专利摘要

本发明提供一种采用计算模型优化包核颜料核/壳比的确定方法，该方法构建的核/壳结构包核颜料吸收光谱与颜料层厚度之间的计算模型，运用Matlab软件进行计算模拟，运用FDTD软件进行数据修正，从而得到包核颜料对光吸收波长和对光吸收强度与颜料层厚度之间的关系图。通过关系图确定包核颜料核/壳比第一范围；通过关系图确定包核颜料核/壳比第二范围；最后，取核/壳比第一范围和核/壳比第二范围的交集作为优化的包核颜料核/壳比。本发明效果是采用计算模型优化包核颜料核/壳比，简化了包核颜料核/壳比的优化过程，省去大量条件实验和系列性能测试优化过程，具有较强适用性，适用于以球形微硅粉和二氧化硅为核材料，以多种偶氮颜料为颜料层的多个包核颜料。

权利要求

1.一种采用计算模型优化包核颜料核/壳比的确定方法，该方法通过麦克斯韦方程和拉普拉斯方程，构建得到核/壳结构包核颜料包括吸收波长和吸收强度的吸收光谱与颜料层厚度之间的计算模型，而后结合未包核颜料的紫外漫反射吸收光谱和未包核颜料的色相，对包核颜料的核/壳比进行优化，运用在计算机中的Matlab软件对上述计算模型进行模拟计算，该方法包括以下步骤：

(1)包核颜料核/壳计算模型的构建

根据麦克斯韦方程和拉普拉斯方程，以包核颜料中核材料及核材料表面颜料的折射率和介电常数为常量，构建核/壳结构包核颜料的吸收光谱σ_abs与包核颜料的核/壳比关系的计算模型，系列公式如下所示：

φ₁＝-AE₀r cosθ,r<r₁

${\phi }_2=({\mathrm{Br}}^{t_1}+C{r}^{t_2})E_0\cos \theta ,r_1<r<r_2$

${\phi }_3=(-r+\frac{D}{r^2})E_0\cos \theta ,r>r_2$

${\overrightarrow{E}}_i=-{▿\phi }_i(r,\theta )$

$E_1={\mathrm{AE}}_0(\cos \theta {\hat{e}}_r-\sin \theta {\hat{e}}_{\theta }),r<r_1$

$E_2=-E_0[({\mathrm{Bt}}_1{r}^{t_1-1}+{\mathrm{Ct}}_2{r}^{t_2-1})\cos \theta {\hat{e}}_r-(B{r}^{t_1-1}+{\mathrm{Cr}}^{t_2-1})\sin \theta {\hat{e}}_{\theta })],r_1<{r<r}_2$

$E_3=E_0[(1+\frac{2D}{r^3})\cos \theta {\hat{e}}_r+(-1+\frac{D}{r^2})\sin \theta {\hat{e}}_{\theta })],r>r_2$

$\phi =\frac{\overrightarrow{p}·\overrightarrow{r}}{2{\mathrm{\pi ϵ}}_0{ϵ}_3{r}^2},$

${\sigma }_{\mathrm{abs}}=\frac{k}{{ϵ}_0}\mathrm{Im}\left(\alpha \right),$

上述公式中，ε为介电常数； 为电势；φ₁为核材料电势；φ₂为颜料层电势；φ₃为周围介质电势；γ和θ为球形包核颜料坐标系；γ₁为核材料半径；γ₂颜料层半径；E₁为核材料介质电场；E₂为颜料层介质电场；E₃为周围介质电场；α为球极化率；A对应γ＝γ₁的边界系数；B和C对应γ₁＝γ₂的边界系数；D对应γ＝γ₂的边界系数；p为偶极子的极化强度；

再固定核材料半径γ₁，以颜料层半径γ₂为变量，以5-10nm为颜料层厚度R的变化步长，在所述计算机中运用Matlab软件对上述计算模型系列公式进行模拟计算，并采用计算机中FDTD软件进行辅助验证，从而通过模拟计算得到包核颜料对光的吸收波长与颜料层厚度R之间的变化图，以及包核颜料对光的吸收强度与颜料层厚度R之间的关系图；

