連續不斷地浸入到核殼型聚合物微球分散液中，待物體表面浸涂上一層核殼型聚合物微球的分散液后，由另一個電機收集浸涂上分散液的物體，便于連續制備；例如，對于基底物體為纖維材料等；
(3)將浸涂有核殼型結構聚合物微球分散液的物體揮發掉其中的溶劑，即得到具有結構色且可應力誘導變色的材料。
[0006]本發明中，所述的核殼結構聚合物微球具有單分散性好和粒徑均一的特點；并且，該聚合物微球中，其內核為相對較硬的聚合物，如二氧化硅、聚苯乙烯、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯等，外殼為較軟的聚合物，如聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚丙烯酸異辛酯等等。硬核與軟殼的厚度比例可以進行簡單調控，一般兩者比例為1:99-99:1，優選40:60-80:20。另外，核殼結構聚合物微球的粒徑范圍為100-400納米。
[0007]本發明中，核殼型聚合物微球的制備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備具有聚苯乙烯硬核和聚丙烯酸乙酯的軟殼的納米微球。
[0008]本發明中，所述的核殼結構聚合物微球分散液中，其溶劑是可以分散聚合物微球且與基底材料不發生反應的；根據不同的制備方法，分散液中的溶劑可以是水、乙腈或者乙醇等等。通過添加溶劑稀釋或者蒸發溶劑濃縮得到的核殼型聚合物微球分散液的質量濃度(即固含量)為1%-90%，優選10%-60%。
[0009]本發明中，所述的基底可采用任意形狀和任意材質的物體，包括纖維狀、膜狀，或其他三維立體物體，這些物體可以是具有光滑的表面，也可以是比較粗糙的表面；可以是剛性的，也可以是具有彈性的。
[0010]本發明中，浸涂可以直接把物體浸入到核殼型結構聚合物微球分散液中，進行著色；也可以采用兩個電機來控制物體的浸涂過程與收集過程，進行連續著色，其中，一個電機勻速地將大量物體連續經過核殼型聚合物微球分散液，另一個電機勻速收集浸涂上核殼型聚合物微球分散液的物體。一般地，兩個電機的轉動速度相同；且電機轉動的速度勻速可調。一般地，浸涂時間控制在5秒-60分鐘之間，優選5秒-10分鐘；揮發溶劑的時間為5秒-60分鐘，優選5秒-10分鐘。
[0011 ] 最終，物體上浸涂的聚合物微球有序地排列在物體的表面而產生結構色，浸涂上的聚合物微球的厚度為1-200 μ m，優選厚度在5-100 μπι。
[0012]本發明中，物體根據涂覆的聚合物微球的厚度尺寸顯示不同的顏色。根據選擇的基底不同而具有不同的顯色和變色性能。一般地，該物體在應力作用下，其結構色能夠快速的改變；當外界施加的應力消失后，其顏色恢復。并且，這種顏色可逆轉變的循環性能非常穩定。可以包括整個可見光區域，甚至是紫外與紅外光譜區。
[0013]本發明中，所述的結構色，其顏色與分散液中核殼結構的聚合物微球的粒徑有關，通過調節聚合物微球的粒徑可以制備具有一系列顏色的光子晶體結構色，包括紅外、紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、紫色、紫外等。當物體在外力作用下，包括擠壓、彎曲、拉伸等作用下，其結構色能夠快速的改變，即從一種顏色變為另一種顏色(圖4)，比如從最初的綠色逐漸變為藍色。在拉伸作用下，隨著施加的應力逐漸增大，該材料的反射光譜中反射峰逐漸藍移，完成顏色有綠色到藍色的轉變(圖5)。當外界施加的應力消失后，其顏色恢復。并且，這種顏色可逆轉變的循環性能非常穩定，即使拉伸回復兩千次后，其顏色改變仍然快速而穩定(圖5)。
[0014]本發明所述的具有結構色且可應力誘導變色的材料可用于顯示器、敏感材料、紡織業等領域，比如以彈性纖維為基底制備的光子晶體纖維可以編織成顏色鮮艷的織物，這種織物可以實現運動過程中的顏色改變。
【附圖說明】
[0015]圖1為浸涂法制備不同形狀大小的結構色物體的示意圖。
[0016]圖2為涂上結構色的纖維的連續制備示意圖。
[0017]圖3為涂上結構色的纖維的結構示意圖。
[0018]圖4為彈性纖維或者膜狀物在拉伸作用下發生顏色改變的示意圖，顏色2的反射波長小于顏色I。
[0019]圖5為彈性纖維的光學性能表征。其中，a為彈性纖維在不同拉伸作用下顏色發生藍移的反射光譜圖；b為彈性纖維來回拉伸兩千次過程中反射峰位置的改變。
【具體實施方式】
[0020]實施例1
(O核殼結構聚合物微球分散液的制備
惰性氣氛下，在I L燒瓶中加入含0.18 g十二烷基硫酸鈉，0.4 gl，4-丁二醇二丙烯酸酯，3.6 g苯乙烯，217 g去氧水的預乳液，劇烈攪拌下，溫度逐漸升至75°C。逐漸加入50mg亞硫酸氫鈉，350 mg過硫酸鈉，5