基于多维光子晶体及非晶光子晶体的结构色构筑研究进展

自然界中的颜色不仅仅来源于化学色素,还有很大一部分来源于光与微观结构相互作用后显现的结构色。光子晶体以及非晶光子晶体构成的结构色受到了广泛的关注。光子晶体微观结构包括组成一维光子晶体的纳米薄膜,组成二维光子晶体的线型或带状材料,以及组成三维光子晶体和非晶光子晶体的纳米微球等。不同于传统的化学色素,结构色由于颜色鲜艳不褪色,无毒无污染等优点而备受关注。本文主要以纳米薄膜组成的一维光子晶体和纳米微球组成的三维光子晶体和非晶光子晶体为例,综述了基于微球自组装以及连续薄膜包覆形成光子晶体及非晶光子晶体结构色的方法,并详细阐述不同光子晶体及非晶光子晶体产生结构色的原理和各种方法中常用的材料,不同方法的适用范围,优缺点和相应结构色的潜在应用。     

基于液态光子晶体固定化的柔性结构生色膜制备及其性能

针对光子晶体材料结构稳定性较差的问题,以光固化型单体取代常规组装介质水制备液态光子晶体,通过紫外光聚合固化构建纳米微球嵌入弹性体式的非密堆积阵列光子晶体,制备结构稳定的柔性光子晶体结构生色膜,并对其结构和性能进行分析。结果表明:液态光子晶体的光学性质可通过胶体体系中SiO₂纳米微球的体积分数及其粒径进行调控,随SiO₂体积分数由22%增大至40%,其微球间的平均间距逐渐减小,液态光子晶体结构色蓝移;固定SiO₂微球体积分数,当其粒径由123 nm增加至178 nm时,液态光子晶体结构色红移;液态光子晶体色彩鲜艳、饱和度高,经紫外光辐照后,所构建的固态光子晶体膜具有明显的虹彩效应和优异的柔韧性,并表现出显著的力致变色性能,展示了其在智能可穿戴纺织材料领域良好的应用潜能。     

可用于纸基材料书写印刷的SiO2光子晶体自组装性能

本研究采用双基片垂直自组装法和旋涂法制备硅基光子晶体,研究了粒径分布及高温热处理对光子晶体结构色的影响,表征了双尺寸和夹心结构光子晶体的微观形貌和光学特性等性能。结果表明,高温热处理有助于增强光子晶体结构色的鲜艳度,且光子晶体在载玻片上的附着强度增加。随着SiO₂微球粒径的增大,光子禁带的中心波长位置逐渐向长波段移动。对于单分散SiO₂微球,粒径越均一,自组装的光子晶体结构色越鲜艳。与双尺寸晶体相比,均一粒径晶体的自组装有序性更好;L-S-L结构比S-L-S结构的光子晶体排列更加平整有序。高浓度的SiO₂微球乙醇分散液书写在黑色纸基材料上,可以呈现出色彩鲜明和饱和度较高的颜色。     

柔性光子晶体结构生色膜的制备及其光学性质

针对硬质纳米微球所构筑的光子晶体在外力作用下结构易损坏,结构色耐久性差的问题,采用分步法合成内刚外柔型聚苯乙烯/聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯)(PS/P(MMA-BA))纳米微球,然后通过熔融剪切法快速制备柔性光子晶体结构生色膜。结果表明:纳米微球制备中内核交联剂二乙烯苯(DVB)可增加PS内核的交联密度和折光指数,使之与外层产生一定的折光指数差,且可与外层P(MMA-BA)共价连接;外层交联剂甲基丙烯酸烯丙酯(ALMA)可使纳米微球外层形成一定的交联点而提高外层的稳定性;当DVB用量为苯乙烯(St)的12.5%,ALMA用量为MMA与BA总量的0.3%时,光子晶体结构生色膜具有优良光学性质和力学性质,产生的结构色鲜艳明亮,且耐弯折、耐冲洗、耐摩擦;适应此类纳米微球组装的熔融剪切法,能快速大面积制备柔性光子晶体结构生色膜。     

功能性结构色纳米纺织材料的研究进展

结构生色是一种无需染料或颜料的纺织品着色技术,因其绿色环保、颜色易调控等优点,成为当前研究的热点。文章介绍了光子晶体结构色,包括光子晶体结构生色的原理、分类与制备方法、以及纳米微球的种类。其次从机械稳定和不同功能应用方面,介绍了结构色纳米纺织材料的制备和性能,并分析了他们的优缺点。机械稳定型结构色纳米纺织材料主要利用添加黏合剂来提高光子晶体结构的稳定性,使纺织材料上的光子晶体耐摩擦、水洗等;通过微球或基材表面的化学或物理改性,可使改性的结构色纺织材料具备疏水、疏油功能;响应型结构色纳米纺织材料主要是在光子晶体中引入具有刺激响应功能的材料,使纺织材料对外界刺激产生不同响应效果。最后指出功能性结构色纳米纺织材料发展中存在的问题,并对该研究方向进行了展望。     