(2)通过未包核颜料的漫反射吸收光谱确定包核颜料核/壳比第一范围

测定未包核颜料的漫反射吸收光谱，以包核颜料光吸收强度低于未包核颜料的光吸收强度为依据，对照步骤(1)中所得包核颜料对光的吸收强度与颜料层厚度R之间的关系图，确定图中包核颜料的颜料厚度值R₁，进而确定包核颜料的核/壳比第一范围；

(3)通过未包核颜料的色相确定核/壳比第二范围

依据未包核颜料的色相，确定核材料表面颜料层对光的吸收波长，而后对照步骤(1)中包核颜料对光的吸收波长与颜料层厚度R之间的变化图，确定图中包核颜料的颜料厚度值R₂，进而确定包核颜料的核/壳比第二范围；

(4)包核颜料最佳核/壳比的确定

将步骤(2)中确定的核/壳比第一范围和步骤(3)中所得核/壳比第二范围进行对比，确定这两个范围的交集为包核颜料优化的核/壳比范围，即优化的包核颜料核/壳比范围＝核/壳比第一范围∩核/壳比第二范围。

2.根据权利要求1中所述采用计算模型确定包核颜料最佳核/壳比的确定方法，其特征是，所述核材料为球形微硅粉或球形SiO₂。

3.根据权利要求1中所述采用计算模型确定包核颜料最佳核/壳比的确定方法，其特征是，所述颜料为C.I.颜料红170和颜料红21偶氮红色系颜料之一，或C.I.颜料黄12、颜料黄13、颜料黄83偶氮黄色系颜料之一。

说明书

技术领域

本发明属于有机颜料包核改性技术中制备条件优化方法，特别是一种采用计算模型优化包核颜料核/壳比的确定方法。

背景技术

在有机颜料改性技术中，无机包核技术是解决有机颜料耐光牢度低、耐候性差、成本高的重要技术之一。这种技术通过物理吸附、静电吸附、化学键合等作用将价格低廉的、稳定性好的白色无机颜料和白色矿物微粒(如锌钡白、SiO₂、TiO₂、高岭土、海泡石、硅藻土等)与有机颜料相结合，形成新的复合颜料，其结构组成为无机核被有机颜料包覆在其内部，二者形成明显的核/壳结构。研究发现，无机核和颜料层厚度之间的比值(即核/壳比)，对包核颜料的热稳定性和光稳定性影响明显。因而，核/壳比的优化，对包核颜料性能改善效果的最大化来说，具有重要意义。而目前，包核颜料核/壳比的优化主要是以包核颜料的性能为评价指标，通过大量的条件实验，如核/壳比对包核颜料颜色性能影响，核/壳比对包核颜料光稳定性的影响，核/壳比对包核颜料热稳定性影响以及核/壳比对包核颜料粒度分布等系列实验来对核/壳比进行优化。

发明内容

本发明目的是提供一种采用计算模型优化包核颜料核/壳比的确定方法，采用这一方法对包核颜料核/壳比进行优化，简化包核颜料核/壳比的优化过程，省去大量条件实验和系列性能测试优化过程。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供采用计算模型优化包核颜料核/壳比的确定方法，该方法通过麦克斯韦方程和拉普拉斯方程，构建得到核/壳结构包核颜料包括吸收波长和吸收强度的吸收光谱与颜料层厚度之间的计算模型，而后结合未包核颜料的紫外漫反射吸收光谱和未包核颜料的色相，对包核颜料的核/壳比进行优化，运用在计算机中的Matlab软件对上述计算模型进行模拟计算，并采用FDTD软件进行辅助验证，该方法包括以下步骤：

(1)包核颜料核/壳计算模型的构建

根据麦克斯韦方程和拉普拉斯方程，以包核颜料中核材料及核材料表面颜料的折射率和介电常数为常量，构建核/壳结构包核颜料的吸收光谱σ_abs与包核颜料的核/壳比关系的计算模型，系列公式如下所示：

