一种超黑涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超黑涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]黑色涂层在建筑、家具及光学等很多领域都有广泛的应用，黑色涂层中最常见、使用最便捷的就是黑漆。在深空探测的光学系统中，非目标星体发出的光线照射到镜筒内部等表面后，由于表面具有一定的反射率，光线经过多次发射后可能会进入到探测器，对目标星体的成像造成干扰。由于有些待观测星体十分遥远，到达探测器的能量十分微弱，因此需要在镜筒等部分涂敷高吸收率、低反射率的用黑漆，吸收非目标星体发出的杂散光，以提高光学装置的精度。杂散光往往需要经过多次反射后才能到达探测器，因此反射率的微小差异在多次反射后会得到指数级数的放大，I %的反射率差异就会对最终的杂散光水平造成几个数量级的影响。
[0003]目前国内外使用的黑漆成分相互类似，主要使用炭黑做为黑色颜料对光进行吸收，使用树脂做为基体或粘结剂，使用白炭黑、滑石粉等粉末材料做为消光剂减少漆膜的镜面反射，使用各种助剂增加黑漆的分散、施工性能。虽然各不同牌号黑漆使用的具体配方有一定差别，但由于其原理类似，反射率也都相互接近，大概在3?5%。
[0004]为进一步降低光学器材表面的反射率，除黑漆外，各厂商还提供了一些表面处理的其它技术或涂层，比如各种阳极氧化技术、黑镍涂层及黑硅技术等。这些涂层降低材料表面反射率的主要手段就是在材料表面引入有序/准有序的二维结构，如美国马丁黑涂层技术(Martin Black)就是在使用腐蚀技术在材料表面制备二维起伏的结构，结合添加的染料，形成陷光的效果，降低材料的反射率，美国Sun等人在使用离子刻蚀在硅片表面制备尺寸为360nm的周期性突起结构，大幅度的降低了硅片的反射率，得到了“黑硅”。但这些涂层或技术往往对基底类型、尺寸有着严格的限制，施工步骤复杂，因此应用受到了较大的限制，在很多场合光学器材仍需要使用黑漆做为高吸收涂层。
【发明内容】
[0005]本发明要解决现有黑色涂层或存在反射率无法满足光学领域，或存在对基底类型、尺寸有着严格的限制，施工步骤复杂的问题，而提供一种超黑涂层的制备方法。
[0006]一种超黑涂层的制备方法，具体是按照以下步骤进行的:
[0007]一、二氧化硅单分散微球的制备:利用溶胶凝胶法制备二氧化硅单分散微球，得到二氧化硅单分散微球；
[0008]所述的二氧化硅单分散微球同一批次的直径标准偏差不大于0.05，且所述的同一批次的二氧化硅单分散微球的直径在100纳米?1000纳米内；
[0009]二、碳包覆的二氧化硅单分散微球的制备:以可成碳的树脂为碳源对二氧化硅单分散微球表面进行包覆，得到碳包覆的二氧化硅单分散微球；
[0010]所述的碳包覆的二氧化硅单分散微球同一批次直径的标准偏差不大于0.05，且所述的同一批次的碳包覆的二氧化硅单分散微球中碳包覆层厚度在10纳米?100纳米内；
[0011]三、超黑漆的制备:按质量份数称取3份?6份粘接剂、7份?14份稀释剂及4份碳包覆的二氧化硅单分散微球，然后在超声或震荡条件下，将称取的3份?6份粘接剂、7份?14份稀释剂及4份碳包覆的二氧化硅单分散微球混合均匀，得到超黑漆；
[0012]四、刷涂或喷涂:利用刷涂或喷涂，将超黑漆涂覆于基体表面，自然干燥并固化，得到含有短程有序排列微球的超黑涂层，即完成一种超黑涂层的制备方法。
[0013]本发明的有益效果是:本发明使用碳包覆的单分散二氧化硅微球做为光吸收剂调配黑漆，并加入适量树脂做为粘结剂，这种黑漆能够以喷涂或刷涂的方式施工，施工后形成有序结构，产生陷光作用，使得到的涂层反射率比使用炭黑做为光吸收剂的传统黑漆明显下降，反射率可达到1.4%?2%，且适用于各种基底类型及尺寸，操作简单。
[0014]本发明用于一种超黑涂层的制备方法。
【附图说明】
[0015]图1为漫反射率比较图；1为实施例二制备的含有短程有序排列微球的超黑涂层；2为对比实验制备的混合涂层；
[0016]图2为实施例二步骤二中碳包覆的二氧化硅单分散微球的透射电镜照片；
[0017]图3为实施例二制备的含有短程有序排列微球的超黑涂层扫描电镜照片；
[0018]图4为炭黑透射电镜图；
[0019]图5为传统黑漆表面扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0020]本发明技术方案不局限于以下所列举的【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】之间的任意组合。
[0021]【具体实施方式】一:本实施方式所述的一种超黑涂层的制备方法，具体是按照以下步骤进彳丁的:
[0022]一、二氧化硅单分散微球的制备:利用溶胶凝胶法制备二氧化硅单分散微球，得到二氧化硅单分散微球；
[0023]所述的二氧化硅单分散微球同一批次的直径标准偏差不大于0.05，且所述的同一批次的二氧化硅单分散微球的直径在100纳米?1000纳米内；
[0024]二、碳包覆的二氧化硅单分散微球的制备:以可成碳的树脂为碳源对二氧化硅单分散微球表面进行包覆，得到碳包覆的二氧化硅单分散微球；
[0025]所述的碳包覆的二氧化硅单分散微球同一批次直径的标准偏差不大于0.05，且所述的同一批次的碳包覆的二氧化硅单分散微球中碳包覆层厚度在10纳米?100纳米内；
