本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)合光學(xué)材料壓力成型制備方法。

背景技術(shù)：

高分子蛋白石是一種新型復(fù)合光學(xué)材料，Pursiainen 等人（“Nanoparticle-tuned structural color from polymer opals” OpticsExpress, 2007， 15：9553:）討論了并入納米微粒對(duì)使用芯-殼聚合顆粒形成的柔性聚合物蛋白石的光學(xué)性質(zhì)的影響，芯-殼顆粒的芯由聚苯乙烯形成，而外部殼由聚丙烯酸乙酯形成，顆粒的排序通過(guò)使在兩個(gè)外部覆蓋層之間的顆粒在壓縮下流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Chris Finlayson 等人在“3D Bulk Ordering in Opals by Edge-Induced Rotational Shearing, Adv. Mat. 23, 1540 (2011)” 中研究了以芯-殼結(jié)構(gòu)聚合物微球夾在兩層PET薄膜中間輥壓成薄膜然后通過(guò)楔形金屬頂端的壓力導(dǎo)致剪切流動(dòng)得到納米微球規(guī)則排列以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的制備方法；CN103534079 A 中公布了以芯-殼結(jié)構(gòu)聚合物微球制備高分子蛋白石的一種制備技術(shù)，通過(guò)夾層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剪切力使微球在層狀薄膜中排列成規(guī)則的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生類似自然蛋白石的光學(xué)結(jié)構(gòu)色；Christian Schaefer等人（“Reversible light-, thermo-, and mechano-responsive elastomeric polymer opal films “，Chem. Mater. 2013, 25, 2309-2318）使用了添加納米顆粒及使用未交聯(lián)的PS（聚苯乙烯）作為芯-殼聚合顆粒形成的柔性聚合物蛋白石芯層材質(zhì)通過(guò)上下兩個(gè)平板壓制材料流動(dòng)成柔性聚合物蛋白石薄圓盤的制備方法。在上述方法中，輥壓成為薄膜然后經(jīng)過(guò)剪切方法制備微結(jié)構(gòu)規(guī)整的材料的方法只適用于制備平面的柔性蛋白石光學(xué)薄膜，而通過(guò)上下表面加壓使材料流動(dòng)的方式制備的柔性蛋白石光學(xué)材料目前僅局限于圓盤狀材料。

現(xiàn)有公布的技術(shù)主要是進(jìn)行材料的薄膜生產(chǎn)，薄膜厚度在40-500微米之間，生產(chǎn)的薄膜為平面材料，必須經(jīng)過(guò)輥壓-震蕩剪切兩步工藝后才能生產(chǎn)具有結(jié)構(gòu)色的光學(xué)薄膜產(chǎn)品，不能直接生產(chǎn)厚度超過(guò)500微米的薄膜，也不能生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀的其他型材、管材、線材、殼狀材料等等。而且公布現(xiàn)有的技術(shù)，如以兩層PET夾住材料在上下壓板下使材料成型的工藝只進(jìn)行了圓形薄片的制備，沒(méi)有提到可以用于壓制其他形狀的材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種復(fù)合光學(xué)材料壓力成型制備方法。本發(fā)明能夠制備不同復(fù)雜形狀具有明顯結(jié)構(gòu)色的柔性蛋白石材料，包括管材、線材、復(fù)雜形狀表面材料等。

本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

一種復(fù)合光學(xué)材料壓力成型制備方法，所述光學(xué)材料為聚合物芯-殼結(jié)構(gòu)納米微球，所述光學(xué)材料進(jìn)入型腔內(nèi)，通過(guò)使所述光學(xué)材料發(fā)生流動(dòng)進(jìn)而使所述光學(xué)材料相對(duì)于所述型腔的限制面發(fā)生剪切流動(dòng)，導(dǎo)致納米微球在靠近所述型腔表面的位置有序排列，產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)色。

本發(fā)明所采用的材料在壓力成型之前沒(méi)有結(jié)構(gòu)色，在壓力成型后形成具有穩(wěn)定鮮明光學(xué)結(jié)構(gòu)色的表面，因此壓力成型過(guò)程不止是成型過(guò)程而且是光學(xué)效果產(chǎn)生和調(diào)制的過(guò)程。

