一种综合性能良好的汽车专用结构色颜料片及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于汽车面漆领域，尤其涉及一种高色稳、高耐候、低污染和低成本的综合性能良好的汽车专用结构色颜料片及其制备方法。


背景技术：

[0002]
近年来，人们开始对汽车外观颜色有个性化、年轻化、多样化的追求，主流的白色、黑色和银色三种颜色已经远远不能满足市场需求。颜色主要通过色素色和结构色两种不同的机制来产生，而彩色的汽车面漆主要是通过颜料或染料等色素色，来赋予产品各种五彩缤纷的颜色，其生产过程中容易产生大量的污染，易老化褪色。结构色主要通过表面形成薄膜结构或光子晶体，对光线产生折射差，形成丰富的色彩。结构色具有色彩反射率高、饱和度高、不易褪色及虹彩效应等特点，相对色素色颜料，结构色颜料片作为汽车面漆填料，其具有高稳定性，低污染，同时可改善汽车面漆的一些物理性能。目前，市面上的结构色颜料片是通过真空蒸镀技术沉积多层薄膜，通过光刻机设计颜料内部的光子晶体结构，其成本极高。
[0003]
因此，如何降低现有结构色颜料片的生产成本，又可保持高色稳、高耐候、低污染的性能是业界亟待解决的问题。


技术实现要素：

[0004]
本发明为了解决现有结构色颜料片的生产成本极高的问题，提供一种高色稳、高耐候、低污染、低成本的的综合性能良好的汽车专用结构色颜料片及其制备方法。
[0005]
本发明提供的一种综合性能良好的汽车专用结构色颜料片，其包括：不锈钢基材、设于该不锈钢基层表面的激光作用层、设于该激光作用层表面的至少一透明化合物层。
[0006]
优选的，所述的激光作用层依次包括：有色层、透明干涉层以及光学晶体层；所述有色层与所述的透明化合物层相叠合。
[0007]
优选的，所述不锈钢基材为304不锈钢、201不锈钢、314不锈钢、301不锈钢或316不锈钢中的一种。
[0008]
优选的，所述有色层的材料为二氧化锰、三氧化二铁、四氧化三铁、三氧化二铬、氧化镍、硫化镍、氮化铬、硫化锰、碳化钼、碳化铌、氧化铌、二硫化亚铁、硫化亚铁、三硫化二铁、氮化铁、氧化亚铜、氮化亚铜、五硫化二磷、氮化钛或二硫化钛中的至少一种；该有色层的厚度为5-50nm。
[0009]
优选的，所述透明干涉层的材料为二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、二硫化硅或五氧化磷中的至少一种；该透明干涉层的厚度为5-50nm。
[0010]
优选的，所述光学晶体层表面结构为光栅状、球状、蜂窝状或圆柱状中的至少一种结构。
[0011]
优选的，所述透明化合物层的材料为钛酸镧、二氧化钛、三氧化二铝或二氧化硅中的至少一种，该透明化合物层的厚度为5-500nm。
[0012]
本发明还提供了一种综合性能良好的汽车专用结构色颜料片的制备方法，其步骤如下:步骤1、以不锈钢材料为靶材，通过真空溅射镀膜法，在一衬底上形成一层纳米级厚度的镜面不锈钢基材；步骤2、使用激光对所述的镜面不锈钢基材的表面雕刻出所述的激光作用层；调节激光的单脉冲能量，制得不同颜色的所述有色层和透明干涉层；调整所述激光的单脉冲能量以及激光出光的距离，得到所述光学晶体点阵的不同结构形状；步骤3、使用真空镀膜法，在所述的激光作用层表面蒸镀至少一层透明化合物层，制得具有所述衬底的结构色颜料片；步骤4、颜料片的脱模、粉碎过筛用纯净水将结构颜料片从所述的衬底上冲洗下来；粉碎过筛，得到粒径均匀、粒径分布窄、中位径为10-15微米的汽车专用结构色颜料片。
[0013]
优选的，所述激光的单脉冲能量为0.005-0.06 mj，所述光学晶体点阵的横坐标与纵坐标距离为0.1-10微米。