织物织造参数及表面疏水性对光子晶体结构色的影响

以单分散聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(St-MAA))微球为结构基元,采用重力沉降自组装法在涤纶织物上构建光子晶体结构色薄膜,探究织物织造参数及表面疏水性能对光子晶体结构色效果的影响,并分析结构色的调控方式。通过场发射扫描电镜、视频显微镜和紫外-可见分光光度仪观测光子晶体的排列状况、结构色均匀性和鲜艳性、结构色反射率曲线。结果表明:在相同织造参数条件下,当织物组织为平纹时,质量分数为2%的微球组装液即可获得结构色鲜明的光子晶体;同为平纹组织的条件下,织物越致密则越有利于得到结构色亮丽的光子晶体。随织物疏水性增强,微球组装液在表面越难铺展和渗透,所得光子晶体薄膜的裂纹越发明显,结构色亮度愈加下降。在保持其他参数不变的情况下,通过调控结构基元的粒径和观察角度可以对结构色的色相进行调控,当基元粒径减小或观察角增大时,结构色会发生蓝移现象。本研究为纺织基材上构建明亮、均匀的结构色提供了参考。     

光固化P(St-HEA)胶体微球喷印液的制备及其应用

以聚(苯乙烯-丙烯酸羟乙酯)(P(St-HEA))胶体微球分散液为主体,通过复配功能单体丙烯酸羟乙酯(HEA)和紫外光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮(1173)来构建光固化胶体微球喷印液体系,探究胶体微球、功能单体和光引发剂的质量分数对喷印制备所得光子晶体结构生色效果的影响;将光固化胶体微球喷印液通过数码喷印设备喷射于涤纶基材上,制备光子晶体结构生色图案,并通过水洗试验测试光子晶体生色结构的稳固性。结果表明:当P(St-HEA)胶体微球的质量分数为1.0%,HEA体积分数为1.0%～1.5%,光引发剂1173质量分数为1.0%时,经数码喷印后可获得结构色鲜艳明亮的光子晶体结构生色图案,且随喷印液中微球粒径的增大,结构色色相会发生红移;通过超声水洗测试,P(St-HEA)光子晶体生色结构在基材上未发生明显脱落,且结构色依旧较为亮丽,表明光固化P(St-HEA)胶体微球喷印液制备所得光子晶体生色结构的稳固性良好。     

非晶光子晶体结构色织物的制备及其研究进展

非晶光子晶体结构色呈色明亮，制备过程节能环保，与光子晶体结构色相比，不会随观察角度的变化而变化，在纺织印染行业具有较大的发展潜力。本文综述了非晶光子晶体结构色的生色原理、非晶光子晶体的分类、非晶光子晶体结构色织物的制备方法及国内外的研究进展。最后对非晶光子晶体结构色织物制备中存在的问题和其结构色织物未来研究方向进行了分析，并指出关键问题，从而促进非晶光子晶体结构色织物的实际应用。     

二氧化硅/聚甲基丙烯酸甲酯光子晶体在涤纶织物上的结构生色

为开发无机/聚合物复合微球在纺织品结构色上的应用,在制备粒径可控、单分散性优良的二氧化硅/聚甲基丙烯酸甲酯(SiO_2/PMMA)微球基础上,通过垂直沉积自组装法,在涤纶织物表面构建有序的SiO_2/PMMA光子晶体结构。应用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、三维视频显微镜和多角度分光光度仪分别表征了涤纶织物表面SiO_2/PMMA光子晶体的排列及结构生色效果。研究结果表明:涤纶织物表面的SiO_2/PMMA光子晶体呈现三维有序的非密堆积面心立方结构;结构色鲜艳明亮,随微球粒径的变化而变化;在不同观察角度下结构色呈现出不同的色相及色彩饱和度,具有明显的虹彩效应。     

分散染料/P(St-BA-MAA)复合微球结构生色墨水的制备及应用

以黑色分散染料/聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸)[P(St-BA-MAA)]复合微球分散液为主体配制结构生色墨水,再利用数码喷印方式直接施加于白色纺织品上,经自组装构筑光子晶体生色结构。优化墨水中复合微球的质量分数,调控墨水的表面张力和pH,并表征喷印自组装所得光子晶体的生色效果。结果表明:当分散染料/P(St-BA-MAA)复合微球质量分数为2.5%~2.7%,表面张力调节剂异丙醇质量分数为0.1%~0.2%,pH=5~9时,可制备得到适宜结构的生色墨水;经数码喷印得到的光子晶体生色结构图案色彩鲜艳明亮且虹彩明显,在同一观察角度下,随喷印墨水中微球粒径的增大,结构色遵循红移规律。     

全光谱SiO2结构色薄膜的加色法制备及其光学性能

为解决在制备不同粒径的小球来实现全光谱结构色过程中工作量大的问题,采用溶剂调控法合成粒径均匀的304、260、200 nm的SiO₂纳米颗粒,利用三原色加色法原理将3种不同粒径的纳米SiO₂悬浮液按照不同质量比两两混合,然后放在烘箱中进行重力沉降自组装,制备出全光谱非晶光子晶体结构色薄膜,探究混合比例对SiO₂光子晶体结构色的影响。同时为提高结构色的饱和度,将墨水添加到不同混合比例的SiO₂悬浮液中,研究墨水质量分数对光子晶体结构色的影响。结果表明：随着小粒径SiO₂比例的增加,结构色会出现蓝移现象;墨水质量分数越高,结构色亮度越低,色度呈先增加后减小趋势,当墨水质量分数为0.4%时,结构色饱和度最好。     

