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。     

光子晶体在织物表面的色泽呈现

为探究结构色在织物显色方面的可行性以及织物组织结构对光子晶体结构色显色效果方面的影响,选用不同织物组织结构的黑色涤纶织物为基材,采用经典的Stöber 法制备高圆整度、单分散、粒径为150 ～300 nm 的Sio2微球,通过垂直沉积自组装法将微球组装在涤纶织物上得到显色效果较佳的光子晶体结构色。使用Lambda-35 紫外可见分光光度计进一步验证不同织物组织结构上光子晶体结构色的显色差异。结果表明：在相同自组装工艺条件下,织物组织结构不同造成的反射光强度差异将会影响光子晶体结构色的呈现;相比于平纹织物表面的结构色,缎纹织物的结构色亮度相对较暗。     

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。     

仿生光子晶体结构生色织物的大面积连续化制备

针对目前光子晶体结构生色织物难以大面积连续化制备以及光子晶体的结构稳定性与光学性质难以兼顾的问题，以旋蒸法制备具有预结晶形态的液态光子晶体(LPC),并以LPC为组装中间体，在经特殊高分子预处理的纺织基材上快速大面积制备具有高结构稳定性、高颜色饱和度的光子晶体。结果表明：所制备的LPC呈现鲜艳的结构色且具有优异的动态恢复性；通过外力剪切诱导作用将LPC施加到经特殊高分子预处理改性的织物表面，LPC快速重构显色并向固态光子晶体转变(1 min),再经适当的加热后处理(60℃,5 min),织物表面高分子层界面分子发生弛豫和迁移，以稳固光子晶体结构；以LPC为工作液，应用自行研制的中试设备，实现了光子晶体结构生色织物的快速连续化制备。     

高饱和度、高稳定性光子晶体结构色织物的研究进展北大核心

在织物上利用胶体微球自组装构筑的光子晶体结构色是一种绿色环保的着色方式,但是该着色方式存在颜色饱和度低与结构稳定性差的问题,从而制约了光子晶体结构色在纺织领域的应用和发展。为此,综述了近年来提高光子晶体结构色织物饱和度与稳定性的方法及利弊分析;指出增强相干散射与吸收非相干散射是提高光子晶体结构色饱和度的两大策略,增强微球间接触力、间隙填充和结构包覆是提高光子晶体结构色稳定性的三种途径。最后,研究认为制备兼具高饱和度与高稳定性的光子晶体结构色是从基础研究走向实际应用的必要条件。     

基于光子晶体的结构色织物研究进展

针对传统印染行业污染高、能耗高的问题,综述了一种绿色环保的纺织着色印染方式,即结构生色的织物着色方法;分析了其光子晶体结构的生色原理,并将采用光子晶体结构的色织物制备方法总结为一步法和二步法。一步法为直接在织物表面涂覆结构色材料,其中重力沉降法和垂直沉积法制备方法简单,静电自组装法结构色织物的厚度可控,喷墨打印法可实现织物的局部精准着色,雾化沉积法适用于不规则织物表面的印染,磁控溅射法适用于各种材料织物的染色;二步法为从结构色纤维、纱线到织物的制备方法,制备步骤复杂,但制备织物的力学性能较一步法好,印染织物后其色牢度优。最后总结了结构色织物在发展中存在的问题。     

一氯均三嗪活性染料/纳米微球复合型结构色墨水的制备及应用

以一氯均三嗪活性染料和聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(St-MAA))纳米微球制备活性染料/纳米微球复合型墨水,喷印在真丝织物上构建光子晶体生色结构。应用扫描电子显微镜、紫外-可见近红外光光度计、3D视频显微镜和旋转流变仪研究复合型墨水中P(St-MAA)纳米微球浓度、活性染料浓度、墨水表面张力和黏度对真丝织物上光子晶体结构及其生色效果的影响。研究结果表明:调节P(St-MAA)微球质量分数为15. 0%,一氯均三嗪活性染料墨水体积分数为5. 0%,控制墨水表面张力介于53～65 mN/m,黏度不超过3. 70 mPa·s时,复合型墨水可以在真丝织物喷印构建颜色鲜艳的光子晶体结构色图案。     

