本发明公开了一种电场调控下显色材料,包括介质与均匀分散在所述介质中的胶体晶体材料,所述介质为碳酸丙烯酯或水;所述胶体晶体材料为氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子SiO
1.一种电场调控下显色材料,其特征在于,包括介质与均匀分散在介质中的胶体晶体材料,xa0所述介质为碳酸丙烯酯或水;xa0所述胶体晶体材料为氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子;xa0所述胶体晶体材料与介质的体积比为(1~8):(90~95);xa0所述的电场调控下显色材料的制备方法,包括以下步骤:xa0a)将体积比为(140~150):(2~5):(4~8):(2~8)的乙醇、水、氨水、正硅酸乙酯混合,室温~50°C下反应1~10h后,加入20~50mL乙醇,在30°C~70°C下调节pH值为10~11,搅拌同时滴加钛源的醇溶液,滴加完成后持续搅拌1h~5h,静置2~5h,经分离、洗涤、烘干和研磨处理后,得到氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子;xa0所述醇溶液为甲醇、乙醇或乙二醇,钛源为钛酸异丙酯、钛酸四丁酯、四氯化钛或硫酸氧钛,钛源与醇溶液的体积比为(1~7):(30~50),钛源与硅源的体积比为(0.5~10):(5~9);xa0b)将氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子以介质体积的5%~20%分散在介质中,得到所述的显色材料。xa0
2.根据权利要求1所述的电场调控下显色材料,其特征在于,所述胶体晶体材料为改性剂改性的氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子;xa0所述改性剂为聚乙烯醇或羟丙甲纤维素。xa0
3.根据权利要求1或2所述的电场调控下显色材料,其特征在于,所述氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子的粒径为50nm~250nm,氧化钛壳层厚度为2nm~50nm。xa0
4.根据权利要求3所述的电场调控下显色材料,其特征在于,所述氧化钛壳层厚度为20nm~50nm。xa0
5.根据权利要求1所述的电场调控下显色材料,其特征在于,将步骤a)得到的氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子0.1g分散于10mL~30mL水中,加入0.01g~0.05g改性剂,充分搅拌5~10h,得到改性的氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子;再将改性的氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子以介质体积的5%~20%分散在介质中,得到所述的显色材料。xa0技术领域
本发明涉及胶体晶体被动显示材料的制备领域,尤其涉及一种电场调控下显色材料及其制备方法。
背景技术
随着光电子技术的发展,对信息显示的要求越来越高,据研究,人们经各种感觉器官从外界获得信息时视觉占60%以上,如今许多信息都是通过显示技术提供的,因此对显示技术和显示器件提出了越来越高的要求,显示器件作为人机交换的窗口,有多种显示种类,从光源角度可以分成主动式显示和被动式显示。被动显示因其强光下易于阅读,舒适性好(接近纸张),低能耗(保持图像不变时不耗能等性质受到了广泛关注,它的代表产品是Amazonxa0Kindle,但是它的全彩显示性能差(亮度不够),响应速度慢,没有发展前景。目前研究主要集中在如何实现全彩色被动显示,如欲在2020年之前实现商品化的光子墨水技术是由多伦多大学分离出的公司Opalux开发的光子墨水技术采用精确间隔的纳米颗粒形成对色彩的干涉,单个像素可以产生任何颜色自组装结构是产生特定光传输现象的根本原因。自然界中的胶体晶体有蛋白石和蓝闪蝶等,它们呈现五彩斑斓颜色的原理是Bragg干涉,所以通过调节晶体常数,衍射指数,晶体缺陷等可以改变呈现出的颜色,这些内在因素的改变又可以通过外部刺激来实现,如温度,化学环境,压力,磁场,电场等,鉴于我们的研究对象的应用领域是显示,所以通过电磁场调控是可行的方法。如公开号为CN102304263A的专利文献公开了一种光子晶体纸,包括:基质,所述基质为聚丙烯酰胺凝胶;固化在所述基质中的光子晶体材料,所述光子晶体材料为超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子。该发明还提供了一种光子晶体纸的制备方法。该专利通过磁场调控磁性粒子自组装实现显色。邢婷等(TiO₂/SiO₂复合颗粒的制备及其胶体晶体的组装,华东师范大学,2006届研究生硕士学位论文)公开了以单分散的二氧化硅颗粒为核,以乙醇为溶剂,通过前驱体钛酸四丁酯(TBOT)的水解制备包覆均匀的TiO₂/SiO₂复合颗粒,通过扫描电镜和微电泳仪等各种表征手段研究各种反应条件如TBOT的浓度、水的浓度、核的大小以及包覆次数对于包覆效果的影响;并公布了在上述制备的单分散TiO₂/SiO₂复合颗粒的基础上,利用重力沉降和垂直沉降法对复合颗粒进行自组装,得到三维胶体晶体。采用扫描电镜对胶体晶体的结构进行表征,并用可见分光光度计测定胶体晶体的光学性质。以单分散TiO₂/SiO₂复合颗粒分散于无水乙醇中,经自然蒸发后得到的胶体晶体的三维有序结构已经固定,与入射光发生干涉后只能形成与该结构相应的一种结构色,无法实现对显示颜色的调控。
