响应性光子晶体结构色纤维的制备及其性能研究

摘要

结构色纤维是指表面或内部因周期性结构而具备颜色的一类纤维。与传统纤维通过染料获得颜色的方法不同，结构色纤维的颜色主要通过其表面或者内部的微纳结构与光的相互作用而产生。随着智能服装的发展，势必会对一些具有特殊功能的纤维产生大量需求，而结构色纤维则能通过调控其结构而实现其功能化，因此结构色纤维的制备引起了研究者的广泛兴趣。目前，结构色纤维制备过程中主要存在的问题包括用于制备纤维表面的周期性的胶体晶体材料比较有限，结构色纤维表面的周期性结构容易受到破坏；制备得到的结构色纤维很难实现对外界刺激的响应或者对外界刺激的响应性较弱等。 针对结构色纤维研究领域中存在的问题，本文采用超顺磁性胶体颗粒，探究了在纤维内部利用外界磁场诱导构筑有序结构而使纤维具备结构色的方法，实现了结构色纤维对多种外界刺激的响应，研究了其光学性能与外界刺激之间的对应关系、响应特性及响应机理，具体研究内容如下： （1）采用水热法制备了具有核壳结构的Fe3O4@C胶体球，通过调节反应中所使用的过氧化氢的用量，制备了粒径分别为138 nm、158 nm和200 nm的超顺磁性Fe3O4@C胶体球。不同粒径的胶体球分散液在磁场下的显色性能不同。将不同粒径的磁性胶体球分散至ETPTA中，利用紫外光聚合反应制备了颜色为红、绿、蓝的结构色薄膜，结构色薄膜的反射光谱波长分别为600 nm，521 nm和490 nm。通过控制分散液中含有的磁性胶体球的比例，制备了颜色更为丰富的薄膜。利用模板和分步紫外光固化技术制备了结构色图案，所制备的结构色图案在白色背底下能够隐藏颜色，在黑色背景下颜色会重新显示。通过将分散液注入毛细管中并在紫外光下固化，制备得到了颜色鲜艳的结构色纤维。 （2）利用Fe3O4@C胶体球的乙二醇分散液与PDMS前驱体混合在管状空间内固化得到了磁场响应性的PDMS纤维。通过在纤维外部涂覆额外的PDMS层使磁场响应性纤维内部结构更加稳定。磁场响应性 PDMS 纤维能够实现对外界磁场的良好响应性，当对纤维施加一个外界磁场后，纤维的颜色可以立刻发生改变，并且纤维的颜色不会随着对其施加外力的大小而改变。纤维具有较好的力学强度，其强度大约为60 MPa。 （3）通过外界磁场诱导和注入成性相结合的方法，成功实现了纤维内部一维链状光子晶体结构的制备，与通过在纤维表面制备光子结构而获得结构色纤维相比，将光子晶体结构制备在纤维的内部更能保证光子晶体结构不受外力的破坏。该纤维对外力具有良好的响应性，当纤维受到拉伸时，其颜色会从橙色变为黄绿色进而变为绿色，纤维反射光谱的波长也会从607 nm迁移到515 nm；当纤维受到挤压时，纤维的颜色会从橙色变为红色，其光谱会从607 nm迁移到637 nm。与传统力学检测器件不同，力学响应性纤维在对外力实现良好响应的同时，并不需要外界设备对其提供能源，因此是一种绿色的传感器件。 （4）采用温敏性材料PNIPAM和磁性胶体球制备了对温度具有响应性的结构色纤维。该纤维颜色鲜亮且能够随温度的变化而改变，其颜色的反射波长可以从642 nm迁移到494 nm。结构色纤维具有颜色记忆效应，纤维干燥后颜色消失，再次经过溶胀后颜色可恢复，因此该纤维具有良好的光学信号存储性能。纤维在水中溶胀过程中其长度方向上的溶胀率要远远大于其直径方向上的溶胀率，纤维溶胀后的长度大约是其初始长度的1.4倍。通过控制纤维在不同方向上的溶胀性，可以实现纤维在一维方向上的致动。 （5）利用微流器件连续制备了尺寸均匀的磁性微球，微球的尺寸可以通过液相流速进行控制，磁性微球能够实现对外界磁场的快速响应，并且在不同磁场强度下显示不同颜色。将尺寸均匀的微球嵌入到 PVA 薄膜中，实现了内部结构均匀的PVA薄膜的制备，微球的尺寸在PVA溶液中的水分挥发后略微减小但形貌仍然比较均匀，从而使PVA薄膜能够在外界磁场作用下显示出均匀的结构色。当在磁性微球的前驱体高分子单体中加入紫外光引发剂，并且利用外加磁场和紫外光照射，制备得到了具有固定结构色的光子晶体微球。此外，通过控制成份在微流器件中连续制备了海藻酸钙纤维，经过海藻酸钠溶液和Fe3O4@C的ETPTA分散液混合，初步实现了磁场响应性海藻酸钙纤维的连续制备。

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