[0014]
优选的，所述汽车专用结构色颜料片，其颜色可为金色、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色、黑色、粉红色或白色中的一种或几种颜色的混合色。
[0015]
本发明提供的综合性能良好的汽车专用结构色颜料片主要用作汽车面漆色彩的来源，避免使用色素色对环境产生污染，提高了色彩稳定性；以不锈钢为颜料片的基材，提高了颜料片的硬度和耐候性；通过真空镀膜与激光镭雕技术相结合，代替光刻机对材料进行结构设计，大大地降低了颜料的制备成本。
附图说明
[0016]
图1为本发明提供的结构色颜料的剖面结构示意图；图2为本发明实施例1制备的颜料片在金相显微镜下表面结构；图3为采用本发明实施例1制备的颜料片喷涂的效果示意图。
具体实施方式
[0017]
如图1所示，本发明提供的一种综合性能良好的汽车专用结构色颜料片，其特征在于，包括不锈钢基材1、设于该不锈钢基层1表面的激光作用层2、设于该激光作用层2表面的至少一透明化合物层3。而激光作用层2在激光雕刻作用下依次产生：有色层、透明干涉层以及光学晶体层。有色层朝外与透明化合物层3相叠合。
[0018]
其中，本发明可以使用多种不锈钢基材1，比如，304不锈钢、201不锈钢、314不锈钢、301不锈钢或316不锈钢中的一种。可以优选使用304不锈钢或316不锈钢。
[0019]
有色层的材料可以为二氧化锰、三氧化二铁、四氧化三铁、三氧化二铬、氧化镍、硫化镍、氮化铬、硫化锰、碳化钼、碳化铌、氧化铌、二硫化亚铁、硫化亚铁、三硫化二铁、氮化铁、氧化亚铜、氮化亚铜、五硫化二磷、氮化钛或二硫化钛中的至少一种；该有色层的厚度可以为5-50nm。
[0020]
透明干涉层的材料可以为二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、二硫化硅或五氧化磷中的至少一种；该透明干涉层的厚度为5-50nm。
[0021]
光学晶体层表面结构为光栅状、球状、蜂窝状或圆柱状中的至少一种结构。
[0022]
透明化合物层的材料为钛酸镧、二氧化钛、三氧化二铝或二氧化硅中的至少一种，该透明化合物层的厚度为5-500nm。
[0023]
本发明还提供了一种综合性能良好的汽车专用结构色颜料片的制备方法，步骤如下（请参阅图1）:步骤1、制备厚度为纳米级镜面不锈钢基材以不锈钢材料为靶材，通过溅射镀膜法，在真空条件下，使用高能电子束将不锈钢靶材气化，气化的不锈钢沉积于衬底上，形成一层纳米级厚度的镜面不锈钢基材。该不锈钢基材表面光亮、具有良好的金属光泽及亮度，硬度高，耐高温、具有良好的耐化学性与存储稳定性。该不锈钢基材的厚度为50-500nm。
[0024]
步骤2、激光表面雕刻使用飞秒激光对上述镜面不锈钢基材的表面进行雕刻，做出结构色颜料片中间的激光作用层，其包括有色层、透明干涉层以及光学晶体层。
[0025]
由于不锈钢基材中含碳、锰、磷、硫、硅、铬、镍、氮、铜、钼、铌、钛等多种元素，在激光的作用下，生成有色氧化物、氮化物或硫化物，以此形成5-50nm厚度的有色层。同时，也会形成以二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、二硫化硅、五氧化磷成分的透明干涉层，对光线形成薄膜干涉。厚度一般为5-50nm。有色层和透明干涉层两者相结合，为不锈钢基材赋予了颜色。有色层与透明干涉层的颜色可通过调整激光单脉冲能量来选择。
[0026]