再分散法制备低角度依赖结构色织物

为了研究更为绿色环保的染色技术,提出了以再分散法在纺织品表面构筑非晶光子晶体结构。将经过一次重力沉降后的二氧化硅薄膜刮下,经过研磨后在织物上进行二次重力沉降,即可将非彩虹结构色与纺织品相结合。在不同温度的自组装环境下,以不同的二氧化硅质量浓度以及不同体积在不同的组织结构上进行实验,研究温度、质量浓度、体积、组织结构等因素对非晶光子晶体结构的影响。结果表明：当二氧化硅悬浮液质量浓度为25 mg/mL时,体积为2 mL时,在40℃的环境下进行自组装可获得较好的非晶光子晶体结构色织物;在同等实验条件下,选择的织物的组织结构越平整,纱线排列越紧密,织物内的孔隙越小,最终组成的颜色效果越佳。     

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。     

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。     

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。     

结构生色及其染整应用前景(一)

结构生色,又称物理生色,具有高饱和度、高亮度、永不褪色的独特性能.通过阐述结构色的原理、自然界中存在的结构色生物材料、人工制备结构色的方法、光子晶体的发展、制备方法和主要性质,以及结构色的发展和研究方向,提出了通过结构生色来代替染料染色的设想,给出了目前出现的几种结构色在纺织产业中相对初级的实际应用(如涂层织物、液晶织物、日本帝人公司开发的Morphotex等),指出目前阻碍结构色在实际应用的困难和问题.     

基于平纹组织模型的单色提花丝织物显像方法

 为表达一幅具体的绘画或其他具有灰度渐变效果的艺术作品,采用同面组织——平纹,根据提花丝织物的单色显像原理,初步设计以一组平纹系列变化组织构建的单色显像提花丝织物组织模型,在此基础上,经过试织获得该平纹变化组织的实物,再通过实物图像的像素点灰度分析,将各平纹变化组织实物按明度的高低所形成的渐变效果进行排序,通过筛选建立起绘画等艺术作品中的灰度渐变层次与各平纹变化组织之间的对应关系,最后由织造实验表明,基于平纹变化组织模型实现单色丝绸提花织物的显像可在提花丝织物上产生一种特殊的肌理效果,为丝织物带来全新的视觉。     

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。     

针织物表面结构色的构建

为减轻印染行业带来的环境问题,将生色效果良好的光子晶体结构色运用于针织物表面。首先制备大小均匀、粒径可控的二氧化硅(SiO₂)纳米颗粒,然后通过重力沉降法将颗粒自组装到不同的针织物表面获得结构色。探讨了SiO₂颗粒粒径、自组装温度、织物组织结构对针织物表面结构色显色效果的影响。结果表明:不同粒径的SiO₂纳米颗粒在针织物上产生了不同的结构色,结构色的反射波峰的波长由SiO₂的粒径决定,且符合布拉格衍射定律;在其他实验条件相同的情况下,较低温度的自组装所得到的结构色显色效果较好,较光滑的纬平针织物的显色效果要更优。     

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。     

Study on the stability of the photonic crystals under different application environments and the possible mechanisms

P(St-MAA) and SiO₂ photonic crystals on polyester fabrics were put in the different application environments such as water, oil, acid, alkali, high temperature, and ultraviolet radiation. The related changes of the morphology and the structural colors were characterized by 3D video microscope and field-emission scanning electron microscopy (FESEM) and the possible mechanisms were deeply investigated. It is found that aqueous medium have little influence on P(St-MAA) and SiO₂ photonic crystals, however, oil medium restrains the photonic crystals from regaining the original structure. Even though in aqueous medium, strong acid and alkali conditions could easily destroy the photonic crystal structure to great extent even degrade the microspheres. Different from the good stability of P(St-MAA) and SiO₂ photonic crystals at conventional high temperatures, under the ultraviolet irradiation P(St-MAA) are severely destroyed due to the drastic thermal depolymerization, but SiO₂ photonic crystals keep favorable morphology and structural color.     

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。     

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。