海岛型结构色纤维的设计与加工研究

摘要

自然界中丰富的颜色给了人类最美好的视觉感受，从颜色产生的机理上，颜色可以分为结构色和化学色。相对于化学色，结构色具有环保、不褪色等优点，在装饰、防伪、显示等领域有着重要的应用价值。纤维结构色作为结构色的重要研究方向，避免了染料的使用，因而具有广阔的应用前景。
　　 本文以减少纤维结构色中入射角度带来的虹彩效应为研究目标，设计一种新型海岛型结构色纤维。利用激光辐射加热拉伸海岛纤维的方法减少海岛纤维的直径，并对拉伸工艺进行了理论和实验分析。主要工作如下:
　　 1.海岛型结构色纤维的设计。我们设计了正方型、三角型及蜂窝状的三种海岛纤维结构，分析了入射光角度对纤维反射光谱的影响，得出蜂窝状的海岛纤维可以明显减少由于入射角度变化引起的颜色变化。然后我们以蜂窝状海岛纤维结构为研究对象，设计了折射率差在0.2以上、层数在10～17层、岛直径在140nm～220nm范围的密排海岛纤维结构，分析了折射率差、纤维层数、岛直径和岛间距对颜色的影响。结果表明:纤维的层数对颜色色调的影响很小，岛直径及间距对饱和度的影响很小，而上述四个参数对明度都有影响。
　　 2.海岛纤维热拉伸性能研究。用示差扫描量热法测量聚酯/聚丙烯(PET/i-PP)海岛纤维热流随着温度的变化关系，得出PET/i-PP海岛纤维最高使用温度为175℃;用热机械分析仪进行了海岛纤维热拉伸实验，探索了拉伸工艺如温度、加热速率、拉伸力及拉力增加速率对海岛纤维应力应变关系的影响。结果表明:在相同的应变下，温度的增加减少了海岛纤维拉伸应力和提高了拉伸倍数;加热速率越小，海岛纤维在越低的温度下开始拉伸变形;拉伸力的增加进一步降低了海岛纤维形变所需的温度;拉力的增加速率越快，相同的应变下需要的拉伸力越大。在此基础上，总结出PET/i-PP海岛纤维的拉伸应力-应变应变速率温度方程中的四个关键影响参数，并拟合出这四个参数随着温度的线性变化关系。
　　 3.激光辐射拉伸海岛纤维的理论和实验研究。首先，我们建立了激光辐射拉伸海岛纤维的数学模型，分析了初始速率、初始应力及激光光斑直径对纤维应变分布的变化规律的影响，得出初始速率的增加与初始应力的减少对纤维应变分布的影响相同，且随着激光光斑直径的增加最大应变也略微增加。其次，我们搭建了激光辐射拉伸纤维的装置，对纤维的拉伸工艺进行了实验研究。结果表明在不用激光辐射加热下海岛纤维最大拉伸比为4.1倍;在激光辐射加热的情况下，随着拉伸倍数的增加，稳定拉伸的激光功率在8W以内。我们利用正交试验法分析了供给轮速率、激光功率及透镜距离对纤维拉伸性能的影响，得出海岛纤维的最大拉伸比为6.5倍。激光辐射加热的均匀性分析表明，采用多个反射镜能够减少纤维截面温度梯度，保证了拉伸过程中海岛纤维截面加热的均匀性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 结构色

1．2．1 光子晶体类型结构色

1．2．2 无序结构色

1．3 纤维结构色

1．3．1 国外纤维结构色研究进展

1．3．2 国内纤维结构色研究进展

1．4 课题来源及本文的结构安排

第二章 海岛型纤维结构色的设计

2．1 引言

2．2 理论基础

2．2．1 时域有限差分算法

2．2．2 颜色理论

2．2．3 P.P.Fabricius模型创建

2．3 三种结构反射谱计算

2．4 蜂窝状海岛纤维结构色

2．4．1 折射率差

2．4．2 纤维层数

2．4．3 岛直径

2．4．4 岛间距

2．5 本章小结

第三章 海岛纤维的热拉伸及性能研究

3．1 引言

3．2 PET/i-PP海岛纤维热拉伸

3．3 拉伸工艺对纤维性能的影响

3．3．1 温度

3．3．2 加热速率

3．3．3 拉伸力

3．3．4 拉伸力增加速率

3．4 纤维拉伸性能理论分析

3．5 本章小结

第四章 激光辐射拉伸海岛型纤维的初步研究

4．1 研究背景

4．2 激光辐射加热拉伸模型

4．3 激光辐射加热实验

4．3．1 装置搭建

4．3．2 激光辐射加热的工艺

4．3．3 拉伸结果分析

4．3．4 激光加热拉伸均匀性分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 主要研究内容

5．2 研究工作的创新之处

5．3 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果