非對(duì)稱潤濕特性紡織基材上高穩(wěn)固光子晶體的構(gòu)筑

張星月，韓朋帥，王一萌，張?jiān)藕崳?嵐，3，劉國金,

(1.浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 浙江省纖維材料和加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；3.浙江省綠色清潔技術(shù)及洗滌用品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 麗水 323000)

結(jié)構(gòu)色是物體自身的特殊組織結(jié)構(gòu)與光發(fā)生干涉、衍射或散射等作用而產(chǎn)生的一種特殊視覺效應(yīng)[1-2]。近年來，通過構(gòu)筑禁帶處于可見光范圍內(nèi)的三維光子晶體來獲得結(jié)構(gòu)色效果的方式[3]，因具有制備工序簡(jiǎn)便、制備效率高、對(duì)設(shè)備要求低、結(jié)構(gòu)色具有典型的虹彩效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，備受研究者們的關(guān)注。膠體微球自組裝法因具有操作簡(jiǎn)便、制備流程短、對(duì)設(shè)備要求低等特點(diǎn)，被認(rèn)為是構(gòu)筑三維光子晶體最有效的方法之一[4]。

利用自組裝技術(shù)將膠體微球負(fù)載于紡織基材上構(gòu)筑光子晶體是實(shí)現(xiàn)紡織品生態(tài)著色的有效途徑[5]。然而，隨著研究的深入，越來越多的研究者發(fā)現(xiàn)，構(gòu)筑的光子晶體結(jié)構(gòu)在受到折疊、水洗和摩擦等作用時(shí)，易發(fā)生坍塌、從基材表面脫落等現(xiàn)象，致使結(jié)構(gòu)色消減甚至消失。如何提高光子晶體生色結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，即提升結(jié)構(gòu)色的耐久性，已成為研究的熱點(diǎn)[6-8]。通過覆膜、填充等方式是提升基材上光子晶體生色結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的有效手段；但這些方法不足以同時(shí)兼顧光子晶體的結(jié)構(gòu)色效果和穩(wěn)固性，因此，尋求新的、可同時(shí)兼顧光子晶體結(jié)構(gòu)色效果和穩(wěn)固性的方法迫在眉睫。

本文采用等離子體技術(shù)對(duì)棉織物的潤濕性能進(jìn)行調(diào)控以獲得具有非對(duì)稱潤濕特性的紡織基材，通過絲網(wǎng)印花法將具有自交聯(lián)特性的聚(苯乙烯-N-羥甲基丙烯酰胺)(P(St-NMA))膠體微球自組裝于上述基材上，旨在使光子晶體“扎根”于基材內(nèi)部，并利用微球的自交聯(lián)性進(jìn)一步鞏固整個(gè)光子晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。本文構(gòu)建了適宜的結(jié)構(gòu)生色印花色漿體系，分析等離子體處理時(shí)間對(duì)基材潤濕性能的影響，并通過摩擦、水洗和彎折實(shí)驗(yàn)測(cè)試非對(duì)稱潤濕特性紡織基材上構(gòu)筑所得光子晶體的穩(wěn)固性，以期為紡織基材上高穩(wěn)固性光子晶體生色結(jié)構(gòu)的有效構(gòu)筑提供策略支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及材料

N-羥甲基丙烯酰胺(NMA，分析純，上海麥克林生化科技有限公司)；過硫酸鉀(KPS，分析純，上海麥克林生化科技有限公司)；苯乙烯(St，分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司)；鹽酸(HCl，分析純，上海麥克林生化科技有限公司)；氟系防水劑(TF-5025H，傳化智聯(lián)股份有限公司)；去離子水(電導(dǎo)率大于18 Ω·cm，實(shí)驗(yàn)室自制)；棉織物(黑色平紋織物，面密度為234 g/cm2，市售)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 P(St-NMA)膠體微球的合成

采用無皂乳液聚合法合成用于構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)的P(St-NMA)膠體微球[9-10]。向三口燒瓶中添加一定量的St、NMA和去離子水，后將三口燒瓶與冷凝器和機(jī)械攪拌器放到恒溫水浴鍋中進(jìn)行攪拌。設(shè)定攪拌速度為360 r/min，直至溫度升至75 ℃后向反應(yīng)裝置中勻速滴加一定量的KPS溶液，之后將溫度升至80 ℃并開始計(jì)時(shí)。反應(yīng)6～8 h后，冷卻至25 ℃，即可得到P(St-NMA)膠體微球乳液。

