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。     

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。     

激光干涉光刻法制备二氧化硅光子晶体抗反射膜

为了研究制备二氧化硅(SiO2)光子晶体抗反射膜,采用激光干涉光刻法与电感耦合等离子刻蚀(ICP)技术制备进行实验。激光干涉光刻法可实现灵活、快速制备大面积周期纳米结构,而ICP刻蚀具有良好的各向异性,扫描电子显微镜的图片(SEM)表明两种实验工艺制备的SiO2光子晶体形貌良好。通过自制的测量平台,实现测量不同入射角度的入射光对光子晶体的透过率,测量结果说明了光子晶体对1170nm的入射光有较好的增透效果。有效折射率可以解释光子晶体在响应波长处增透减反的成因。SiO2光子晶体的成功制备在工艺与理论上为以后应用于光电器件的抗反射膜提供了参考。     

纺织基材上P(St-MAA)/WPU复合光子晶体生色结构的快速制备及其性能

为快速制备兼顾结构色效果和结构稳定性的光子晶体生色结构,提出了一种采用填充法制备复合光子晶体的方法。先将聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(St-MAA))胶体微球预组装液喷涂于涤纶基材上制备光子晶体,再利用水性聚氨酯(WPU)对P(St-MAA)光子晶体上进行二次喷涂,最终得到P(St-MAA)/WPU复合光子晶体。探究WPU质量分数对光子晶体排列、结构色效果、结构稳定性的影响,并分析P(St-MAA)/WPU复合光子晶体的光学性能。结果表明：喷涂WPU不会破坏光子晶体原有的规整排列,其会优先渗入P(St-MAA)微球间的缝隙中,逐渐替代原光子晶体内中的空气,最终实现对P(St-MAA)微球的包裹;WPU的填充使得P(St-MAA)/WPU复合光子晶体的平均折射率增加,结构色色相产生红移现象;P(St-MAA)/WPU复合光子晶体的结构稳定性高于P(St-MAA)光子晶体,且WPU的质量分数越大,稳定性改善程度越明显;喷涂WPU后所得的复合光子晶体结构仍呈现出良好的结构色效果且虹彩效应明显。研究结果为在纺织基材上快速制备兼具鲜艳结构色和稳定结构的光子晶体提供了简便方法,可推动光子晶体生色结...     

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。     

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。     

耐热型光子晶体结构生色织物的制备及其光学性质研究

为解决光子晶体有机结构基元本身耐热稳定性较差的问题,设计制备高交联型聚苯乙烯（PS）纳米微球,研究交联度与其玻璃化转变温度的相关性,并以高交联型PS纳米微球作为结构基元在纺织基材上自组装制备具有高耐热稳定性的光子晶体结构生色膜。结果表明,通过提高PS纳米微球的交联度可以明显改善微球自身的耐热稳定性。随着交联剂用量的增加,纳米微球的交联度明显提高,其玻璃化转变温度随之显著提高,从而保持了高温下纳米微球的球形度和光子晶体结构的稳定性,结构色依然鲜艳亮丽。     

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。     

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。     

高疏水性双面结构生色棉织物的一步法制备

为能简便、快速地得到兼具双面结构色效果和高疏水性的棉织物,以聚甲基丙烯酸三氟乙酯(PTFEMA)胶体微球为结构单元,利用浸轧-焙烘一步法将其负载于棉织物上构筑高疏水性光子晶体生色结构。分析PTFEMA胶体微球的基本性能,探究PTFEMA胶体微球组装液质量分数对棉织物结构生色效果和疏水性的影响,并提出结构生色棉织物的疏水机制。结果表明：PTFEMA胶体微球粒径均一,单分散性优异,适宜于构筑光子晶体;当组装液质量分数为20%～30%时,通过浸轧-焙烘一步法便可制备得到结构色明显、水接触角为140°左右的棉织物;PTFEMA胶体微球因自带含—CF₃基团而具有疏水性,加之光子晶体阵列增加了棉织物的粗糙度,双重作用下使得结构生色棉织物具备高疏水性。     

SiO_2胶体微球在真丝织物上的垂直沉积自组装研究

为研发结构生色的真丝织物,以硬质二氧化硅胶体微球为基本结构单元,采用垂直沉积自组装法,通过控制相对湿度、组装温度、胶体微球质量分数和组装溶剂等自组装因素,在真丝基底织物上构造结构色Si O_2光子晶体。研究结果表明:通过严格控制垂直沉积自组装过程的组装因素,在组装温度25℃、相对湿度60%、微球质量分数2.0%、以纯水或纯乙醇为组装溶剂的条件下,可在真丝织物上制备得到三维有序的Si O_2光子晶体结构,呈现双面生色效果。为在纺织品上构建光子晶体结构及其生色理论提供有益的理论支撑和实践经验。     

胶晶构筑材料研究进展及其在纺织中的应用

单分散胶体微球的自组装具有方法简单、成本低和无需昂贵复杂设备的优点,是构建胶体晶体的重要途经.综述了无机类、聚合物类及复合类胶体微球的研究现状,分析了各自的优点与不足;详细介绍了胶体光子晶体概念、生色机理、胶体光子晶体的构筑、制备方法及在纺织品领域的应用研究,特别是光子晶体结构色纤维以及光子晶体结构色织物.     