φ₁＝-AE₀r cosθ,r<r₁

φ2=(Brt1+Crt2)E0cosθ,r1<r<r2]]>

φ3=(-r+Dr2)E0cosθ,r>r2]]>

E→i=-▿φi(r,θ)]]>

E1=AE0(cosθe^r-sine^θ),r<r1]]>

E2=-E0[(Bt1rt1-1+Ct2rt2-1)cosθe^r-(Brt1-1+Crt2-1)sinθe^θ)],r1<r<r2]]>

E3=E0[(1+2Dr3)cosθe^r+(-1+Dr3)sinθe^θ)],r>r2]]>

σabs=kϵ0Im(α),]]>

上述公式中，ε为介电常数； 为电势；φ₁为核材料电势；φ₂为颜料层电势；φ₃为周围介质电势；γ和θ为球形包核颜料坐标系；γ₁为核材料半径；γ₂颜料层半径；E₁为核材料介质电场；E₂为颜料层介质电场；E₃为周围介质电场；α为球极化率；A对应γ＝γ₁的边界系数；B和C对应γ₁＝γ₂的边界系数；D对应γ＝γ₂的边界系数；p为偶极子的极化强度；

再固定核材料半径γ₁，以颜料层半径γ₂为变量，以5-10nm为颜料层厚度R的变化步长，在所述计算机中运用Matlab软件对上述计算模型系列公式进行模拟计算，并采用计算机中FDTD软件进行辅助验证，从而通过模拟计算得到包核颜料对光的吸收波长与颜料层厚度R之间的变化图，以及包核颜料对光的吸收强度与颜料层厚度R之间的关系图；

(2)通过未包核颜料的漫反射吸收光谱确定包核颜料核/壳比第一范围

测定未包核颜料的漫反射吸收光谱，以包核颜料光吸收强度低于未包核颜料的光吸收强度为依据，对照步骤(1)中所得包核颜料对光的吸收强度与颜料层厚度R之间的关系图，确定图中包核颜料的颜料厚度值R₁，进而确定包核颜料的核/壳比第一范围；

(3)通过未包核颜料的色相确定核/壳比第二范围

依据未包核颜料的色相，确定核材料表面颜料层对光的吸收波长，而后对照步骤(1)中包核颜料对光的吸收波长与颜料层厚度R之间的变化图，确定图中包核颜料的颜料厚度值R₂，进而确定包核颜料的核/壳比第二范围；

(4)包核颜料最佳核/壳比的确定

将步骤(2)中确定的核/壳比第一范围和步骤(3)中所得核/壳比第二范围进行对比，确定这两个范围的交集为包核颜料优化的核/壳比范围，即优化的包核颜料核/壳比范围＝核/壳比第一范围∩核/壳比第二范围。

本发明的效果为：

(1)采用计算模型优化包核颜料核/壳比，简化了包核颜料核/壳比的优化过程，省去大量条件实验和系列性能测试优化过程。

(2)所述优化包核颜料核/壳比的方法，具有较强适用性，适用于以球形微硅粉和SiO₂为核，以C.I.颜料红170、颜料红21、颜料黄12、颜料黄13和颜料黄83等偶氮颜料为颜料层的多个包核颜料。

附图说明

图1本发明的包核颜料对光吸收波长和颜料层厚度的关系图；

图2本发明的包核颜料对光吸收强度和颜料层厚度的关系；

图3本发明的不同微硅粉添加量条件下所得改性颜料的TEM图；

图4不同颜料层厚度包核颜料红的紫外漫反射光谱图。

具体实施方式

结合实施例对本发明的采用计算模型确定包核颜料最佳核/壳比的确定方法加以说明。

本发明的采用计算模型确定包核颜料最佳核/壳比的确定方法，这一方法通过麦克斯韦方程和拉普拉斯方程，构建得到核/壳结构包核颜料吸收光谱，包括吸收波长和吸收强度，与颜料层厚度之间的计算模型，而后结合未包核颜料的紫外漫反射吸收光谱和未包核颜料的色相，对包核颜料的核/壳比进行优化。