在上述方案中優(yōu)選的是，所述聚合物芯-殼結(jié)構(gòu)納米微球?yàn)榉垠w或塊狀材料。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述型腔的材質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度高于所述材料。所述光學(xué)材料通過(guò)自動(dòng)推送或者人工放置進(jìn)入所述型腔內(nèi)。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述光學(xué)材料在接近限制面的0-2微米厚度內(nèi)剪切速率要超過(guò)0.5s^-1。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，使所述光學(xué)材料發(fā)生流動(dòng)的方式為：通過(guò)在所述型腔的開(kāi)放的一端不斷輸送所述光學(xué)材料使所述材料填充所述型腔的情況下形成壓力，迫使所述光學(xué)材料向所述型腔的另一開(kāi)放端或所述型腔內(nèi)部未填充的空隙流動(dòng)。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述型腔為成型模具，將所述光學(xué)材料放入擠出機(jī)經(jīng)過(guò)擠壓密實(shí)后直接或者通過(guò)增壓設(shè)備擠入成型模具，所述成型模具溫度為80-130℃，所述成型模具與所述光學(xué)材料接觸的內(nèi)表面經(jīng)過(guò)光滑鏡面處理。

經(jīng)光滑鏡面處理以降低表面粗糙度，使擠出光學(xué)材料具有光潔表面，根據(jù)成型模具的設(shè)計(jì)形狀，這類方法可以擠出管材、線材及薄片材。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述增壓設(shè)備為熔體泵、高壓泵和齒輪泵等。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述光滑鏡面處理為電鍍、表面拋光等處理。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，使所述材料發(fā)生流動(dòng)的方式為：通過(guò)壓縮所述型腔的空間，在空間不斷減小的情況下迫使所述光學(xué)材料發(fā)生流動(dòng)。力學(xué)機(jī)構(gòu)例如組合模具。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述型腔為所述凹凸模具形成的腔體，將所述凹凸模具的凹模和凸模分別安放在上下兩塊平行加壓平板上，所述凹凸模具溫度為60-140℃度，將所述光學(xué)材料放于下部所述凹模中，使所述凹模和所述凸模貼合，內(nèi)置的所述光學(xué)材料在壓力下沿所述凹模和所述凸模的間隙流動(dòng)直至填充整個(gè)間隙形成所需的形狀并具有一定的厚度。

上下兩塊平行加壓平板即為上下兩塊平行的板子，這兩塊板子都是加壓的，或者只有一塊是加壓的另一塊保持位置不動(dòng)。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述凹凸模具材質(zhì)的硬度及機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柔性聚合物蛋白石的機(jī)械強(qiáng)度。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述凹凸模具的表面應(yīng)保證光滑。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，通過(guò)控制上下加壓平板的行程，使所述凹模和所述凸模漸漸貼合。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述上下加壓平板運(yùn)動(dòng)的行程應(yīng)分兩步控制，第一步從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到所述凹凸模具的表面分別接觸光學(xué)材料為止，停留一定時(shí)間后使所述光學(xué)材料得到充分預(yù)熱，然后開(kāi)始第二步加壓使所述光學(xué)材料充分流動(dòng)形成所需的形狀。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述施加的壓力應(yīng)大于5兆帕。

在上述任一方案中優(yōu)選的是，所述施加的壓力為20-60兆帕。

光學(xué)材料的最終厚度以機(jī)械式鎖死上下模具的最小間隙控制。凹凸模的設(shè)計(jì)應(yīng)避免出現(xiàn)死角，形狀應(yīng)以圓滑角度過(guò)渡為最優(yōu)。這類方法適用于制備各種殼狀材料，凹凸表面材料及薄片。

型腔的非開(kāi)放端內(nèi)表面稱為限制面，例如模具的內(nèi)表面或者管狀通道的內(nèi)表面；通過(guò)對(duì)材料施加壓力，并通過(guò)限制邊界面限制材料在壓力下垂直于限制面的流動(dòng)，從而增強(qiáng)與限制面切線方向平行方向的流動(dòng)，使材料相對(duì)于限制面發(fā)生剪切流動(dòng)，導(dǎo)致納米微球在靠近表面的位置有序排列，產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)色，在形狀的基礎(chǔ)上產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)色。

本發(fā)明的方案可以不使用PET和夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行材料的生產(chǎn)。本發(fā)明能夠制備不同復(fù)雜形狀具有明顯結(jié)構(gòu)色的柔性蛋白石材料，包括管材、線材、復(fù)雜形狀表面材料等。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種復(fù)合光學(xué)材料壓力成型制備方法的一優(yōu)選實(shí)施中利用擠出壓力成型設(shè)備和工藝方案簡(jiǎn)化流程圖；

