一种高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法与应用

本发明属于材料科学领域，尤其涉及一种高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法与应用，在隐形眼镜中的应用。

背景技术：

1、结构色广泛存在于自然界中，所显示的颜色是由微结构排列对光的作用使其产生结构色。由于结构着色与色素染料产生的机理不同，因此具有耐漂白性等特性。彩色隐形眼镜因其美观、佩戴方便受到年轻人的青睐，但是，目前流入市场中的隐形眼镜的颜色还比较单一，难以满足人们日益增长的时尚需求，而且传统的有机颜料存在色素分子泄漏的风险。长期佩戴带来的角膜溃疡、眼结石等疾病引起人们的重视。结构色材料优异的性能成为代替传统有机颜料的候选人。sio2是一种制备简单、工艺成熟、性质稳定、生物相容性良好的原料，在光子晶体领域有广泛的应用，其良好的生物相容性使得sio2光子晶体在隐形眼镜制备中大有前景。

2、专利(cn 114839798 a)公开了在隐形眼镜表面覆着单层或者多层的周期薄膜，产生的光程差可形成稳定的结构色制备隐形眼镜。采取飞秒脉冲双光子聚合法制备光子晶体结构层的模具，加入隐形眼镜前驱液后固化可得到隐形眼镜初片，但此类方法对设备要求较高。专利(cn 102193213 a)公开了一种模板法和咖啡环效应制备反蛋白石光子晶体隐形眼镜的方法，但是该方法不仅条件相对严格，花纹单一。而且需要去除胶体模板(sio2)的步骤，增加了过程的复杂性以及腐蚀性氢氟酸的残留等问题。

3、采用旋涡振荡的方法快速制备的sio2光子晶体微球可以作为彩色隐形眼镜中颜料的来源，设备要求简单、生物相容性良好在应用中有着巨大优势。因此，需要针对性开发高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法，开发具有工艺简单、色彩丰富、纹路灵活等优异性能的彩色材料，制备具有高安全性和实用性的隐形眼镜产品，满足消费者对色彩、纹路的追求。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法与应用，获得具有工艺简单、色彩丰富、纹路灵活等优异性能的彩色材料，进而获得具有高安全性和实用性的隐形眼镜产品。

2、技术方案：本发明的一种高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法，其特征在于：将单分散sio2纳米颗粒分散在去离子水中制备sio2的水溶液，超声分散均匀后，加入碳源，获得掺杂碳的sio2纳米颗粒分散相溶液；在连续相溶液中加入表面活性剂，搅拌均匀；再利用旋涡振荡将sio2纳米颗粒分散相溶液在连续相中制备成微乳液滴；将微乳液滴置于油浴锅中蒸发水分获得光子晶体复合微球；用清洗液对光子晶体复合微球进行清洗，烘干后煅烧，即得光子晶体微球。

3、其中，所述的单分散sio2纳米颗粒的粒径范围为190nm-310nm；单分散sio2纳米颗粒与去离子水的质量比为0.10-0.30:1；单分散sio2纳米颗粒与碳源的质量比0.0002-0.1:1；碳源为炭黑、碳纳米管、碳粉中的一种或二种以上。

4、其中，所述的连续相溶液为正十六烷或正十八烷；表面活性剂为司盘80、司盘85或司盘65；旋涡振荡的档速为4.5-6.5档；剪切时间为10s-60s。

5、其中，所述的油浴锅中蒸发水分的温度为30℃-80℃，时间为6h-12h，搅拌速度为250rpm-400rpm；清洗液为正己烷、正戊烷或石油醚中的一种或二种以上；煅烧的环境是氩气或氮气，煅烧的温度为800℃-900℃，煅烧的时间为1h-4h。

6、本发明的高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法获得的光子晶体微球在隐形眼睛中的应用。

7、通过光子晶体微球制备光子晶体微球结构色油墨，制备时将亲水高聚物a、混合液b和光子晶体微球混合，加入交联剂，机械搅拌后制成光子晶体微球结构色油墨，将光子晶体微球结构色油墨应用于隐形眼镜的制备。

