一种折射率改变的动态光学涂层及其制备方法与使用方法

摘要

本发明属于光学涂层技术领域，公开了一种折射率改变的动态光学涂层及其制备方法与使用方法。本发明方法包括以下步骤：将高分子树脂溶于混合溶剂中，配成高分子溶液；利用溶液提拉法，将基材插入高分子溶液中再提拉至液面以上，置于设定的湿度及温度环境中溶剂挥发后，得到表面包覆有高分子涂层的基材。本发明采用溶液提拉法制备光学涂层，通过调节高分子涂层的平均折射率和厚度来控制光学干涉，从而构建反射光谱动态可调的光学涂层，当在涂层表面浸涂响应溶剂，涂层发生光学干涉，呈现彩虹色。响应溶剂挥发后，涂层恢复无色透明，该溶剂驱动过程可逆。本发明方法工艺简单，可操作性强，颜色响应快，有望在光学涂层应用领域带来新的突破。

权利要求

1.一种折射率改变的动态光学涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将高分子树脂溶于混合溶剂中，配成高分子溶液；利用溶液提拉法，将基材以一定的速度插入高分子溶液中再以同样的速度提拉至液面以上，置于设定的湿度及温度环境中溶剂挥发后，得到表面包覆有高分子涂层的基材；

所述的高分子树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乳酸、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氨酯、聚砜、聚酰胺、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的至少一种；

所述的混合溶剂包括N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二氯甲烷、二氧六环、三氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯、二氧六环、异丙醇、环己烷、丙酮、乙醇及水中的至少两种；

所述高分子树脂的平均折射率接近或等于基材的折射率。

2.根据权利要求1所述的折射率改变的动态光学涂层的制备方法，其特征在于：所述的湿度为30%～95%；所述的温度为0～150℃。

3.根据权利要求1所述的折射率改变的动态光学涂层的制备方法，其特征在于：所述的速度为100-800毫米/分钟。

4.根据权利要求1所述的折射率改变的动态光学涂层的制备方法，其特征在于：所述高分子树脂在混合溶剂中的浓度为1g/L～100g/L。

5.根据权利要求1所述的折射率改变的动态光学涂层的制备方法，其特征在于：所述涂层的厚度为10nm～2μm。

6.一种折射率改变的动态光学涂层，其特征在于根据权利要求1～5任一项所述的制备方法得到。

7.一种权利要求6所述的折射率改变的动态光学涂层的使用方法，其特征在于包括将权利要求6所述的折射率改变的动态光学涂层浸涂响应溶剂，涂层呈现彩虹颜色；响应溶剂挥发后，涂层恢复无色透明。

8.根据权利要求7所述的折射率改变的动态光学涂层的使用方法，其特征在于：所述的响应溶剂包括四氢呋喃、丙酮、乙醇、水、异丙醇及乙酸乙酯中的至少一种。

说明书

一种折射率改变的动态光学涂层及其制备方法与使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于光学涂层技术领域，特别涉及一种折射率改变的动态光学涂层及其制备方法与使用方法。

背景技术

[0002] 自然界产生的结构颜色主要是由薄膜干涉、多层膜干涉、光栅衍射、光散射等原因引起的，如蛋白石、蝴蝶的鳞翅、甲虫鞘翅、鱼鳞及、孔雀羽毛、贝壳及珍珠等。其中薄膜干涉
是结构生色的主要途径之一，其原理是光在超薄的多层薄膜结构中传播时发生复杂的干涉
效应形成特定的的反射光谱，进而呈现不同的颜色。光学涂层是由单层或多层不同的材料
构成，它主要利用光学干涉效应和材料固有的光学特性赋予涂层不同的光学功能，通过控
制薄膜厚度和选取不同材料使涂层输出特定光谱。主要的方法有真空蒸镀法、阴极溅射膜、
化学气相沉积、离子镀及常规光学材料镀膜法等。A.schuler等人(Solar Energy 
Materials.2004,84(1-4):241-254)在基底沉积了二氧化钛和二氧化硅，构建双层光学涂
层，通过改变二氧化钛的厚度调节出黄色、蓝紫色和绿色。S.Roddaro等人(Nano Letter,
2007,7(9):2707-2710)建立薄膜的干涉颜色与厚度的关系，提供了光学薄膜厚度的评估方
法。Mikhail A.Kats等人(Applied Physics Letters,2013,103(10):101104；Applied 
Physics Letters,2014,105(13):131108；Optics and Photonics News,2014,25(1):40-
47)打破传统低吸光系数电介质材料的瓶颈，实现了强吸收材料锗光学涂层的色彩调控。由
此可见，国内外对光学涂层做了广泛的基础研究，但主要采用一些传统的方法制备静态光
学涂层，极大限制了光学涂层在现世领域的进一步应用。动态光学涂层是将一些响应性材
料应用到光学涂层结构中，构建反射光谱动态可调的光学涂层结构，目前主要通过相变材
料非晶态和晶态的转化、光子晶体水凝胶介电常数周期性变化及环境介质改变等方法来实
现。中国专利201110311787.X公开了一种基于纳米级相变的仿生温控响应型智能复合光学
玻璃的制备方法，通过可逆纳米在临界温度的相分离来控制材料的透光性，制备温控动态
可逆光学材料。中国专利201610381823.2通过将胆甾相液晶纤维素纳米晶与温度响应性聚
合物进行交联，制备了湿度响应的光子晶体复合材料。中国专利108641582A报道了一种温
度响应型光学反射涂层的制备方法，主要通过丙烯酸酯液晶和胺之间的聚合反应来生成主
链胆甾相液晶聚合物，将主链胆甾相液晶聚合物涂覆在基质上形成光反射涂层。基于环境
介质改变的动态光学涂层还处在初步研究阶段，因此，在光学涂层配方设计、介质响应机理
分析及涂层功能化应用等方面有待加强，有必要设计研发出一种能够通过简单的方法就可
以得到颜色可控的光学涂层。