本发明的采用计算模型优化包核颜料核/壳比的确定方法，该方法通过麦克斯韦方程和拉普拉斯方程，构建得到核/壳结构包核颜料包括吸收波长和吸收强度的吸收光谱与颜料层厚度之间的计算模型，而后结合未包核颜料的紫外漫反射吸收光谱和未包核颜料的色相，对包核颜料的核/壳比进行优化，运用在计算机中的Matlab软件对上述计算模型进行模拟计算，该方法包括以下步骤：

(1)包核颜料核/壳计算模型的构建

根据麦克斯韦方程和拉普拉斯方程，以包核颜料中核材料及核材料表面颜料的折射率和介电常数为常量，构建核/壳结构包核颜料的吸收光谱σ_abs与包核颜料的核/壳比关系的计算模型，系列公式如下所示：

φ₁＝-AE₀r cosθ,r<r₁

φ2=(Brt1+Crt2)E0cosθ,r1<r<r2]]>

φ3=(-r+Dr2)E0cosθ,r>r2]]>

E→i=-▿φi(r,θ)]]>

E1=AE0(cosθe^r-sine^θ),r<r1]]>

E2=-E0[(Bt1rt1-1+Ct2rt2-1)cosθe^r-(Brt1-1+Crt2-1)sinθe^θ)],r1<r<r2]]>

E3=E0[(1+2Dr3)cosθe^r+(-1+Dr3)sinθe^θ)],r>r2]]>

σabs=kϵ0Im(α),]]>

上述公式中，ε为介电常数； 为电势；φ₁为核材料电势；φ₂为颜料层电势；φ₃为周围介质电势；γ和θ为球形包核颜料坐标系；γ₁为核材料半径；γ₂颜料层半径；E₁为核材料介质电场；E₂为颜料层介质电场；E₃为周围介质电场；α为球极化率；A对应γ＝γ₁的边界系数；B和C对应γ₁＝γ₂的边界系数；D对应γ＝γ₂的边界系数；p为偶极子的极化强度；

再固定核材料半径γ₁，以颜料层半径γ₂为变量，以5-10nm为颜料层厚度R即R＝γ₂-γ₁的变化步长，在所述计算机中运用Matlab软件对上述计算模型系列公式进行模拟计算，并采用计算机中FDTD软件进行辅助验证，从而通过模拟计算得到包核颜料对光的吸收波长与颜料层厚度R之间的变化图，以及包核颜料对光的吸收强度与颜料层厚度R之间的关系图；

(2)通过未包核颜料的漫反射吸收光谱确定包核颜料核/壳比第一范围

测定未包核颜料的漫反射吸收光谱，以包核颜料光吸收强度低于未包核颜料的光吸收强度为依据，对照步骤(1)中所得包核颜料对光的吸收强度与颜料层厚度R之间的关系图，确定图中包核颜料的颜料厚度值R₁，进而确定包核颜料的核/壳比第一范围

(3)通过未包核颜料的色相确定核/壳比第二范围

依据未包核颜料的色相，确定核材料表面颜料层对光的吸收波长，而后对照步骤(1)中包核颜料对光的吸收波长与颜料层厚度R之间的变化图，确定图中包核颜料的颜料厚度值R₂，进而确定包核颜料的核/壳比第二范围；

(4)包核颜料最佳核/壳比的确定

将步骤(2)中确定的核/壳比第一范围和步骤(3)中所得核/壳比第二范围进行对比，确定这两个范围的交集为包核颜料优化的核/壳比范围，即优化的包核颜料核/壳比范围＝核/壳比第一范围∩核/壳比第二范围。

实施例1

以微硅粉为无机核，包核改性所得核/壳结构包核颜料红170核/壳比的优化为例。

微硅粉为SiO₂材料，其折射率为1.47-1.48，C.I.颜料红170的折射率为2.522。依据介电常数ε和折射率n之间的关系(ε＝n²)计算得到核材料微硅粉和颜料层的介电常数。根据麦克斯韦方程和拉普拉斯方程的如下所示系列公式，构建得到核/壳结构包核颜料吸收光谱，包括吸收波长和吸收强度，与颜料层厚度之间的计算模型：