8、其中，所述的亲水高聚物a为甲基丙烯酸类聚合物，甲基丙烯酸类聚合物含有一个或多个羟基或羧基；混合液b含有甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、n-乙烯基吡咯烷酮、甘油、聚乙烯基吡咯烷酮中的三种以上；交联剂为二缩三丙二醇二丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或二种以上。

9、其中，所述的亲水高聚物a、混合液b和光子晶体微球的质量比为45-75:5-25:4-40；亲水高聚物a与交联剂的质量比为1:0.0090-0.0400；机械搅拌的时间为0.5h-5h，搅拌速度为100r/min-300r/min。

10、将光子晶体微球结构色油墨涂于模板的刻印图案上，模板的花纹图案避开虹膜区；将模板上的油墨图案通过橡胶头移印到隐形眼镜模具中，滴加隐形眼镜原料，合模，固化，形成隐形眼镜干片；将隐形眼镜干片浸泡于纯水和标准盐水中，得到非光学区有结构色图案花纹的隐形眼镜。

11、其中，所述的固化的光强度为30mw/cm2-400mw/cm2，照射时间1min-30min；固化温度为50℃-130℃，固化时间为1h-40h

12、本发明的机理：光子晶体是一种具有微观周期结构的材料，最重要的特征是存在"光子禁带"，它可以屏蔽特定频率的光线在结构中的传播，这些特定频率的光线与光子晶体结构相互作用，发生折射、衍射和相干衍射，最终形成肉眼可见的明亮结构颜色。这与化学色产生的机理不同，自然界中孔雀的羽毛、肥皂泡泡、宝石蛋白石都是周期性物理结构与光作用导致的视觉效果。由于结构色对环境友好，颜色鲜艳纯正，永不褪色，具有虹彩效应，被应用于传感器、涂料染料、光学器件、隐形眼镜等诸多领域。而光子晶体薄膜结构颜色具有角度依赖性的，在某些程度上限制了其发展应用，同时在高粘度液体中发生自组装也是应用于隐形眼镜制备中的一大难题。与传统的光子晶体相比，晶体微球具有对称的结构，可以克服角度偏差，在宽广的视角范围内保持颜色和结构的一致性，且可以形成光子晶体局部构建块，提供色彩不再依靠于粘稠液体中的自组装过程。

13、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明解决常规彩色隐形眼镜因使用有机颜料具有泄漏风险导致的生物安全性风险的问题，进一步提升隐形眼镜的安全性，拓宽彩色隐形眼镜市场。本发明制备工艺实用性强、工序简单灵活，可以通过调控结构色微球的种类和刻蚀版不同印刷花纹满足消费者对色彩、纹路的需求。本发明采用油墨移印的工艺，将光子晶体炫彩图案移印到镜片的虹膜区，不影响镜片的常规参数，如透光率、透氧量、接触角等。本发明成本低廉，原料无毒，流程简单，能够实现光子晶体微球的快速制备，易于实现工业化；应用在隐形眼镜当中，具有鲜艳的结构色泽，不影响镜片的常规参数，进一步提升了隐形眼镜的安全性。

技术特征：

1.一种高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法，其特征在于：将单分散sio2纳米颗粒分散在去离子水中制备sio2的水溶液，超声分散均匀后，加入碳源，获得掺杂碳的sio2纳米颗粒分散相溶液；在连续相溶液中加入表面活性剂，搅拌均匀；再利用旋涡振荡将sio2纳米颗粒分散相溶液在连续相中制备成微乳液滴；将微乳液滴置于油浴锅中蒸发水分获得光子晶体复合微球；用清洗液对光子晶体复合微球进行清洗，烘干后煅烧，即得光子晶体微球。