光学晶体层的表面结构可为光栅状、球状、蜂窝状、圆柱状中的一种或多种相结合。光学晶体点阵的横坐标与纵坐标间距及周期可根据激光出光的距离作调整，光学晶体点阵的深浅可根据激光单脉冲能量来进行调整，光学晶体点阵形状则根据激光的单脉冲能量以及激光出光的横坐标与纵坐标距离相结合所决定。即通过飞秒激光器在镜面不锈钢表面进行雕刻，形成了具有周期性的光学点阵，得到光学晶体层，对光线有折射作用，形成纯净的结构色。
[0027]
使用的激光的单脉冲能量为0.005-0.06 mj，光学晶体点阵的横坐标与纵坐标距离为0.1-10微米。
[0028]
步骤3、蒸镀透明化合物层使用真空镀膜法，在上述不锈钢基材的激光作用层表面蒸镀至少一层透明化合物层，制得所述汽车专用结构色颜料片。该透明化合物层所蒸镀沉积的材料是钛酸镧、二氧化钛、三氧化二铝、二氧化硅中的一种或多种，其厚度为5-500nm，根据需要蒸镀沉积层数可为一层或多层。制得具有衬底的结构色颜料片。
[0029]
步骤4、颜料片的脱模、粉碎过筛透明化合物层蒸镀结束后，用纯净水将结构色颜料片从衬底上冲洗下来。使用细胞粉碎机将冲洗下来的结构色颜料片粉碎为10-15微米。通过振动筛对粉碎后的结构色颜料片进行分筛，得到粒径均匀、粒径分布窄、中位径为10-15微米的结构色颜料片。该结构色颜料片以不锈钢作为基材，使用透明化合物对不锈钢表面的激光作用层进行保护，因此，水洗、粉碎、分筛步骤均不会对颜料片造成损坏，不会破坏结构色颜料片的表面结构。由于该结构色颜料片为单面进行激光处理和化合物蒸镀，故脱模后颜料片一面为镜面不锈钢原色、另一面为结构色。在汽车漆中使用该颜料片，颜料片有1/2机率正置、1/2机率反置，喷涂出来
效果既具有不锈钢的光泽，又具有明艳的结构色。
[0030]
在激光作用下不锈钢基材表面产生的有色层、透明干涉层以及光学晶体层容易在空气中被氧化，而且耐盐雾、耐化学性以及耐候性较差。因此，在激光作用层上，使用真空镀膜技术，蒸镀上一层透明化合物层，对激光作用层起到一个保护作用，以提高结构色颜料篇的耐候性及稳定性。同时，由于透明化合物层与空气和激光作用层的折射率不同，形成了折射率差，对光线干涉有加强作用，使得激光作用层的颜色更加明艳，增强了颜料片的色彩效果。
[0031]
本发明可根据激光的单脉冲能量以及出光距离的设置，制备出不同颜色结构色颜料片。其颜色可为金色、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色、黑色、粉红色、白色中的一种或几种颜色的混合，颜色的深浅程度也可作相应的调整。结构色颜料片的颜色纯净，在不同的角度下，颜料片的颜色不会发生变化。
[0032]
本发明也可根据透明化合物沉积的厚度和层数，制备出随角变色的结构色光变颜料。随着蒸镀层数的增加，颜料片表面产生多层薄膜干涉效应，对入射光的干涉增强，出现颜色随入射光线角度变化而变化的现象，制备出幻彩的结构色颜料片。
[0033]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：实施例1如图1所示，使用真空镀膜设备，以304不锈钢材料作为靶材，通过真空溅射镀膜法，在衬底上蒸镀出50nm厚度的镜面304不锈钢薄膜层，即制得镜面304不锈钢基材。
[0034]
使用飞秒激光器对所沉积的镜面304不锈钢基材的薄膜层进行激光镭雕，制备激光作用层。激光的单脉冲能量为0.025mj，激光出光横坐标距离为0.42微米，激光出光纵坐标距离为2微米，生成三氧化二铬和三氧化二铁相结合的有色层，厚度为5nm；同时还生成二氧化硅的透明干涉层，厚度为10nm；光学晶体层表面为结构蜂窝状。
[0035]
使用真空镀膜设备在激光作用层上蒸镀沉积出透明化合物层，层数为1层，透明化合物层材料选择钛酸镧，其厚度为8nm。制得具有衬底的结构色颜料片。
[0036]