[0026]三、超黑漆的制备:按质量份数称取3份?6份粘接剂、7份?14份稀释剂及4份碳包覆的二氧化硅单分散微球，然后在超声或震荡条件下，将称取的3份?6份粘接剂、7份?14份稀释剂及4份碳包覆的二氧化硅单分散微球混合均匀，得到超黑漆；
[0027]四、刷涂或喷涂:利用刷涂或喷涂，将超黑漆涂覆于基体表面，自然干燥并固化，得到含有短程有序排列微球的超黑涂层，即完成一种超黑涂层的制备方法。
[0028]步骤四中所述的基体为可刷漆的任何东西，比如镜头的遮光罩。
[0029]传统黑漆使用炭黑做为光吸收剂，图4为炭黑透射电镜图；由图可知，炭黑尺寸较小(几十纳米)，比表面积极大。图5为传统黑漆表面扫描电镜图；由图可知，使用炭黑时需要加入大量树脂做为粘结剂，才能使制得的漆液具有一定的流动性，这样就导致干燥后产生的涂层表面较为平整，即使加入一定量的消光剂，由于炭黑颗粒较小，将分布在消光剂的间隙中，整体形成的膜仍较平整致密，光仅在漆层的上表面发生一次吸收就被反射出黑漆涂层，并且光入射时接触的部分界面为树脂/空气界面，树脂也会产生少量的反射。
[0030]如使用较大颗粒炭黑或团聚后炭黑制备黑漆，颗粒增大后的碳光吸收能力又会下降，同样导致反射率上升。
[0031]本发明中将可成碳的树脂包覆在适当尺寸的二氧化硅微球表面，再进一步高温碳化为碳包覆层，这种方法制备的碳比较疏松，在短于可见光波长的尺度上(几十纳米)的疏松结构会造成材料有效折射率下降，降低碳的反射率；同时碳包覆在与光波长相近的几百纳米的二氧化硅微球上，可以形成光学黑洞效应，进一步增强光的吸收，如果此处选择实心碳球，则反射率大幅度上升至4% ;几百纳米的碳包覆微球将进一步团聚为短程有序的颗粒，再无序的堆积起来，堆积时会产生较大的(微米级的空隙)，进入空隙的光会被多次反射，增加了吸收的次数，因此进一步降低了反射率，此处如选择粒径大小不均一的微球，则无法形成短程有序的团聚颗粒，因此形成的空隙将较小，陷光效果也较弱，此处如选择过小微球，也无法有效形成空隙。
[0032]本实施方式的有益效果是:本实施方式使用碳包覆的单分散二氧化硅微球做为光吸收剂调配黑漆，并加入适量树脂做为粘结剂，这种黑漆能够以喷涂或刷涂的方式施工，施工后形成有序结构，产生陷光作用，使得到的涂层反射率比使用炭黑做为光吸收剂的传统黑漆明显下降，反射率可达到1.4%?2%，且适用于各种基底类型及尺寸，操作简单。
[0033]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤二中所述的可成碳的树脂为酚醛树脂、聚酰亚胺或聚芳基乙炔。其它与【具体实施方式】一相同。
[0034]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同的是:当所述的可成碳的树脂为酚醛树脂时，以可成碳的树脂为碳源对二氧化硅单分散微球表面进行包覆，具体是按以下步骤进行的:将二氧化硅单分散微球先用乙醇洗涤2次，再用去离子水洗涤I次，得到清洗后的二氧化硅单分散微球，将清洗后的二氧化硅单分散微球置于去离子水中，得到质量百分数为10%的微球乳液，然后将水、质量百分数为10%的微球乳液、浓度为0.01mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液及质量百分数为25%的氨水混合，搅拌5min，得到反应体系，然后向反应体系中加入间苯二酚和甲醛，磁力搅拌8h，得到酚醛树脂包覆的二氧化硅微球乳液，离心分离酚醛树脂包覆的二氧化硅微球乳液，并用去离子水清洗三次，得到酚醛树脂包覆的二氧化硅微球，最后在温度为800°C及氩气或氮气气氛下，将酚醛树脂包覆的二氧化硅微球热处理2h，得到碳包覆的二氧化硅单分散微球；
[0035]所述的质量百分数为10%的微球乳液与水的体积比为1:6 ;所述的质量百分数为10%的微球乳液与浓度为0.01mol/L的十六烷基三甲基溴化铵溶液的体积比为4:1 ;所述的质量百分数为10%的微球乳液与质量百分数为25%的氨水的体积比为8:0.1 ;所述的质量百分数为10%的微球乳液的体积与间苯二酚的质量比为8mL:0.1g ;所述的质量百分数为10%的微球乳液与甲醛的体积比为4:0.07。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0036]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:步骤三中所述的粘接剂为甲基硅树脂、聚丙烯酸树脂或聚氨酯；步骤三中所述的稀释剂为可溶解甲基硅树脂、聚丙烯酸树脂或聚氨酯的有机溶剂。其它与【具体实施方式】一至三相同。
[0037]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是:步骤一中所述的二氧化硅单分散微球的直径为100纳米，且所述的二氧化硅单分散微球直径标准偏差不大于0.05 ;步骤二中所述的碳包覆的二氧化硅单分散微球中碳包覆层厚度为10纳米，且所述的碳包覆的二氧化硅单分散微球直径的标准偏差不大于0.05。其它与【具体实施方式】一至四相同。
[0038]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:步骤一中所述的二氧化硅单分散微球的直径为360纳米，且所述的二氧化硅单分散微球直径标准偏差不大于0.05 ;步骤二中所述的碳包覆的二氧化硅单分散微球中碳包覆层厚度为40纳米，且所述的碳包覆的二氧化硅单分散微球直径的标准偏差不大于0.05。其它与【具体实施方式】一至五相同。