2.根据权利要求1所述的高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法，其特征在于：所述的单分散sio2纳米颗粒的粒径范围为190nm-310nm；单分散sio2纳米颗粒与去离子水的质量比为0.10-0.30:1；单分散sio2纳米颗粒与碳源的质量比0.0002-0.1:1；碳源为炭黑、碳纳米管、碳粉中的一种或二种以上。

3.根据权利要求1所述的高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法，其特征在于：所述的连续相溶液为正十六烷或正十八烷；表面活性剂为司盘80、司盘85或司盘65；旋涡振荡的档速为4.5-6.5档；剪切时间为10s-60s。

4.根据权利要求1所述的高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法，其特征在于：所述的油浴锅中蒸发水分的温度为30℃-80℃，时间为6h-12h，搅拌速度为250rpm-400rpm；清洗液为正己烷、正戊烷或石油醚中的一种或二种以上；煅烧的环境是氩气或氮气，煅烧的温度为800℃-900℃，煅烧的时间为1h-4h。

5.根据权利要求1-4中任一项所述高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法获得的光子晶体微球在隐形眼睛中的应用。

6.根据权利要求5所述的光子晶体微球在隐形眼睛中的应用，其特征在于：通过光子晶体微球制备光子晶体微球结构色油墨，制备时将亲水高聚物a、混合液b和光子晶体微球混合，加入交联剂，机械搅拌后制成光子晶体微球结构色油墨，将光子晶体微球结构色油墨应用于隐形眼镜的制备。

7.根据权利要求6所述的光子晶体微球在隐形眼睛中的应用，其特征在于：所述的亲水高聚物a为甲基丙烯酸类聚合物，甲基丙烯酸类聚合物含有一个或多个羟基或羧基；混合液b含有甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、n-乙烯基吡咯烷酮、甘油、聚乙烯基吡咯烷酮中的三种以上；交联剂为二缩三丙二醇二丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或二种以上。

8.根据权利要求7所述的光子晶体微球在隐形眼睛中的应用，其特征在于：所述的亲水高聚物a、混合液b和光子晶体微球的质量比为45-75:5-25:4-40；亲水高聚物a与交联剂的质量比为1:0.0090-0.0400；机械搅拌的时间为0.5h-5h，搅拌速度为100r/min-300r/min。

9.根据权利要求6所述的光子晶体微球在隐形眼睛中的应用，其特征在于：将光子晶体微球结构色油墨涂于模板的刻印图案上，模板的花纹图案避开虹膜区；将模板上的油墨图案通过橡胶头移印到隐形眼镜模具中，滴加隐形眼镜原料，合模，固化，形成隐形眼镜干片；将隐形眼镜干片浸泡于纯水和标准盐水中，得到非光学区有结构色图案花纹的隐形眼镜。

10.根据权利要求9所述的光子晶体微球在隐形眼睛中的应用，其特征在于：所述的固化的光强度为30mw/cm2-400mw/cm2，照射时间1min-30min；固化温度为50℃-130℃，固化时间为1h-40h。

技术总结本发明提供一种高效制备具有光子晶体结构色的微球的方法，将单分散SiO<subgt;2</subgt;纳米颗粒分散在去离子水中制备SiO<subgt;2</subgt;的水溶液，超声分散均匀后，加入碳源，获得掺杂碳的SiO<subgt;2</subgt;纳米颗粒分散相溶液；在连续相溶液中加入表面活性剂，搅拌均匀；再利用旋涡振荡将SiO<subgt;2</subgt;纳米颗粒分散相溶液在连续相中制备成微乳液滴；将微乳液滴置于油浴锅中蒸发水分获得光子晶体复合微球；用清洗液对光子晶体复合微球进行清洗，烘干后煅烧，即得光子晶体微球。并公开了该光子晶体微球在隐形眼镜中的应用。本发明获得具有工艺简单、色彩丰富、纹路灵活等优异性能的彩色材料，进而获得具有高安全性和实用性的隐形眼镜产品。技术研发人员：丁收年,雷晓琼,韩雪莲,陈平受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2