一种碳酸锶光子晶体色料及其制备方法和应用

1.本发明属于胶体光子晶体组装基元制备及结构色显色材料技术领域，具体涉及一种碳酸锶光子晶体色料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.光子晶体结构色来源于周期性排列的光子晶体结构与光线的相互作用，具有颜色鲜艳、永不褪色、环境友好、制备周期短等优点。与传统颜料和染料相比，具有显色稳定、成分环保，在阳光下不易褪色的特点。因而更耐用，在显色材料领域具有广泛的应用前景。光子晶体组装基元主要有二氧化硅、聚苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯。这些材料合成方法简单，成本低，原料廉价易得，胶粒球形度好，尺寸均匀，目前已被广泛应用于光子晶体功能材料的制备及应用。由于对光子晶体材料性能及用途的不断扩展，尺寸均匀的硫化锌、氧化锡、硫化亚铜、氧化铁、氧化铈等无机纳米粒子也逐渐被成功合成并用于光子晶体材料领域。进一步拓展光子晶体组装基元的范围有助于发现光子晶体材料的新用途。
3.碳酸锶主要用于制备彩色显示器玻壳，磁性材料等。目前已报道的碳酸锶材料形貌有纤维状，针状。此外专利cn201510291818.8还报道了一种球状碳酸锶的制备方法，但通过该方法所制备的碳酸锶粒子尺寸为数十微米，该尺寸已经远超过光子晶体结构色材料的尺寸范围。
4.针对现有的球状碳酸锶存在尺寸大不能满足光子晶体结构色材料要求的问题，因此急需找到一种亚微米及球状碳酸锶纳米粒子来进一步满足光子晶体结构色材料的要求。此外，相应的碳酸锶光子晶体材料也未见报道。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种碳酸锶光子晶体色料及其制备方法和应用，以解决现有的球状碳酸锶纳米粒子的尺寸不能满足光子晶体产生结构色要求的技术问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明公开了一种碳酸锶光子晶体色料，由尺寸均匀的球状碳酸锶纳米粒子有序排列组装而成。
8.优选地，球状碳酸锶纳米粒子的直径为200～350nm。
9.本发明还公开了上述碳酸锶光子晶体色料的制备方法，包括：将表面活性剂加入到锶盐水溶液中，搅拌均匀后再加入碳酸钠水溶液，继续搅拌反应后，经离心，洗涤，干燥，得到球状碳酸锶纳米粒子，再重新分散于乙醇中，待溶剂挥发后，得到碳酸锶光子晶体色料。
10.优选地，锶盐水溶液是由锶盐溶于水制得，所述锶盐水溶液的浓度为0.3～0.7mol/l，锶盐为六水合氯化锶或硝酸锶，碳酸钠水溶液是由碳酸钠溶于水制得，碳酸钠水溶液的浓度为0.3～0.7mol/l。
11.进一步优选地，锶盐：碳酸钠的摩尔比为(1～2)：1。
12.进一步优选地，表面活性剂为乙二胺四乙酸二钠，表面活性剂的质量为锶盐质量的5％～70％。
13.优选地，加入碳酸钠水溶液的速度为5～15ml/min。
14.优选地，搅拌反应的搅拌速度为300～700r/min，搅拌时间为20～40min。
15.优选地，干燥条件为将洗涤后的产物分散于乙醇中，在60～90℃烘干。
16.本发明还公开了上述碳酸锶光子晶体色料在显色材料中的应用。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
18.本发明公开了一种碳酸锶光子晶体色料，该碳酸锶光子晶体色料由尺寸均匀的球状碳酸锶纳米粒子有序排列组装而成；该球状碳酸锶纳米粒子尺寸均匀，球形度好，尺寸为亚微米级，可产生明亮的结构色，显色稳定，颜色丰富且仅与物理结构有关，作为结构色色料，具有成分环保，对人体无害的优点，进一步扩充了光子晶体组装基元的种类。