圖2是本發(fā)明一種復(fù)合光學(xué)材料壓力成型制備方法的另一優(yōu)選實(shí)施中利用熱壓成型設(shè)備和工藝方案簡(jiǎn)化流程圖；

圖3. 本發(fā)明一種復(fù)合光學(xué)材料壓力成型制備方法得到的蛋白石結(jié)構(gòu)色棒料。

具體實(shí)施方式

為了進(jìn)一步了解本發(fā)明的技術(shù)特征，下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地闡述。實(shí)施例只對(duì)本發(fā)明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的基礎(chǔ)上做出的任何非實(shí)質(zhì)性的修改，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明中復(fù)合光學(xué)材料的原料為經(jīng)過(guò)干燥的聚合物芯-殼結(jié)構(gòu)納米微球粉體或塊狀材料，主要成分為聚苯乙烯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯等以及少量交聯(lián)劑和其他添加劑或其他改性材料，與CN103534079 A中所公示的材料基本一致。

實(shí)施例 1：

如圖1所示，以聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乙酯“芯-殼”結(jié)構(gòu)聚合物納米微球（直徑250nm）粉體為原料，使用30型雙螺桿擠出機(jī)，最高輸出壓力50兆帕增壓齒輪泵，管材擠出模頭，模頭擠出間隙設(shè)計(jì)1毫米，定型長(zhǎng)度2厘米，模具內(nèi)壁經(jīng)過(guò)鏡面鍍鉻處理，模具擠出口邊緣光滑鋒利，在50倍放大觀察的條件下無(wú)鋸齒狀。

具體流程如下：

（1）將原料經(jīng)喂料口投入擠出機(jī)，擠出機(jī)以恒定負(fù)載將原料擠入增壓齒輪泵；

（2）增壓齒輪泵將物料加壓擠入模具頭；

（3）管材經(jīng)模具頭擠出后經(jīng)風(fēng)冷定型；

（4）擠出機(jī)機(jī)筒、增壓泵、模具頭設(shè)定溫度采用120℃；

（5）擠出的管材表面具有明亮的結(jié)構(gòu)色。

根據(jù)模具頭擠出管材厚度的設(shè)計(jì)以及設(shè)備的耐壓程度，管材管壁厚度可在100-10000毫米調(diào)整。

用同樣的設(shè)備和工藝流程，將管材模具頭換為其他型材模具頭，例如線材模具頭，可生產(chǎn)具有蛋白石結(jié)構(gòu)色的柔性蛋白石光學(xué)材料線材及棒料，直徑范圍在0.1-1000毫米。

本實(shí)施例中，模具定型長(zhǎng)度有關(guān)鍵作用，定型長(zhǎng)度過(guò)短會(huì)導(dǎo)致材料與管壁剪切流動(dòng)不規(guī)則，減弱或破壞表面結(jié)構(gòu)色的形成，定型長(zhǎng)度一般不低于2mm。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例以擠出形成具有蛋白石結(jié)構(gòu)色的棒料為例，使用與實(shí)例1相同的工藝流程、擠出機(jī)、增壓泵，采用圖3所示的棒料成型模具頭。

原料經(jīng)增壓泵泵入模具頭后首先在第一段直徑較大的型腔中累積，在填充滿第一段型腔后由于不斷泵入的材料的作用，同時(shí)也由于第二段型腔的直徑比第一段型腔小，使得材料在第一段型腔中不斷積累壓力，在壓力達(dá)到一定值的情況下通過(guò)第二段型腔擠出模具，形成圖3中所示的具有各向異色特點(diǎn)蛋白石結(jié)構(gòu)色的棒料。棒料具有各角度異色以及在機(jī)械變形下變色等特性。

實(shí)施例3：

如圖2所示，以經(jīng)擠出機(jī)直接擠出的密實(shí)的以聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乙酯“芯-殼”結(jié)構(gòu)聚合物納米微球（直徑250nm）為原料，可以是片材、一小段棒料、或者塊狀材料，以熱壓機(jī)為加壓成型設(shè)備，以設(shè)計(jì)生產(chǎn)殼型材料的凹凸組合模具為成型模具，制備聚合物柔性蛋白石殼體。

具體流程如下：

（1）將組合模具分別安裝在熱壓機(jī)的上下壓板上，溫度控制系統(tǒng)將模具加熱至120℃。模具與材料接觸的表面需經(jīng)過(guò)光滑處理，并采取措施保證脫模順利。