1.2.2 結(jié)構(gòu)生色印花色漿的制備

將適量單分散P(St-NMA)膠體微球置于TG20型高速離心機(jī)(鹽城市安信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)載物臺(tái)中，設(shè)定離心速率為8 000 r/min，30 min后取出，倒出上層清液，取下層黏稠液待用。向黏稠液中加入一定量的去離子水和鹽酸，攪拌均勻后，即得結(jié)構(gòu)生色印花色漿。

1.2.3 非對(duì)稱潤濕特性紡織基材的制備

將200 g去離子水和10 g氟系防水劑混合均勻后得到拒水整理液，然后將準(zhǔn)備好的棉織物基材放置于整理液中浸泡，取出后使用軋車(南通宏大有限公司)進(jìn)行一浸一軋?zhí)幚?控制軋余率為70%～80%)，隨后放入105 ℃烘箱中干燥，待烘干后取出放入160 ℃烘箱中繼續(xù)熱定形3 min，即可獲得兩面都具有較強(qiáng)疏水性的棉織物。使用HD-1B型電熨斗將所得疏水性棉織物熨燙平整，并利用低溫等離子體改性儀(中科常泰等離子體科技有限公司)對(duì)棉織物的正面(規(guī)定經(jīng)過等離子體處理的這一面為正面，另一面則為反面)進(jìn)行處理，使織物一面具有親水性、另一面具有疏水性，控制等離子體處理的功率和時(shí)間，即可獲得具有非對(duì)稱潤濕特性的紡織基材。等離子體處理時(shí)設(shè)定功率為30～100 W，時(shí)間為60～300 s，真空度為30 Pa。

1.2.4 光子晶體結(jié)構(gòu)生色圖案的制備

將經(jīng)過預(yù)處理的棉織物基材置于印花網(wǎng)框下面，取適量結(jié)構(gòu)生色印花色漿傾倒于網(wǎng)框表面，使用刮刀進(jìn)行涂刮，隨后將承載有色漿的棉織物基材放入60 ℃ 的DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)中進(jìn)行烘燥，待烘干后取出，即可在基材上制備得到光子晶體結(jié)構(gòu)生色圖案。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 P(St-NMA)膠體微球的形貌觀察

利用ULTRA55型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和JEM-2100型透射電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社)觀察P(St-NMA)膠體微球的微觀形貌，工作電壓為200 kV。

1.3.2 結(jié)構(gòu)生色印花色漿的黏度測(cè)試

取一定量的結(jié)構(gòu)生色印花色漿，在25 ℃下使用MCR52型旋轉(zhuǎn)流變儀(奧地利Anton Paar公司)測(cè)試其黏度。測(cè)試時(shí)設(shè)定剪切速度為500 s-1，掃描測(cè)試20個(gè)點(diǎn)，取平均值。

1.3.3 紡織基材的形貌和潤濕性表征

利用ULTRA55型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察處理后紡織基材表面的微觀形貌。測(cè)試時(shí)，工作電壓為2.0 kV，探測(cè)模式為SE2。

利用Easy Drop型視頻接觸角張力儀(德國KRUSS公司)測(cè)試等離子體處理前后紡織基材的接觸角，由此來表征其潤濕性能。選取樣品的不同位置進(jìn)行測(cè)試，取平均值。

1.3.4 光子晶體生色結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性測(cè)試

摩擦實(shí)驗(yàn)：將絲網(wǎng)印花所得結(jié)構(gòu)色織物裁剪成6 cm×6 cm大小，隨后將50 g的砝碼平壓在棉織物基材上，從基材的一端水平拉動(dòng)砝碼至另一端，使基材與砝碼之間產(chǎn)生摩擦，觀察摩擦前后光子晶體生色結(jié)構(gòu)在基材上的脫落情況，進(jìn)而表征織物上光子晶體生色結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

超聲波水洗：裁取6 cm×6 cm的結(jié)構(gòu)色織物，放入25 ℃超聲清洗器中，超聲波處理10 min，取出烘干，利用HIROX KH-7700型三維視頻顯微鏡(科視達(dá)(中國)有限公司)和ULTRA55型掃描電子顯微鏡(德國Carl Zeiss公司)觀察超聲波水洗前后結(jié)構(gòu)色的消減情況和光子晶體結(jié)構(gòu)的脫落情況，判定織物上光子晶體生色結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