发明内容

[0003] 为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种折射率改变的动态光学涂层的制备方法。本发明制备方法工艺简单、成本低、可操作性强。

[0004] 本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的折射率改变的动态光学涂层。

[0005] 本发明再一目的在于提供上述折射率改变的动态光学涂层的使用方法。具体通过响应溶剂调节光学干涉来控制光学涂层颜色的方法。

[0006] 本发明的目的通过下述方案实现：

[0007] 一种折射率改变的动态光学涂层的制备方法，包括以下步骤：将高分子树脂溶于混合溶剂中，配成高分子溶液；利用溶液提拉法，将基材插入高分子溶液中再提拉至液面以
上，置于设定的湿度及温度环境中溶剂挥发后，得到表面包覆有高分子涂层的基材。

[0008] 本发明方法中，所述的湿度可为30％～95％，优选为50％～80％。

[0009] 本发明方法中，所述的温度可为0～150℃，优选为30～100℃。

[0010] 本发明方法中，所述高分子树脂在混合溶剂中的浓度可为1g/L～100g/L；优选为5g/L～50g/L；更优选为10g/L～25g/L。

[0011] 本发明方法中，所述的高分子树脂可为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乳酸、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氨酯、聚砜、聚酰胺、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯、聚
甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚
物等常规高分子树脂中的至少一种。

[0012] 为了更好地实现本发明方法，所述的高分子树脂优选包括聚乳酸、聚苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯及聚己二酸对苯二甲酸丁二酯中的至少
一种。

[0013] 本发明方法中，所述高分子树脂的平均折射率接近或等于基材的折射率。具体为根据基材的折射率，通过折射仪测量高分子涂层的折射率，确定高分子树脂的组分及配方。

[0014] 本发明方法中，所述的混合溶剂包括N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二氯甲烷、二氧六环、三氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯、二氧六环、异丙醇、环己烷、丙酮、乙醇及水中的
至少两种。所述混合溶剂优选三氯甲烷、二氯甲烷、乙醇及水中的至少两种。

[0015] 本发明方法中，所述的基材为常见透明材质材料即可，如可包括普通玻璃片、石英片、硅片、聚酯基板、聚酰亚胺基板、聚砜树脂基板、聚碳酸酯基板、聚乙烯基板、聚丙烯基
板、聚氯乙烯基板、聚氨酯基板或橡胶基板等。

[0016] 本发明方法中，所述将基材插入高分子溶液中再提拉至液面以上，优选以相同的速度插入并提拉，优选垂直插入。所述插入后优选即刻提拉出来。所述的速度可为100-800
毫米/分钟；优选为100-500毫米/分钟。

[0017] 本发明方法中，制备得到的涂层为无色透明涂层。所述涂层的厚度可为10nm～2μm。优选为50nm～1μm，更优选为100nm～800nm。本发明方法通过控制高分子溶液的浓度、插
入及提拉的速度可控制涂层的厚度。