（2）將實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好的定量原料放入下模中

（3）對(duì)上下壓板加壓，控制壓板行程，在上下模內(nèi)表面開(kāi)始接觸材料后暫停，使材料充分加熱。

（4）上下模具之間通過(guò)機(jī)械墊片等限位方式確定最終間隙，從而確定壓制的材料成型后的厚度。對(duì)上下壓板繼續(xù)施壓，繼續(xù)行程，使上下模具達(dá)到限位允許的最近位置，使材料在上下模具間隙中不斷流動(dòng)直至行程停止材料最終成型。壓機(jī)使用壓力30兆帕。

（5）行程結(jié)束后保持位置一定時(shí)間以使材料成型穩(wěn)定，然后使上下模分離，將成型的材料脫模取出。

實(shí)施例4：

以聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乙酯“芯-殼”結(jié)構(gòu)聚合物納米微球（直徑220nm）粉體為原料，使用35型雙螺桿擠出機(jī)，最高輸出壓力50兆帕增壓齒輪泵，管材擠出模頭，模頭擠出間隙設(shè)計(jì)1.5毫米，定型長(zhǎng)度2.5厘米，模具內(nèi)壁經(jīng)過(guò)鏡面鍍鉻處理，模具擠出口邊緣光滑鋒利，在50倍放大觀察的條件下無(wú)鋸齒狀。

具體流程如下：

（1）將原料經(jīng)喂料口投入擠出機(jī)，擠出機(jī)以恒定負(fù)載將原料擠入增壓齒輪泵；

（2）增壓齒輪泵將物料加壓擠入模具頭；

（3）管材經(jīng)模具頭擠出后經(jīng)風(fēng)冷定型；

（4）擠出機(jī)機(jī)筒、增壓泵、模具頭設(shè)定溫度采用80℃；

（5）擠出的管材表面具有明亮的結(jié)構(gòu)色。

根據(jù)模具頭擠出管材厚度的設(shè)計(jì)以及設(shè)備的耐壓程度，管材管壁厚度可在1-10毫米調(diào)整。

用同樣的設(shè)備和工藝流程，將管材模具頭換為其他型材模具頭，例如線材模具頭，可生產(chǎn)具有蛋白石結(jié)構(gòu)色的柔性蛋白石光學(xué)材料線材及棒料，直徑范圍在0.1-1000毫米。

本實(shí)施例中，模具定型長(zhǎng)度有關(guān)鍵作用，定型長(zhǎng)度過(guò)短會(huì)導(dǎo)致材料與管壁剪切流動(dòng)不規(guī)則，減弱或破壞表面結(jié)構(gòu)色的形成，定型長(zhǎng)度一般不低于2mm。

實(shí)施例 5：

以聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乙酯“芯-殼”結(jié)構(gòu)聚合物納米微球（直徑250nm）粉體為原料，使用30型雙螺桿擠出機(jī)，最高輸出壓力50兆帕增壓齒輪泵，管材擠出模頭，模頭擠出間隙設(shè)計(jì)1毫米，定型長(zhǎng)度2厘米，模具內(nèi)壁經(jīng)過(guò)鏡面鍍鉻處理，模具擠出口邊緣光滑鋒利，在50倍放大觀察的條件下無(wú)鋸齒狀。

具體流程如下：

（1）將原料經(jīng)喂料口投入擠出機(jī)，擠出機(jī)以恒定負(fù)載將原料擠入增壓齒輪泵；

（2）增壓齒輪泵將物料加壓擠入模具頭；

（3）管材經(jīng)模具頭擠出后經(jīng)風(fēng)冷定型；

（4）擠出機(jī)機(jī)筒、增壓泵、模具頭設(shè)定溫度采用120℃；

（5）擠出的管材表面具有明亮的結(jié)構(gòu)色。

根據(jù)模具頭擠出管材厚度的設(shè)計(jì)以及設(shè)備的耐壓程度，管材管壁厚度可在1-10毫米調(diào)整。

用同樣的設(shè)備和工藝流程，將管材模具頭換為其他型材模具頭，例如線材模具頭，可生產(chǎn)具有蛋白石結(jié)構(gòu)色的柔性蛋白石光學(xué)材料線材及棒料，直徑范圍在0.1-1000毫米。