19.本发明还公开了上述碳酸锶光子晶体色料的制备方法，将表面活性剂加入到锶盐水溶液中，搅拌均匀，表面活性剂对二价金属锶离子具有较强的络合能力，加入溶液时会立刻与其中的游离态锶粒子形成了相对较为稳定的复杂络合物；当再次加入碳酸钠水溶液后，搅拌条件下作为产物构晶离子之一的游离态锶粒子只能通过该复杂络合物的离解来缓慢地产生，间接地改变了锶粒子的供给模式，延迟了沉淀反应的发生，使得srco3晶体的成核和生长都受到了影响，最终使得srco3晶体的生长习性得以改变，锶盐缓慢释放与碳酸根进行反应，生成碳酸锶纳米粒子；经离心，洗涤，干燥，得到球状碳酸锶纳米粒子。再将其重新分散于溶剂中，待溶剂缓慢挥发后得到碳酸锶光子晶体色料。通过引入表面活性剂控制锶粒子离解速度，从而控制反应进度及胶粒尺寸，成功制备了尺寸均匀，处于亚微米级的球形碳酸锶纳米粒子。球形碳酸锶纳米粒子再溶剂挥发时，在毛细管作用力驱动下，排列组装形成碳酸锶光子晶体色料，产生明亮的结构色，至目前为止未见有任何报道。
20.本发明还公开了上述碳酸锶光子晶体色料在显色材料中的应用，该碳酸锶光子晶体色料在显色材料中应用时，具有显色稳定，不易褪色变质的优点。此外，与传统有机染料相比，其生产过程无毒无害具有环保无污染的特点，响应了国家绿色生产的要求，
附图说明
21.图1为本发明实施例1制得的碳酸锶光子晶体色料的xrd图；
22.图2为本发明实施例2制得的碳酸锶纳米粒子的sem图；
23.图3为本发明实施例2制得的绿色碳酸锶光子晶体色料的数码照片图；
24.图4为本发明实施例3制得的碳酸锶纳米粒子的sem图；
25.图5为本发明实施例3制得的红色碳酸锶光子晶体色料的数码照片图。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范
围。
27.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
29.一种碳酸锶光子晶体色料的制备方法，包括以下步骤：
30.1)称取适量的锶盐加入烧杯中，配制一定浓度的锶盐水溶液，磁力搅拌充分溶解后，得到均匀溶液a；
31.2)称取一定质量的表面活性剂加入到步骤1)制得的均匀溶液a中，继续搅拌均匀，溶解后得到反应前驱液；
32.3)称取适量的碳酸钠加入另一烧杯中，配置一定浓度的碳酸钠水溶液，磁力搅拌使其充分溶解，得到均匀溶液b；
33.4)将步骤3)制得的均匀溶液b以一定的速度逐渐加入到步骤2)制得的的反应前驱液中，滴加完成后，磁力搅拌条件下继续搅拌反应一段时间；
34.5)反应完成后，通过离心洗涤的方法对上述产物进行洗涤，最后将产物在烘箱中干燥，即可制得碳酸锶光子晶体色料。
35.步骤1)中，所述的锶盐为六水合氯化锶和硝酸锶中的一种，所述锶盐水溶液浓度为0.3～0.7mol/l，优选地为0.5mol/l。
36.步骤2)中，所述的表面活性剂为乙二胺四乙酸二钠，所述表面活性剂的质量为锶盐质量的5％～70％，优选地为20％。
37.步骤3)中，所述碳酸钠水溶液的浓度为0.3～0.7mol/l，优选地为0.5mol/l。
38.步骤4)中，所述均匀溶液b加入到反应前驱液中的加入速度为5～15ml/min。
39.步骤4)中，搅拌反应的时间为20～40min，优选地为30min。
40.步骤4)中，所述的搅拌速度为300～700r/min，优选地为400r/min。
41.步骤5)中，所述的洗涤，是采用去离子水洗2～4次，优选地为3次。
42.步骤5)中，所述的干燥，是将产物分散于少量乙醇中，在烘箱中干燥。
43.步骤5)中，所述的干燥，烘箱温度为60～90℃，优选地为80℃。
44.实施例1
45.一种碳酸锶光子晶体色料的制备方法，包括以下步骤：
46.1)称取六水合氯化锶5.33g加入烧杯中，配置0.4mol/l的六水合氯化锶水溶液50ml，磁力搅拌充分溶解后，得到均匀溶液a；
47.2)称取质量比例为50％的乙二胺四乙酸二钠2.67g加入到步骤1)制得的均匀溶液a中，继续搅拌均匀，溶解后得到反应前驱液；
48.3)称取2.12g碳酸钠加入另一烧杯中，加入50ml去离子水配置浓度为0.4mol/l的碳酸钠水溶液，磁力搅拌使其充分溶解，得到均匀溶液b；
49.4)将步骤3)制得的均匀溶液b以15ml/min的速度逐渐加入步骤2)制得的反应前驱液中，滴加完成后，磁力搅拌条件下以700r/min的搅拌速度继续搅拌反应20min；