[0018] 本发明还提供上述方法制备得到的折射率改变的动态光学涂层。

[0019] 本发明还提供上述折射率改变的动态光学涂层的使用方法。具体包括将本发明涂层浸涂响应溶剂，涂层呈现彩虹颜色；响应溶剂挥发后，涂层恢复无色透明。

[0020] 所述的响应溶剂可包括四氢呋喃、丙酮、乙醇、水、异丙醇及乙酸乙酯中的至少一种，优选为乙醇、丙酮及水中的至少一种。

[0021] 上述浸涂后的高分子涂层平均折射率发生改变，呈现彩虹颜色；响应溶剂挥发后，涂层恢复无色透明，上述溶剂驱动改变过程可逆。

[0022] 所述平均折射率为高分子涂层和响应溶剂的复合折射率。

[0023] 本发明采用溶液提拉法制备光学涂层，通过调节高分子涂层的平均折射率和厚度来控制光学干涉，从而构建反射光谱动态可调的光学涂层，当涂层的平均折射率与基底相
接近时，光学干涉较弱，涂层呈无色透明；当在涂层表面浸涂响应溶剂，溶剂与薄膜相互作
用产生溶胀或收缩，使得薄膜的厚度和平均折射率发生改变，此时涂层发生光学干涉，涂层
呈现彩虹色。响应溶剂挥发后，涂层恢复无色透明，该溶剂驱动过程可逆。这种动态光学涂
层制备方法工艺简单，可操作性强，颜色响应快，有望在光学涂层应用领域带来新的突破。

[0024] 本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

[0025] (1)本发明的折射率改变的动态光学涂层，其在使用过程中，利用溶剂对高分子树脂的溶胀和收缩作用，使得薄膜的厚度和平均折射率发生改变，这种溶剂驱动动态光学涂
层的方法过程是可逆的。

[0026] (2)本发明制备方法工艺简单，可操作性强，颜色响应快，有望在光学涂层应用领域带来新的突破。

附图说明

[0027] 图1为本发明制备方法的示意图。

[0028] 图2为实施例1薄膜呈现的颜色效果。

[0029] 图3为实施例2薄膜呈现的颜色效果。

[0030] 图4为实施例3薄膜呈现的颜色效果。

[0031] 图5为实施例4薄膜呈现的颜色效果。

[0032] 图6为实施例6薄膜呈现的颜色效果。

具体实施方式

[0033] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0034] 除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。本发明制备方法的示意图见图1。

[0035] 实施例1

[0036] 将高分子树脂聚乙烯3质量份、聚丙烯3质量份、聚苯乙烯4质量份、聚乳酸15质量份溶于N，N-二甲基甲酰胺200质量份、二甲基亚砜200质量份、二氯甲烷400质量份、乙酸乙
酯100质量份、二氧六环50质量份及水50质量份的混合溶剂中，配成质量体积浓度为25g/L
高分子溶液，采用提拉装置，将普通玻璃片以一定的速度(速度分别为100毫米/分钟、200毫
米/分钟、300毫米/分钟、400毫米/分钟及500毫米/分钟)垂直插入溶液，即刻再以同样速度
垂直将普通玻璃片提拉至液面以上，使普通玻璃片表面包覆高分子涂层，置于湿度50％、温
度90度的环境，直到溶液挥发完全，涂层无色透明。阿贝折射仪测量高分子涂层的平均折射
率为1.5。通过台阶仪测量涂层厚度，依次为125nm，200nm，350nm，410nm，500nm。将高分子涂
层浸涂丙酮，浸涂后的高分子涂层平均折射率发生改变，涂层呈现彩虹颜色(如图2)，溶剂
挥发后，涂层无色透明，该动态响应过程可逆。

[0037] 实施例2

[0038] 将高分子树脂聚乳酸30质量份、聚氯乙烯10质量份、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物5质量份、聚氨酯5质量份溶于三氯甲烷650质量份、四氢呋喃300质量份、丙酮10质量份、
异丙醇20质量份、环己烷20质量份的混合溶剂中，配成质量体积浓度为50g/L高分子溶液，
采用提拉装置，将聚乙烯基板以一定的速度(速度分别为500毫米/分钟、550毫米/分钟、600
毫米/分钟、650毫米/分钟及800毫米/分钟)垂直插入溶液，即刻再以同样速度垂直将聚乙
烯基板提拉至液面以上，使聚乙烯基板表面包覆高分子涂层，置于湿度30％、温度150度的
环境，直到溶液挥发完全，涂层无色透明。阿贝折射仪测量高分子涂层的平均折射率为
1.51。通过台阶仪测量涂层厚度，依次为650nm，720nm，800nm，1μm，1.5μm。将高分子涂层浸
涂四氢呋喃，浸涂后的高分子涂层平均折射率发生改变，涂层呈现彩虹颜色(如图3)，溶剂
挥发后，涂层无色透明，该动态响应过程可逆。