聚苯乙烯/铁-单宁酸配合物微球在棉织物上的结构生色

针对目前基于多巴胺制备结构色织物的过程耗时及成本高的问题,采取单宁酸替代多巴胺快速实现结构色效果,制备了聚苯乙烯/铁-单宁酸配合物(PS/TA-Fe³⁺)微球,并通过重力沉积法在棉织物表面构建无规密堆积的非晶胶体阵列。采用马尔文纳米粒度分析仪、场发射电子显微镜、透射电子显微镜和显微角分辨光谱仪对聚苯乙烯(PS)微球、PS/TA-Fe³⁺微球和结构色织物进行了表征,探究了适宜的单宁酸和Fe³⁺用量,表征了结构色织物表面PS/TA-Fe³⁺微球的排列、结构生色效果及PS/TA-Fe³⁺涂层的结构稳定性。结果表明:当单宁酸用量为10%、单宁酸与Fe³⁺的量比为10:1时,制备的PS/TA-Fe³⁺微球粒径均匀、单分散性较好,结构色织物颜色柔和明亮,不具备角度依赖性,且具有良好的耐洗涤和耐摩擦性能。     

基于光子晶体结构生色纤维的研究进展

为制备色彩饱和度高、不易褪色且制备过程环境友好的多彩纤维,研究人员开发了多种相关的技术,其中光子晶体形成的结构色纤维具有优良的特性。因此对近年来国内外关于光子晶体结构色纤维的研究进行了回顾,综述了组成结构色纤维的多维光子晶体的生色原理,重点总结了光子晶体结构色纤维的主要制备方法,包括传统纤维外部着色法、模板法组装和不同纺丝技术形成结构色纤维。大量的研究表明,光子晶体作为结构生色技术的基础材料,促进了光子晶体结构色纤维研究的蓬勃发展。此外,综述了多功能结构色纤维在穿戴、检测、传感等领域的研究和应用进展,分析了光子晶体纤维设计和应用的瓶颈问题,并对其未来发展趋势进行了展望。光子晶体纤维的机械性能、优异的色彩饱和度等光学性能和尺寸均匀性使其在可穿戴、传感、生物检测、环境响应等领域具有很好的应用前景。     

非对称润湿特性纺织基材上高稳固光子晶体的构筑

为提升纺织基材上光子晶体结构色的耐久性,从印花色浆性能和基材润湿性2个角度切入,以具有自交联特性的聚(苯乙烯–N–羟甲基丙烯酰胺)(P(St-NMA))胶体微球为主要成分制备印花色浆,采用丝网印花法在具有非对称润湿特性的纺织基材上构筑光子晶体生色结构,并测试制备所得光子晶体在纺织基材上的稳固性。结果表明:当印花色浆中微球质量分数为80％、自交联促进剂盐酸质量分数为5％10％时,有助于得到结构色鲜艳且结构稳固的光子晶体;采用等离子体技术可实现纺织基材的非对称润湿特性,当处理时间为3 min时,可得到正、反面接触角为56°和110°的纺织基材,且在此基材正面构筑得到的光子晶体能够兼顾结构色效果和结构稳固性。     

活性染料/聚苯乙烯复合胶体微球的制备及其在桑蚕丝织物上的结构生色

为提高纺织品结构生色光子晶体的色彩饱和度,通过静电吸附将黑色活性染料引入带正电聚苯乙烯(PSt)胶体微球表面,制备了一种外表面吸附染料型PSt结构基元(活性染料/PSt微球),采用数码喷印方式在桑蚕丝织物上构建结构生色光子晶体。研究了染料在PSt胶体微球表面的吸附条件和吸附模型,对活性染料/PSt微球的结构形貌及所得光子晶体的排列和结构生色效果进行表征。结果表明:PSt微球表面染料的吸附量随时间、温度和染料用量的增大而增大;该吸附模型符合Langmuir型;活性染料/PSt微球具有典型的核壳结构,微球粒径较吸附前略有增大;白色蚕丝织物表面所构建的活性染料/PSt光子晶体生色结构,微球排列规整有序,呈现鲜艳明亮的结构色。     

结构生色及其在纺织领域的应用

光与微观结构相互作用产生的颜色被称为结构色。结构色具有高亮度、高饱和度、永不褪色等诸多优点,在纺织领域有很大的发展前景。从薄膜干涉、衍射、散射和光子晶体等不同途径介绍了结构色产生的原理,以及纺织领域用结构色的制备技术和特点,指出目前所制备的结构色存在的角度依赖性、不稳定性、牢度评价和颜色重现性等制约了结构色在纺织领域的应用,但是通过努力,并且伴随着这些问题的逐渐解决,结构色终将会给纺织染整行业带来全新的变化。