发明内容
本发明提供了一种电场调控下显色材料及其制备方法,通过一步法制得氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子,再将其分散于介质中,制备方法简便、能耗低,制到的显色材料显示的颜色亮度高,在很小的电场作用下就具有明显的颜色变化,且响应速度快。本发明公开了一种电场调控下显色材料,包括介质与均匀分散在所述介质中的胶体晶体材料,所述介质为碳酸丙烯酯或水;所述胶体晶体材料为氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子,记为SiO₂/TiO₂;所述胶体晶体材料与介质的体积比为(1~8):(90~95)。电场调控下显色材料以碳酸丙烯酯或水为介质,以氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子为胶体晶体材料,将所述胶体晶体材料均匀分散于所述介质中后,再注射入电池盒中。显色材料最初注射入电池盒中呈现白色,当对电池盒施加电压时,分散在介质中的胶体晶体粒子会在电场的作用下运动并形成一定结构,与入射光发生干涉后形成相应的结构色。保持电场不变,颜色就不会有明显的改变;当电场逐渐增大时,粒子之间的间距发生改变,从而显示出从浅到深的蓝色。作为优选,所述氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子SiO₂/TiO₂粒径为50nm~250nm,TiO₂壳层厚度为2nm~50nm;进一步优选,所述氧化钛壳层厚度为20nm~50nm。作为优选,所述胶体颗粒为改性剂改性的氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子SiO₂/TiO₂;所述改性剂为聚乙烯醇,羟丙甲纤维素等位阻型改性剂,因为这类改性剂可以增加粒子之间的位阻,使粒子之间的距离增大。氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子可以通过改性来提高其显色性能,位阻型改性剂可以增加粒子之间的位阻,使粒子之间的距离增大,光谱就会红移,通过电场的调节,即可以实现从红色到蓝色全光谱的显色。本发明还公开了一种电场调控下显色材料的制备方法,包括以下步骤:a)将体积比为(140~150):(2~5):(4~8):(2~7)的乙醇、水、氨水、正硅酸乙酯混合,室温~50°C下反应1~10h后,加入20~50ml乙醇,在30°C~70°C下调节pH值为10~11,搅拌同时滴加钛源的醇溶液,滴加完成后持续搅拌1h~5h,静置2~5h,经分离、洗涤、烘干和研磨处理后,得到氧化钛包覆的氧化硅胶态纳米粒子;所述醇溶液为甲醇、乙醇或乙二醇,钛源为钛酸异丙酯、钛酸四丁酯、四氯化钛或硫酸氧钛,钛源与醇溶液的体积比为(1~7):(30~50),钛源与硅源的体积比为(0.5~10):(5~9);b)将SiO₂/TiO₂纳米粒子以介质体积的5%~20%分散在介质中,得到所述的显色材料。作为优选,所述钛源与硅源的体积比为(1~8):(5~9),通过调控钛源的加入量可以得到不同厚度的氧化钛的包覆层,随着包覆层厚度的增加,光谱的强度会增加,显色范围增大。作为优选,将步骤a)得到的SiO₂/TiO₂纳米粒子0.1g分散于10mL~30ml水中,加入0.01g~0.05g改性剂,充分搅拌5~10h,得到改性的SiO₂/TiO₂纳米粒子;再将改性的SiO₂/TiO₂纳米粒子以介质体积的5%~20%分散在介质中,得到所述的显色材料。与现有技术相比,本发明具有以下突出优点:以核壳结构的SiO₂/TiO₂为胶体晶体材料,以碳酸丙烯酯或水为介质组成的显色材料是一种新的电场调控可变色材料,增加了电场调控显色材料的种类,通过一步法合成SiO₂/TiO₂胶体纳米粒子,方法简单有效,通过调控钛源的加入量可以实现不同厚度的氧化钛的包覆;制得的显色材料显示的颜色亮度高,在很小的电场作用下就具有明显的颜色变化,且响应速度快。以改性SiO₂/TiO₂为胶体晶体材料及介质组成的显色材料可以实现从红色到蓝色全光谱的显色,进一步扩大了该显色材料的应用范围。
附图说明
