紡織基材上納米微球自組裝仿生光子晶體結構生色研究.pdf

1、與傳統(tǒng)紡織品著色技術不同，結構色的產(chǎn)生無須使用染料或顏料等化學著色劑，是物體自身的特殊物理結構與光發(fā)生干涉、衍射和散射等作用而產(chǎn)生的視覺效果，具有明亮艷麗、靈動多變和永不褪色等特點。光子晶體結構生色作為一種典型的仿生生色方式，日益受到國內(nèi)外研究者的關注。本研究以單分散納米微球作為結構基元，在粗糙、多孔的柔性紡織基材表面構筑光子晶體結構，實現(xiàn)紡織品的結構生色。通過研究構造光子晶體生色結構的相關自組裝方法、機理和調控手段，為紡織基材上仿生光

2、子晶體結構的構建和具有特殊結構生色效果的紡織產(chǎn)品開發(fā)提供有益的理論支撐和實踐經(jīng)驗。
　　本論文的研究工作主要包括以下五方面:(1)采用無皂乳液聚合法制備聚（苯乙烯-甲基丙烯酸）(P(St-MAA))納米微球，研究納米微球的粒徑分布、單分散性、表面形貌、核殼結構、帶電性及其穩(wěn)定性;(2)采用浸漬法（包括重力沉降法和垂直沉積法）自組裝技術在紡織基材上構造結構色光子晶體，通過優(yōu)化自組裝條件和分析光子晶體堆積類型，深入研究納米微球在紡織基

3、材上的自組裝過程及相應機理，并比較和闡明紡織基材上重力沉降法和垂直沉積法的主要差異;(3)采用數(shù)碼噴印法在紡織基材上自組裝構建光子晶體結構色圖案，通過研究結構色墨水的組成，提出有效抑制“咖啡環(huán)”效應的策略，探明紡織基材的表面性能對納米微球噴印自組裝效果的影響;(4)研究紡織基材表面結構生色光子晶體的光學性能，揭示光子晶體結構色的調控機制;(5)探討有效提高紡織基材上光子晶體結合牢度和生色耐久性的途徑。
　　研究結果表明:(1)在無

4、皂乳液聚合法中，通過調控單體St、MAA及引發(fā)劑APS濃度，可制備水合粒徑范圍在180-350 nm的單分散P(St-MAA)納米微球。納米微球尺寸均一，球形度良好，呈現(xiàn)明顯的核殼結構。不同粒徑納米微球的Zeta電位值均低于-30 mV，其平均粒徑、單分散性和球形度等隨靜置時間的增加變化很小，呈現(xiàn)良好的穩(wěn)定性;(2)采用浸漬法自組裝技術可在紡織基材表面構建結構色艷麗、虹彩效應明顯的三維面心立方(FCC)型P(St-MAA)光子晶體。在自

5、組裝過程中，納米微球首先填充織物纖維間的縫隙，并逐漸堆積獲得相對平整的織物表面，再以此為“地基”堆疊成規(guī)整有序的光子晶體結構。期間隨著分散介質的蒸發(fā)，相鄰納米微球不斷靠近，晶體陣列由散亂疏松態(tài)逐漸向規(guī)整致密態(tài)轉變，宏觀上表現(xiàn)出一系列遵循藍移規(guī)律的顏色變化。重力沉降法與垂直沉積法的明顯差異表現(xiàn)在垂直沉積法所得結構生色織物的經(jīng)緯向紋理更為清晰且具有雙面著色效果;(3)通過調控納米微球濃度、墨水pH、表面張力、粘度等指標，并添加適宜的“咖啡環(huán)

6、”抑制劑（如:甲酰胺和乙二醇），可制備適用于噴印自組裝的結構生色墨水。在墨滴蒸發(fā)過程中，甲酰胺和乙二醇通過引導液滴由外至內(nèi)的毛細流動有效調控其蒸發(fā)速率，進而抑制“咖啡環(huán)”效應。經(jīng)一定程度拒水處理的紡織基材可有效抑制墨水的滲漏并獲得良好的噴印效果。通過數(shù)碼噴印自組裝法，可在紡織基材表面快速精準定位獲得光子晶體結構色圖案;(4)通過變化納米微球粒徑和入射角，可以調控和改變紡織基材表面的光子晶體結構色。在保持其他條件不變的情況下，于一定范圍內(nèi)

7、減小納米微球粒徑或者增加入射角，光子晶體禁帶由長波向短波方向移動，相應的結構色發(fā)生藍移，變化規(guī)律與布拉格衍射定律相符。(5)表面帶有-COOH等功能基團且相對柔性的核殼型聚苯乙烯類納米微球，有利于在紡織基材上構造結合牢度較高的結構色光子晶體;在一定范圍內(nèi)，越柔軟的納米微球越易與纖維發(fā)生纏繞，堆積所得光子晶體結構越致密，以使紡織基材上的光子晶體表現(xiàn)出更強的結合牢度。結構色墨水中的“咖啡環(huán)”抑制劑甲酰胺或乙二醇分子中均具有強極性基團，可增強