用纯净水将颜料片从衬底上冲洗下来。使用细胞粉碎机将冲洗下来的颜料片粉碎为10-15微米。通过振动筛对粉碎后的颜料片进行分筛，得到粒径均匀、粒径分布窄、中位径为10-15微米的结构色颜料片。
[0037]
本实施例1的结构色颜料片呈蓝色，颜料片颜色纯净，不随入射光线角度发生变化。如图2为金相显微镜下结构色颜料片的表面结构示意图，呈蜂窝结构。图3为使用实施例1的结构色颜料片的喷涂效果示意图。表1为喷涂色板的多角度lab值，使用x-rite ma96 多角度分光光度仪测试，l*代表亮度，a*代表绿到红的色彩变化，b*代表蓝到黄的色彩变化，fi代表颜料片的金属动态值。
[0038]
表1
从表格数据可以得出，使用实施例1制备出的结构色颜料片作为汽车漆填料，从a*、b*值得出，该颜料片颜色为蓝色，从l*值和fi值得出，该颜料片具有较高的金属光泽度。
[0039]
实施例2使用真空镀膜设备，以316不锈钢材料作为靶材，通过真空溅射镀膜法，在衬底上蒸镀出80nm厚度的镜面316不锈钢薄膜层，即制得镜面316不锈钢基材。
[0040]
使用飞秒激光器对所沉积的镜面316不锈钢基材的薄膜层进行激光镭雕，制成激光作用层。激光的单脉冲能量为0.022mj，激光出光横坐标距离为2.5微米，激光出光纵坐标距离为5微米，生成氮化钛和二硫化亚铁相结合的有色层，厚度为8nm；同时还生成二氧化钛透明干涉层，厚度为10nm；光学晶体层表面结构光栅状。
[0041]
使用真空镀膜设备在激光作用层上蒸镀沉积出透明化合物层，层数为1层，透明化合物层材料选择二氧化钛，其厚度为30nm。制得具有衬底的结构色颜料片。
[0042]
用纯净水将颜料片从衬底上冲洗下来。使用细胞粉碎机将冲洗下来的颜料片粉碎为10-15微米。通过振动筛对粉碎后的颜料片进行分筛，得到粒径均匀、粒径分布窄、中位径为10-15微米的结构色颜料片。
[0043]
本实施例2的结构色颜料片呈金色，颜料片颜色纯净，不随入射光线角度发生变化。
[0044]
实施例3使用真空镀膜设备，以304不锈钢材料作为靶材，通过真空溅射镀膜法，在衬底上蒸镀出100nm厚度的镜面304不锈钢薄膜层，即制得镜面304不锈钢基材。
[0045]
使用飞秒激光器对所沉积的镜面304不锈钢基材的薄膜层进行激光镭雕，制备成激光作用层。激光的单脉冲能量为0.017mj，激光出光横坐标距离为2微米，激光出光纵坐标距离为1微米，生成三氧化二铬、氧化镍和三氧化二铁相结合有色层，厚度为10nm；同时还生成二氧化钛透明干涉层，厚度为10nm；光学晶体层表面结构光栅状。
[0046]
使用真空镀膜设备在激光作用层上蒸镀沉积出透明化合物层，层数为2层。透明化合物层第一层的材料为二氧化硅，蒸镀沉积在激光作用层上，其厚度为20nm；透明化合物层第二层的材料为钛酸镧，蒸镀沉积在二氧化硅层上，其厚度为5nm。则制得具有衬底的结构色颜料片。
[0047]
用纯净水将颜料片从衬底上冲洗下来。使用细胞粉碎机将冲洗下来的颜料片粉碎为10-15微米。通过振动筛对粉碎后的颜料片进行分筛，得到粒径均匀、粒径分布窄、中位径为10-15微米的结构色颜料片。
[0048]
本实施案例3的结构色颜料片颜色随入射光线角度的变化发生变化，颜色为绿色变紫色。
[0049]
本发明也可根据透明化合物沉积的厚度和层数，制备出随角变色的结构色光变颜料。随着蒸镀层数的增加，颜料片表面产生多层薄膜干涉效应，对入射光的干涉增强，出现颜色随入射光线角度变化而变化的现象，制备出幻彩的结构色颜料片。
[0050]
以上结合实施方式对本发明进行了具体描述，但是本技术领域内的技术人员可以对这些实施方式作出多种变更或变化，这些变更和变化应落入本发明保护范围之内。