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。     

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。     

涤纶织物上自交联型P(St-NMA)光子晶体的构筑及其结构稳固性

为提升光子晶体生色结构在纺织基材上的稳固性,以自交联型聚(苯乙烯-N-羟甲基丙烯酰胺)(P(St-NMA))胶体微球为结构基元,通过数码喷印技术将其施加到涤纶织物上构筑光子晶体生色结构。观测P(St-NMA)微球的形貌,表征光子晶体的排列和结构色效果,并测试和对比PSt和P(St-NMA)2种光子晶体生色结构在基材上的稳固性。结果表明:P(St-NMA)胶体微球具有典型的核壳结构,其中疏水性的聚苯乙烯(PSt)为核层,亲水性的聚N-羟甲基丙烯酰胺为壳层;P(St-NMA)光子晶体生色结构排列规整,色彩鲜艳、虹彩明显;相比PSt光子晶体生色结构,P(St-NMA)光子晶体生色结构的稳固性显著提升,经折叠、水洗后不易脱落。     

非晶光子晶体结构色织物的制备及其数值模拟

为深入研究非晶光子晶体结构,实现对结构色的有效调控,将经快速氧化制备的壳核结构聚苯乙烯/聚多巴胺(PS/PDA)微球在棉织物上构建三维非晶光子晶体结构,采用Rsoft软件建立数值模型对其光学性质进行计算。探究晶体微球粒径、光线入射角度对光子晶体反射率的影响,并通过CIE标准色度系统得到色品坐标,在CIE色度图中直观地反映光子晶体结构色变化。研究表明:计算结果与实验测试结果较为吻合,粒径为 195、222、267、287 nm的PS/PDA纳米微球构建的非晶光子晶体结构,依次对应蓝色、绿色、黄绿色和红色,且随着入射角的不同,结构色不会发生改变。通过数值模拟计算,可控制纳米微球粒径、调节非晶光子晶体的光子赝带隙,从而对产生的结构色进行有效调控。     

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。     

光子晶体结构生色碳纤维/涤纶混纺纱线的制备及其性能

针对碳纤维难着色的问题,提出利用结构生色实现碳纤维/涤纶混纺纱线的着色。以聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)胶体微球为结构基元,利用浸渍提拉法在碳纤维/涤纶混纺纱线上构筑光子晶体生色结构。分析组装液质量分数和自组装温度对结构色的影响,探究胶体微球在纱线表面组装成光子晶体的过程,利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装技术提升结构生色纱线的色彩耐久性。结果表明：当组装液质量分数为70%、自组装温度为40℃时,可以在纱线表面构筑得到结构色明亮的光子晶体;胶体微球在纱线表面的组装过程归纳为预备阶段、堆砌聚集和完备阶段;经PDMS封装后的结构生色纱线经历水洗摩擦后依旧保持原有的色彩鲜艳度。该研究可为实现彩色碳纤维制品的现代化生产和应用提供新的策略。     

二氧化硅光子晶体在涤纶织物上的结构生色

以200-400 nm单分散二氧化硅胶体微球为结构单元,采用垂直沉积自组装法,在涤纶织物上构建三维有序的的面心立方(FCC)结构二氧化硅光子晶体,呈现双面结构生色效果。通过对涤纶织物上结构色的三维视频显微镜和反射率光谱分析,研究了二氧化硅胶体微球粒径和观察角对光子晶体结构色的影响。研究结果表明：涤纶织物上光子晶体结构色与光子禁带位置密切相关,其禁带位置可随二氧化硅胶体微球的粒径和观察角的变化而发生改变。     

纺织基材上图案化光子晶体的数码喷印法制备及其光学性能研究

为解决光子晶体结构生色墨水在喷印过程中易造成喷头堵塞的问题，从喷印设备和光子晶体结构生色墨水2方面进行研究，以提高喷印流畅性，实现高质量图案化光子晶体结构生色纺织品的制备和工业化应用。结果表明：使用15%的PS纳米微球分散液作为喷印墨水，在墨水体系中引入分散剂，可以保证墨水的分散稳定性，当加入0.2%分散剂3B时，墨水分散性良好，放置24 h后无聚集；通过加入较高浓度的保湿剂丙三醇，并在喷印设备上附加水封装置，可以减缓墨水中的纳米微球在喷印间隙以及喷印结束后喷头处因为水分蒸发而自发结晶，避免出现因为微球结晶而引起喷头堵塞现象；当保湿剂用量为5%时，墨水具有优异的保湿性能，连续喷印2 h后喷嘴仍然无堵塞问题；以15%的纳米微球分散液作为墨水进行喷印时，所印制的光子晶体结构生色图案颜色鲜艳明亮，具有明显的虹彩效应；通过在纺织基材表面涂覆特殊高分子层，所制备的图案化光子晶体具有优异的结构稳定性，为结构生色技术在纺织染整领域的实际应用开辟了新途径。