纺织基材上纳米微球自组装仿生光子晶体结构生色研究

摘要

与传统纺织品着色技术不同，结构色的产生无须使用染料或颜料等化学着色剂，是物体自身的特殊物理结构与光发生干涉、衍射和散射等作用而产生的视觉效果，具有明亮艳丽、灵动多变和永不褪色等特点。光子晶体结构生色作为一种典型的仿生生色方式，日益受到国内外研究者的关注。本研究以单分散纳米微球作为结构基元，在粗糙、多孔的柔性纺织基材表面构筑光子晶体结构，实现纺织品的结构生色。通过研究构造光子晶体生色结构的相关自组装方法、机理和调控手段，为纺织基材上仿生光子晶体结构的构建和具有特殊结构生色效果的纺织产品开发提供有益的理论支撑和实践经验。
　　本论文的研究工作主要包括以下五方面:(1)采用无皂乳液聚合法制备聚（苯乙烯-甲基丙烯酸）(P(St-MAA))纳米微球，研究纳米微球的粒径分布、单分散性、表面形貌、核壳结构、带电性及其稳定性;(2)采用浸渍法（包括重力沉降法和垂直沉积法）自组装技术在纺织基材上构造结构色光子晶体，通过优化自组装条件和分析光子晶体堆积类型，深入研究纳米微球在纺织基材上的自组装过程及相应机理，并比较和阐明纺织基材上重力沉降法和垂直沉积法的主要差异;(3)采用数码喷印法在纺织基材上自组装构建光子晶体结构色图案，通过研究结构色墨水的组成，提出有效抑制“咖啡环”效应的策略，探明纺织基材的表面性能对纳米微球喷印自组装效果的影响;(4)研究纺织基材表面结构生色光子晶体的光学性能，揭示光子晶体结构色的调控机制;(5)探讨有效提高纺织基材上光子晶体结合牢度和生色耐久性的途径。
　　研究结果表明:(1)在无皂乳液聚合法中，通过调控单体St、MAA及引发剂APS浓度，可制备水合粒径范围在180-350 nm的单分散P(St-MAA)纳米微球。纳米微球尺寸均一，球形度良好，呈现明显的核壳结构。不同粒径纳米微球的Zeta电位值均低于-30 mV，其平均粒径、单分散性和球形度等随静置时间的增加变化很小，呈现良好的稳定性;(2)采用浸渍法自组装技术可在纺织基材表面构建结构色艳丽、虹彩效应明显的三维面心立方(FCC)型P(St-MAA)光子晶体。在自组装过程中，纳米微球首先填充织物纤维间的缝隙，并逐渐堆积获得相对平整的织物表面，再以此为“地基”堆叠成规整有序的光子晶体结构。期间随着分散介质的蒸发，相邻纳米微球不断靠近，晶体阵列由散乱疏松态逐渐向规整致密态转变，宏观上表现出一系列遵循蓝移规律的颜色变化。重力沉降法与垂直沉积法的明显差异表现在垂直沉积法所得结构生色织物的经纬向纹理更为清晰且具有双面着色效果;(3)通过调控纳米微球浓度、墨水pH、表面张力、粘度等指标，并添加适宜的“咖啡环”抑制剂（如:甲酰胺和乙二醇），可制备适用于喷印自组装的结构生色墨水。在墨滴蒸发过程中，甲酰胺和乙二醇通过引导液滴由外至内的毛细流动有效调控其蒸发速率，进而抑制“咖啡环”效应。经一定程度拒水处理的纺织基材可有效抑制墨水的渗漏并获得良好的喷印效果。通过数码喷印自组装法，可在纺织基材表面快速精准定位获得光子晶体结构色图案;(4)通过变化纳米微球粒径和入射角，可以调控和改变纺织基材表面的光子晶体结构色。在保持其他条件不变的情况下，于一定范围内减小纳米微球粒径或者增加入射角，光子晶体禁带由长波向短波方向移动，相应的结构色发生蓝移，变化规律与布拉格衍射定律相符。(5)表面带有-COOH等功能基团且相对柔性的核壳型聚苯乙烯类纳米微球，有利于在纺织基材上构造结合牢度较高的结构色光子晶体;在一定范围内，越柔软的纳米微球越易与纤维发生缠绕，堆积所得光子晶体结构越致密，以使纺织基材上的光子晶体表现出更强的结合牢度。结构色墨水中的“咖啡环”抑制剂甲酰胺或乙二醇分子中均具有强极性基团，可增强光子晶体结构自身稳定性及其与纺织品基材间的粘附性，有效提高结构色的耐久性。

目录

声明

论文说明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 光子晶体及其结构生色基本理论的研究现状

1．2．1 光子晶体简介

1．2．2 光子晶体结构生色基本理论

1．3 结构色光子晶体制备技术的研究现状

1．3．1 激光全息技术

1．3．2 胶体晶体自组装法

1．4 光子晶体结构生色的应用

1．4．1 智能显示

1．4．2 智能响应

1．4．3 印刷和打印

1．4．4 纺织品着色

1．5 本论文的创新与特色

1．6 本论文的研究目标和主要研究内容

1．6．1 研究目标

1．6．2 主要研究内容

参考文献

第二章 光子晶体结构基元的设计、制备及其性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料、试剂及仪器

2．2．2 实验方法

2．2．3 测试与表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 光子晶体结构基元粒径和单分散性设计

2．3．2 P(St-MAA)纳米微球的聚合制备研究

2．3．3 P(St-MAA)纳米微球的表面形貌和结构组成研究

2．3．4 P(St-MAA)纳米微球的稳定性研究

2．4 本章小结

参考文献

第三章 纺织基材上重力沉降自组装光子晶体结构生色研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料、试剂及仪器

3．2．2 实验方法

3．2．3 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 涤纶织物上的重力沉降自组装条件研究

3．3．2 光子晶体的堆积结构研究

3．3．3 涤纶织物上的重力沉降自组装过程和机理研究

3．3．4 涤纶织物组织结构对光子晶体结构构建及其生色效果的影响

3．3．5 光子晶体的光学性能研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 纺织基材上垂直沉积自组装光子晶体结构生色研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料、试剂及仪器

4．2．2 实验方法

4．2．3 测试与表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 光子晶体堆积结构研究

4．3．2 涤纶织物上的垂直沉积自组装过程与机理研究

4．3．3 纺织基材上垂直沉积与重力沉降自组装的比较

4．3．4 纺织基材上结构色光子晶体的疏水性及其机理研究

4．3．5 纺织基材上聚苯乙烯类光子晶体的结合牢度研究

4．4 本章小结

参考文献

第五章 纺织基材上数码喷印自组装光子晶体结构生色研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验材料、试剂及仪器

5．2．2 实验方法

5．2．3 测试与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 P(St-MAA)纳米微球墨水体系的构建与调控

5．3．2 P(St-MAA-MMA)纳米微球墨水体系的构建与调控

5．3．3 纺织基材的表面性能对数码喷印自组装效果的影响

5．3．4 聚苯乙烯类纳米微球墨水在数码喷印自组装中的应用研究

5．3．5 数码喷印自组装结构色光子晶体的结合牢度评价

5．4 本章小结

参考文献

6．1 总结

6．2 展望

已取得的研究成果

致谢