[0039] 实施例3

[0040] 将高分子树脂聚砜1质量份、聚酰胺0.5质量份、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯0.5质量份、聚甲基丙烯酸甲酯7.5质量份、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物0.5质量份溶于二
氯甲烷500质量份、三氯甲烷200质量份、乙醇250质量份及水50质量份的混合溶剂中，配成
质量体积浓度为10g/L高分子溶液，采用提拉装置，将聚酰亚胺基板以一定的速度(速度分
别为200毫米/分钟、220毫米/分钟、240毫米/分钟、260毫米/分钟及280毫米/分钟)垂直插
入溶液，即刻再以同样速度垂直将聚酰亚胺基板提拉至液面以上，使聚酰亚胺基板表面包
覆高分子涂层，置于湿度80％、温度45度的环境，直到溶液挥发完全，涂层无色透明。阿贝折
射仪测量高分子涂层的平均折射率为1.48。通过台阶仪测量涂层厚度，依次为300nm，
350nm，380nm，420nm，450nm。将高分子涂层浸涂乙醇，浸涂后的高分子涂层平均折射率发生
改变，涂层呈现彩虹颜色(如图4)，溶剂挥发后，涂层无色透明，该动态响应过程可逆。

[0041] 实施例4

[0042] 将高分子树脂聚甲基丙烯酸甲酯70质量份、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物及聚苯乙烯30质量份溶于二氯甲烷600质量份、三氯甲烷300质量份、环己烷50质量份及乙
酸乙酯50质量份的混合溶剂中，配成质量体积浓度为100g/L高分子溶液，采用提拉装置，将
石英片以速度500毫米/分钟垂直插入溶液，即刻再以同样速度垂直将石英片提拉至液面以
上，使石英片表面包覆高分子涂层，置于湿度45％、温度60度的环境，直到溶液挥发完全，涂
层无色透明。阿贝折射仪测量高分子涂层的平均折射率为1.45。通过台阶仪测量涂层厚度
为450nm。将高分子涂层浸涂异丙醇，浸涂后的高分子涂层平均折射率发生改变，涂层呈现
从左到右依次为黄、紫、蓝的彩虹颜色(如图5)，溶剂挥发后，涂层无色透明，该动态响应过
程可逆。

[0043] 实施例5

[0044] 将高分子树脂聚乳酸15质量份溶于二氯甲烷950质量份及水50质量份混合溶剂中，配成质量体积浓度为15g/L高分子溶液，采用提拉装置，将普通玻璃片以速度400毫米/
分钟垂直插入溶液，即刻再以同样速度垂直将石英片提拉至液面以上，使石英片表面包覆
高分子涂层，置于湿度70％、温度0度的环境，直到溶液挥发完全，涂层无色透明。阿贝折射
仪测量高分子涂层的平均折射率为1.45。通过台阶仪测量涂层厚度为740nm，涂层的表面较
粗糙。将高分子涂层浸涂水，浸涂后的高分子涂层平均折射率发生改变，涂层呈现彩虹颜
色，溶剂挥发后，涂层无色透明，该动态响应过程可逆。

[0045] 实施例6

[0046] 将高分子树脂聚乳酸15质量份、聚甲基丙烯酸甲酯10质量份、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯5g质量份溶于二氯甲烷300质量份、三氯甲烷300质量份、乙酸乙酯300质量份及水
100质量份的混合溶剂中，配成质量体积浓度为30g/L高分子溶液，采用提拉装置，将聚氯乙
烯基板以速度100毫米/分钟垂直插入溶液，即刻再以同样速度垂直将聚氯乙烯基板提拉至
液面以上，使聚氯乙烯基板表面包覆高分子涂层，置于湿度35％、温度80度的环境，直到溶
液挥发完全，涂层无色透明。阿贝折射仪测量高分子涂层的平均折射率为1.54。通过台阶仪
测量涂层厚度为1.2μm。将高分子涂层浸涂水，浸涂后的高分子涂层平均折射率发生改变，
涂层呈现从左到右不同颜色相间的彩虹颜色(如图6)，溶剂挥发后，涂层无色透明，该动态
响应过程可逆。

[0047] 对比例1

[0048] 将高分子树脂聚乳酸15质量份、聚甲基丙烯酸甲酯10质量份、聚己二酸对苯二甲酸丁二酯5质量份溶于二氯甲烷300质量份、三氯甲烷200质量份、乙酸乙酯300质量份及水
100质量份的混合溶剂中，配成质量体积浓度为200g/L高分子溶液，采用提拉装置，将聚氯
乙烯基板以速度1000毫米/分钟垂直插入溶液，即刻再以同样速度垂直将聚氯乙烯基板提
拉至液面以上，使聚氯乙烯基板表面包覆高分子涂层，置于湿度35％、温度80度的环境，直
到溶液挥发完全，涂层无色透明。阿贝折射仪测量高分子涂层的平均折射率为1.54。通过台
阶仪测量涂层厚度为2.5μm。将高分子涂层浸涂水，涂层仍然无色透明。

[0049] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。