50.5)反应完成后，用去离子水对上述产物进行洗涤3次，最后将产物分散于乙醇中，在烘箱中70℃干燥，制得碳酸锶光子晶体色料。
51.参见图1本发明实施例1制得的碳酸锶光子晶体色料的xrd图；从图1中可以看出，采用该方法制备得到的纳米分析其晶型为碳酸锶，结晶良好。xrd测试显示碳酸锶的成功制备。
52.实施例2
53.一种碳酸锶光子晶体色料的制备方法，包括以下步骤：
54.1)称取六水合氯化锶6.67g加入烧杯中，配置0.5mol/l的六水合氯化锶水溶液50ml，磁力搅拌充分溶解后，得到均匀溶液a；
55.2)称取质量比例为50％的乙二胺四乙酸二钠3.33g加入到步骤1)制得的均匀溶液a中，继续搅拌均匀，溶解后得到反应前驱液；
56.3)称取2.68g碳酸钠加入另一烧杯中，加入50ml去离子水配置浓度为0.5mol/l的碳酸钠水溶液，磁力搅拌使其充分溶解，得到均匀溶液b；
57.4)将步骤3)制得的均匀溶液b以5ml/min的速度逐渐加入步骤2)制得的反应前驱液中，滴加完成后，磁力搅拌条件下以400r/min的搅拌速度继续搅拌反应30min；
58.5)反应完成后，用去离子水对上述产物进行洗涤3次，最后将产物分散于乙醇中，在烘箱中80℃干燥，制得碳酸锶光子晶体色料。
59.参见图2为本发明实施例2制得的碳酸锶纳米粒子的sem图；从图2中可以看出利用该方法制备得到的碳酸锶纳米粒子尺寸均匀，无团聚，纳米粒子球形度好，满足光子晶体组装基元的基本要求，有利于自组装过程的进行。
60.参见图3为本发明实施例2制得的绿色碳酸锶光子晶体色料的数码照片图；从图3中可以看出利用该方法制备得到的球状碳酸锶纳米粒子自组装后形成的光子晶体色料显示明亮的结构色，可用于代替传统绿色涂料等作为装饰色料。
61.实施例3
62.一种碳酸锶光子晶体色料的制备方法，包括以下步骤：
63.1)称取硝酸锶6.3g加入烧杯中，配置0.6mol/l的硝酸锶水溶液50ml，磁力搅拌充分溶解后，得到均匀溶液a；
64.2)称取质量比例为20％的乙二胺四乙酸二钠1.26g加入到步骤1)制得的均匀溶液a中，继续搅拌均匀，溶解后得到反应前驱液；
65.3)称取3.21g碳酸钠加入另一烧杯中，加入50ml去离子水配置浓度为0.6mol/l的碳酸钠水溶液，磁力搅拌使其充分溶解，得到均匀溶液b；
66.4)将步骤3)制得的均匀溶液b以10ml/min的速度逐渐加入步骤2)制得的反应前驱液中，滴加完成后，磁力搅拌条件下以500r/min的搅拌速度继续搅拌反应40min；
67.5)反应完成后，用去离子水对上述产物进行洗涤3次，最后将产物分散于乙醇中，在烘箱中70℃干燥，制得碳酸锶光子晶体色料。
68.参见图4为本发明实施例3制得的碳酸锶纳米粒子的sem图；从图4中可以看出利用该方法制备得到的球状碳酸锶纳米粒子球形度好，尺寸均匀，表面光滑，高度分散且无团
聚，满足复合光子晶体组装基元的基本要求，有利于自组装过程的进行。
69.参见图5为本发明实施例3制得的红色碳酸锶光子晶体色料的数码照片图，从图5中可以看出利用该方法制备得到的球状碳酸锶纳米粒子组装后形成的光子晶体色料显示明亮的红色，该结构色色料具有环保无污染，显色稳定的优势，可作为装饰材料取代传统的色料。
70.实施例4
71.一种碳酸锶光子晶体色料的制备方法，包括以下步骤：
72.1)称取六水合氯化锶3.15g加入烧杯中，配置0.3mol/l的六水合氯化锶水溶液50ml，磁力搅拌充分溶解后，得到均匀溶液a；
73.2)称取质量比例为5％的乙二胺四乙酸二钠0.16g加入到步骤1)制得的均匀溶液a中，继续搅拌均匀，溶解后得到反应前驱液；
74.3)称取1.59g碳酸钠加入另一烧杯中，加入50ml去离子水配置浓度为0.3mol/l的碳酸钠水溶液，磁力搅拌使其充分溶解，得到均匀溶液b；
75.4)将步骤3)制得的均匀溶液b以12ml/min的速度逐渐加入步骤2)制得的反应前驱液中，滴加完成后，磁力搅拌条件下以300r/min的搅拌速度继续搅拌反应25min；