φ₁＝-AE₀r cosθ,r<r₁

φ2=(Brt1+Crt2)E0cosθ,r1<r<r2]]>

φ3=(-r+Dr2)E0cosθ,r>r2]]>

E→i=-▿φi(r,θ)]]>

E1=AE0(cosθe^r-sine^θ),r<r1]]>

E2=-E0[(Bt1rt1-1+Ct2rt2-1)cosθe^r-(Brt1-1+Crt2-1)sinθe^θ)],r1<r<r2]]>

E3=E0[(1+2Dr3)cosθe^r+(-1+Dr3)sinθe^θ)],r>r2]]>

σabs=kϵ0Im(α),]]>

上述公式中，ε为介电常数； 为电势；φ₁为核材料电势；φ₂为颜料层电势；φ₃为周围介质电势；γ和θ为球形包核颜料坐标系；γ₁为核材料半径；γ₂颜料层半径；E₁为核材料介质电场；E₂为颜料层介质电场；E₃为周围介质电场；α为球极化率；A对应γ＝γ₁的边界系数；B和C对应γ₁＝γ₂的边界系数；D对应γ＝γ₂的边界系数；p为偶极子的极化强度。

固定微硅粉的半径为100nm，颜料层厚度为0-55nm，以5nm为颜料层厚度的变化步长，在计算机中运用Matlab软件对构建模型进行计算模拟，并采用FDTD软件对数值进行修正。计算得到包核颜料红170对光的吸收波长与颜料层厚度之间的变化图，如图1所示；以及包核颜料红170对光的吸收强度与颜料层厚度之间变化图，如图2所示。

如图1所示，在颜料层厚度为40nm，包核颜料红170的吸光强度最大。而对有机颜料而言，对光的吸光强度值越低，其光稳定性越好，因而确定包核颜料红170中颜料层170的厚度应小于40nm，即包核颜料红170的核/壳比第一范围为核/壳比>100nm/140nm；依据有机颜料显色机理来看，有机颜料吸收补色光，而将显色光发射进入人眼。从红、黄、蓝三元色来看，当包核颜料所显现色相为黄光红，其对光吸收波长应为455-490nm的蓝色光；而当包核颜料所显现色相为蓝光红时，其对光吸收波长应为580-595nm的黄色光。测定未包核颜料红170色相为蓝光红，而包核目的则是为制备黄光红颜料红170，因而包核颜料对光吸收波长为455-490nm的蓝色光。依据图2所示，当包核颜料吸收波长为455-490nm，颜料层厚度范围为20-35nm，即包核颜料红170的核/壳比第二范围为100nm/135nm-100nm/120nm。因而，结合之前分析内容，优化的包核颜料红170的核/壳比范围为100nm/135nm-100nm/120nm。

实验中，采用微硅粉包核改性C.I.颜料红170的实验结果对模型计算结果进行验证。在实验中，通过添加不同量的偶联剂修饰微硅粉，以得到不同有机颜料层厚度的包核颜料，如图3所示。对不同颜料层厚度的包核颜料进行了紫外漫发射吸收光谱表征和颜色性能测试，结果如图4和表1所示。可以看出，微硅粉最佳用量为2.0g，因为制备所得颜料在200-600nm区域内的吸光度最小，且其与未包核颜料间的色差值最小。可以看出，微硅粉添加量为2.0g，即颜料层厚度为25nm时，其在200-600nm区域内的吸光度值明显小于微硅粉用量为1g，即颜料层厚度为40nm的包核颜料，这一对比符合构建模型中包核颜料对光吸收强度随颜料层厚度的变化规律；而从三刺激值测试结果中看出，微硅粉用量为2.0g的包核颜料色相为黄相，则其对光吸收波长应在455-490nm，从所构建模型中包核颜料吸收波长和颜料层厚度之间关系图中，可以看出，对应包核颜料层厚度为20-35nm，这一结果与TEM表征结果相匹配。上述可以看出，实验结果表明，微硅粉包核颜料红170的最佳核/壳比为100nm/125nm，这一结果与计算模拟结果相匹配，说明采用计算模型优化所得包核颜料红170核/壳比范围与计与实验结果具有很好的匹配性。通过计算模型确定最佳核/壳比后，可使得实验中微硅粉包核改性颜料红170中，微硅粉与颜料红170之间核/壳比的确定变得更有目的性，可简化核/壳比优化过程，省去大量条件实验。