本實(shí)施例中，模具定型長(zhǎng)度有關(guān)鍵作用，定型長(zhǎng)度過(guò)短會(huì)導(dǎo)致材料與管壁剪切流動(dòng)不規(guī)則，減弱或破壞表面結(jié)構(gòu)色的形成，定型長(zhǎng)度一般不低于2mm。

實(shí)施例6：

以經(jīng)擠出機(jī)直接擠出的密實(shí)的以聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乙酯“芯-殼”結(jié)構(gòu)聚合物納米微球（直徑230nm）為原料，可以是片材、一小段棒料、或者塊狀材料，以熱壓機(jī)為加壓成型設(shè)備，以設(shè)計(jì)生產(chǎn)殼型材料的凹凸組合模具為成型模具，制備聚合物柔性蛋白石殼體。

具體流程如下：

（1）將組合模具分別安裝在熱壓機(jī)的上下壓板上，溫度控制系統(tǒng)將模具加熱至80℃。模具與材料接觸的表面需經(jīng)過(guò)光滑處理，并采取措施保證脫模順利。

（2）將實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好的定量原料放入下模中。

（3）對(duì)上下壓板加壓，控制壓板行程，在上下模內(nèi)表面開(kāi)始接觸材料后暫停，使材料充分加熱。

（4）上下模具之間通過(guò)機(jī)械墊片等限位方式確定最終間隙，從而確定壓制的材料成型后的厚度。對(duì)上下壓板繼續(xù)施壓，繼續(xù)行程，使上下模具達(dá)到限位允許的最近位置，使材料在上下模具間隙中不斷流動(dòng)直至行程停止材料最終成型。壓機(jī)使用壓力50兆帕。

（5）行程結(jié)束后保持位置一定時(shí)間以使材料成型穩(wěn)定，然后使上下模分離，將成型的材料脫模取出。

實(shí)施例7：

以經(jīng)擠出機(jī)直接擠出的密實(shí)的以聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸甲酯-聚丙烯酸乙酯“芯-殼”結(jié)構(gòu)聚合物納米微球（直徑250nm）為原料，可以是片材、一小段棒料、或者塊狀材料，以熱壓機(jī)為加壓成型設(shè)備，以設(shè)計(jì)生產(chǎn)半球形殼型材料的凹凸組合模具為成型模具，制備聚合物柔性蛋白石半球殼體。

具體流程如下：

（1）將組合模具分別安裝在熱壓機(jī)的上下壓板上，溫度控制系統(tǒng)將模具加熱至130℃。模具與材料接觸的表面需經(jīng)過(guò)光滑處理，并采取措施保證脫模順利。

（2）將實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好的定量原料放入下模中。

（3）對(duì)上下壓板加壓，控制壓板行程，在上下模內(nèi)表面開(kāi)始接觸材料后暫停，使材料充分加熱。

（4）上下模具之間通過(guò)機(jī)械墊片等限位方式確定最終間隙，從而確定壓制的材料成型后的厚度。對(duì)上下壓板繼續(xù)施壓，繼續(xù)行程，使上下模具達(dá)到限位允許的最近位置，使材料在上下模具間隙中不斷流動(dòng)直至行程停止材料最終成型。壓機(jī)使用壓力60兆帕。

（5）行程結(jié)束后保持位置一定時(shí)間以使材料成型穩(wěn)定，然后使上下模分離，將成型的材料脫模取出。

本發(fā)明的方法亦可以使材料與其他材料復(fù)合，例如在上下模內(nèi)表面附加PET薄膜、TPU薄膜或者硬質(zhì)殼體等，材料的機(jī)械強(qiáng)度在加工過(guò)程中應(yīng)大于柔性蛋白石的機(jī)械強(qiáng)度。以將對(duì)光滑、圓滑過(guò)渡表面金屬手機(jī)殼外表面附加具有結(jié)構(gòu)色的柔性高分子蛋白石為例，以金屬手機(jī)殼作為凸模，對(duì)凹模采取容易脫模的處理工藝（覆蓋一層柔軟的較薄的PET薄膜或涂抹極少量脫模劑），采取實(shí)例2中的工藝流程，在壓制完成后，柔性蛋白石均勻附著在手機(jī)殼上，得到具有蛋白石結(jié)構(gòu)色的手機(jī)外殼。

現(xiàn)有的薄膜制備工藝無(wú)法生產(chǎn)厚度在500微米以上的具有明亮蛋白石結(jié)構(gòu)色的片材、棒料、線材、管材、以及具有復(fù)雜曲面的表面。