76.5)反应完成后，用去离子水对上述产物进行洗涤2次，最后将产物分散于乙醇中，在烘箱中60℃干燥，制得碳酸锶光子晶体色料。
77.实施例5
78.一种碳酸锶光子晶体色料的制备方法，包括以下步骤：
79.1)称取六水合氯化锶7.35g加入烧杯中，配置0.7mol/l的六水合氯化锶水溶液50ml，磁力搅拌充分溶解后，得到均匀溶液a；
80.2)称取质量比例为70％的乙二胺四乙酸二钠5.15g加入到步骤1)制得的均匀溶液a中，继续搅拌均匀，溶解后得到反应前驱液；
81.3)称取3.71g碳酸钠加入另一烧杯中，加入50ml去离子水配置浓度为0.7mol/l的碳酸钠水溶液，磁力搅拌使其充分溶解，得到均匀溶液b；
82.4)将步骤3)制得的均匀溶液b以8ml/min的速度逐渐加入步骤2)制得的反应前驱液中，滴加完成后，磁力搅拌条件下以600r/min的搅拌速度继续搅拌反应35min；
83.5)反应完成后，用去离子水对上述产物进行洗涤4次，最后将产物分散于乙醇中，在烘箱中90℃干燥，制得碳酸锶光子晶体色料。
84.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种碳酸锶光子晶体色料，其特征在于，由尺寸均匀的球状碳酸锶纳米粒子有序排列组装而成。2.根据权利要求1所述的碳酸锶光子晶体色料，其特征在于，所述球状碳酸锶纳米粒子的直径为200～350nm。3.权利要求1～2任意一项所述的碳酸锶光子晶体色料的制备方法，其特征在于，包括：将表面活性剂加入到锶盐水溶液中，搅拌均匀后再加入碳酸钠水溶液，继续搅拌反应后，经离心，洗涤，干燥，得到球状碳酸锶纳米粒子，再重新分散于乙醇中，待溶剂挥发后，得到碳酸锶光子晶体色料。4.根据权利要求3所述的碳酸锶光子晶体色料的制备方法，其特征在于，所述锶盐水溶液是由锶盐溶于水制得，所述锶盐水溶液的浓度为0.3～0.7mol/l，所述锶盐为六水合氯化锶或硝酸锶，所述碳酸钠水溶液是由碳酸钠溶于水制得，所述碳酸钠水溶液的浓度为0.3～0.7mol/l。5.根据权利要求4所述的碳酸锶光子晶体色料的制备方法，其特征在于，所述锶盐：碳酸钠的摩尔比为(1～2)：1。6.根据权利要求4所述的碳酸锶光子晶体色料的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为乙二胺四乙酸二钠，所述表面活性剂的质量为锶盐质量的5％～70％。7.根据权利要求3所述的碳酸锶光子晶体色料的制备方法，其特征在于，所述加入碳酸钠水溶液的速度为5～15ml/min。8.根据权利要求3所述的碳酸锶光子晶体色料的制备方法，其特征在于，所述搅拌反应的搅拌速度为300～700r/min，搅拌时间为20～40min。9.根据权利要求3所述的碳酸锶光子晶体色料的制备方法，其特征在于，所述干燥条件为将洗涤后的产物分散于乙醇中，在60～90℃烘干。10.权利要求1～2任意一项所述的碳酸锶光子晶体色料在显色材料中的应用。

技术总结
本发明公开了一种碳酸锶光子晶体色料及其制备方法和应用，属于胶体光子晶体组装基元制备及结构色显色材料技术领域。采用化学均匀沉淀法，制备出粒径均匀的球状碳酸锶纳米粒子，通过调节参数制备出不同尺寸的球状碳酸锶纳米粒子，将球状碳酸锶纳米粒子分散于乙醇中，待乙醇挥发后制得不同颜色的碳酸锶光子晶体色料。工艺过程简单易行，能大规模工业生产，可用于在多种材料表面构建结构色涂层，具有广阔的应用前景。与传统有机色料相比，本发明制得的碳酸锶光子晶体色料尺寸均匀，球形度好，且制备方法简单，重复性强，基于无机材料，结构稳定，不易褪色，解决了传统有机化学颜料易褪色，生产过程会排放大量污染物的问题。生产过程会排放大量污染物的问题。生产过程会排放大量污染物的问题。


技术研发人员：张欣 杨洋 陈宁 刘树信
受保护的技术使用者：绵阳师范学院
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/6