图1为实施例1制得氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子的透射电镜图;图2为实施例1制得显色材料的反射波长谱图;图3为实施例4制得显色材料的反射波长谱图;图4为实施例6制得氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子的透射电镜图;图5为实施例6制得显色材料的反射波长谱图。
具体实施方式
实施例1将8ml,28%氨水溶液,147ml乙醇,5ml水加入500ml三口烧瓶中,在50°C下以400r/min的速度搅拌22min后,用蠕动泵滴加7.2ml正硅酸乙酯,反应4h后再加入38ml乙醇,在50°C下调节pH值为10~11,继续搅拌10min。从三口烧瓶中取出105ml溶液,留100ml溶液,用蠕动泵滴加钛酸异丙酯的乙醇溶液,其中乙醇50ml,钛酸异丙酯1ml,滴完后继续搅拌1h后停止搅拌,静置2h,对反应后的产物进行离心分离,得到SiO₂/TiO₂,用蒸馏水和乙醇分别洗一次后在50°C~80°C下烘干,研磨待用。对所述氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子进行透射电镜观察,结果参见图1,由图1可知,成功在氧化硅表面包覆了一层厚度约为7nm的氧化钛。取0.0648g,7nm厚氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子分散于0.5ml碳酸丙烯酯溶液中待测。测试过程如下:用注射器将上述溶液注入制备好的电池盒中,电池盒由两片ITO玻璃制成,中间以200微米厚的绝缘膜隔开,所加电场为0V~5V,连接电源加电场,观测电池盒的反射波长与颜色变化。结果参见图2,图2为本发明实施例制得显色材料的反射波长谱图,可以看到图谱有明显的峰位移动,不同的峰位对应相应的颜色,颜色由浅蓝到深蓝。实施例2将实施例1中制备的7nm厚氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子0.096g,分散于0.5mL碳酸丙烯酯中待测,测试过程同例1,得到的图谱的形态与实施例1中的类似,但是反射峰强度整体有所增加。实施例3将实施例1中制备的7nm厚氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子0.0648g分散于0.5mL水中待测,测试过程同例1,得到的图谱反射强度明显增大至30%,电压从0v加到5v的过程中,峰位从420nm移动到480nm。实施例4将实施例1中制备的7nm厚氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子0.1g分散于10mL水中,加入0.01g聚乙烯醇,充分搅拌6小时后离心洗涤,得到改性后的纳米粒子,用蒸馏水和乙醇分别洗一次后在50°C下烘干,研磨待用。取0.0648g上述改性过的氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子分散于0.5ml碳酸丙烯酯溶液中待测,测试过程同例1,得到的反射波长谱图如图3,与图2相比,峰位红移,光谱覆盖了整个可见光区域。实施例5将实施例1中制备的7nm厚氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子0.1g分散于10mL水中,加入0.01g羟丙甲纤维素,充分搅拌6小时后离心洗涤,得到改性后的纳米粒子,用蒸馏水和乙醇分别洗一次后在50°C下烘干,研磨待用。取0.0648g上述改性过的氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子分散于0.5ml碳酸丙烯酯溶液中待测,测试过程同例1,得到的反射波长谱图与图3类似。实施例6将8ml,28%氨水溶液,147ml乙醇,5ml水加入500ml三口烧瓶中,在50°C下以400r/min的速度搅拌22min后,用蠕动泵滴加7.2ml正硅酸乙酯,反应4h后再加入38ml乙醇,继续搅拌10min。从三口烧瓶中取出105ml溶液,留100ml溶液,用蠕动泵滴加钛酸异丙酯的乙醇溶液,其中乙醇50ml,钛酸异丙酯2ml,滴完后继续搅拌1h后停止搅拌,静置2h,对反应后的产物进行离心分离,得到SiO₂/TiO₂,用蒸馏水和乙醇分别洗一次后在50°C下烘干,研磨待用。对所述氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子进行透射电镜观察,见图4,由图4可知,成功在氧化硅表面包覆了一层厚度约为20nm的氧化钛。取0.0648g,20nm厚的氧化钛包覆的氧化硅纳米粒子分散于0.5ml碳酸丙烯酯溶液中待测,测试过程同例1,结果参见图5,图5为本实施例制得显色材料的反射波长谱图,可以看到图谱有明显的峰位移动,与例1相比,强度有所增加。