实施例2

以球形SiO₂为无机核，包核改性所得核/壳结构包核颜料黄12核/壳比的优化为例。

球形SiO₂，其折射率为1.47-1.48，C.I.颜料黄12的折射率为2.187。按照实施例1中所述系列公式，可构建得到采用计算机，运用Matlab软件和FDTD软件进行计算，得到构建得到核/壳结构包核颜料吸收光谱，包括吸收波长和吸收强度，与颜料层厚度之间的计算模型。

固定球形SiO₂的半径为120nm，颜料层厚度变化范围为0-40nm，以5nm为颜料层厚度的变化步长，在计算机中运用Matlab软件对构建模型进行计算模拟，并采用FDTD软件对数值进行修正。计算得到包核颜料黄12对光的吸收波长与颜料层厚度之间的变化图以及包核颜料黄12对光的吸收强度与颜料层厚度之间变化图。分析得到，包核颜料黄12在颜料层厚度为35nm时，其吸光度值最大，以包核颜料黄12的吸光度值小于未包核颜料黄12的吸光度值为判定依据，确定包核颜料黄12的核/壳比第一范围为核/壳比>120nm/155nm；测定未包核颜料黄12的色相为绿光黄，从而确定包核颜料对光吸收波长为610-640nm，进而确定包核颜料黄12的颜料层厚度应在20-40nm之间变化，即包核颜料黄12的核/壳比第二范围为120nm/160nm-120nm/140nm。结合两个核/壳比范围，确定优化的颜料层厚度应在20-35nm之间波动，即优化的核/壳比范围为120nm/155nm-120nm/140nm。

而以包核颜料性能为评价指标，得到性能优异的包核颜料的颜料层厚度28nm，即核/壳比为120nm/148nm，落在了计算模拟的优化核/壳比范围中。实验结果与计算模拟结果具有较好的匹配性。

实施例3

以球形SiO₂为无机核，包核改性所得核/壳结构包核颜料黄83核/壳比的优化为例。

由于颜料黄83和颜料黄12同为偶氮系黄色颜料，二者折射率相当。同时，二者所用核材料均为球形SiO₂，因而其通过计算模拟得到的包核颜料黄83对光的吸收波长与颜料层厚度之间的变化图以及包核颜料黄83对光的吸收强度与颜料层厚度之间变化图，与包核颜料黄12相同。同包核颜料黄12一样，以包核颜料黄83的吸光度值小于未包核颜料黄83的吸光度值为判定依据，确定包核颜料83中的颜料层层厚度应<35nm，即包核颜料黄83的核/壳比第一范围为核/壳比>120nm/155nm。不同在于，未包核的颜料黄83为红光黄颜料，因而包核颜料黄83对光的吸收波长为500-540nm，由此确定颜料层厚度应在10-15nm之间变化，即包核颜料黄83的核/壳比第二范围为120nm/135nm-120nm/130nm。结合两个颜料层厚度变化范围，确定以球形SiO₂为核，包核颜料黄83的厚度应在10-15nm之间变化，即优化核/壳比应为120nm/130nm-120nm/135nm。同样，依据实验结果所确定的包核颜料黄83中，性能优异的包核颜料的颜料层厚度为13nm，即核/壳比为120nm/133nm，与计算模拟结果匹配。

表1不同微硅粉添加量的改性颜料红170的颜色性能

采用计算模型优化包核颜料核/壳比的确定方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。