彎折實(shí)驗(yàn)：裁取6 cm×6 cm的結(jié)構(gòu)色織物，對(duì)織物進(jìn)行折疊實(shí)驗(yàn)，利用DMC-FH27GK型數(shù)碼相機(jī)(松下電器(中國)有限公司)拍攝彎折前后織物表面結(jié)構(gòu)色的消減情況和光子晶體結(jié)構(gòu)的脫落情況，以判定織物上光子晶體生色結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

1.3.5 光子晶體排列情況表征

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察光子晶體生色結(jié)構(gòu)的排列情況。測(cè)試時(shí)，工作電壓為3.0 kV，探測(cè)模式為SE2。

1.3.6 結(jié)構(gòu)色效果表征

應(yīng)用三維視頻顯微鏡觀察光子晶體結(jié)構(gòu)色在基材表面的均勻性，設(shè)定倍數(shù)為50。

利用數(shù)碼照相機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)光源箱中拍攝光子晶體結(jié)構(gòu)生色圖案的照片。

應(yīng)用Lambda-35型紫外-可見分光光度儀(英國鉑金埃爾默公司)測(cè)試所得結(jié)構(gòu)色的反射率曲線。其中，測(cè)試波長(zhǎng)范圍為400～700 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 P(St-NMA)膠體微球的性能分析

圖1示出P(St-NMA)膠體微球的FESEM和TEM圖像。由FESEM圖像可見，P(St-NMA)膠體微球的球形度好且粒徑均一。NMA是一種含有羥基和不飽和雙鍵的單體，具有較強(qiáng)的親水性，在無皂乳液聚合反應(yīng)過程中可起到類似乳化劑的作用[9]。由此可得，反應(yīng)過程中由NMA反應(yīng)形成的聚合物成為微球的殼層，而疏水性強(qiáng)的聚苯乙烯(PSt)則成為核心。TEM圖像顯示，制備所得P(St-NMA)膠體微球是以親水性PNMA為殼層，疏水性PSt為核心的微球[7,9]。

圖1 P(St-NMA)膠體微球的FESEM和TEM圖像Fig.1 Typical FESEM image (a) and TEM image (b) of P (St-NMA) colloidal microspheres

2.2 結(jié)構(gòu)生色印花色漿體系的構(gòu)建

2.2.1 膠體微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)化

通過離心處理得到的高濃度P(St-NMA)膠體微球并不能直接用于絲網(wǎng)印花，需要加入一定量去離子水，對(duì)膠體微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以得到適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)構(gòu)生色印花色漿。探究不同膠體微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)棉織物上結(jié)構(gòu)色圖案印制效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)P(St-NMA)膠體微球在棉織物表面自組裝所得光子晶體生色結(jié)構(gòu)印花圖案的數(shù)碼相機(jī)照片、三維視頻顯微鏡圖像及FESEM圖像Fig.2 Digital camera photos,3-D microscope images and FESEM images of printing patterns of photonic crystals structure prepared by self-assembly of P(St-NMA) microspheres with different concentrations on surface of cotton fabrics

從數(shù)碼照片和顯微鏡圖像中可以明顯看出，當(dāng)膠體微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)從40%增至80%時(shí)，結(jié)構(gòu)色的均勻性不斷增加，且逐漸變得明亮和鮮艷，而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過90%時(shí)，結(jié)構(gòu)色則變得灰暗。觀察相應(yīng)光子晶體的FESEM圖像發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，微球排列最為規(guī)整。根據(jù)已有研究，光子晶體結(jié)構(gòu)排列越規(guī)整，其結(jié)構(gòu)色效果越好。可見，F(xiàn)ESEM圖像與顯微鏡圖像、數(shù)碼相機(jī)照片結(jié)果有良好的吻合性。

當(dāng)膠體微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，在揭網(wǎng)過程中，由于水的表面張力較大，印花色漿容易被絲網(wǎng)帶離紡織基材，進(jìn)而破壞了圖案結(jié)構(gòu)色的均勻性，同時(shí)由于外力作用導(dǎo)致微球自組裝行為受影響，故無法形成規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)；當(dāng)膠體微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，微球在色漿體系中彼此碰撞的概率較高，微球易發(fā)生團(tuán)聚，致使其在自組裝過程中運(yùn)動(dòng)受阻，從而難以形成規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，也就不能顯現(xiàn)出亮麗的結(jié)構(gòu)色效果。綜合來看，當(dāng)膠體微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，可制備得到結(jié)構(gòu)色明亮且排列較為規(guī)整的光子晶體生色結(jié)構(gòu)。

2.2.2 交聯(lián)促進(jìn)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇

前期研究[9-10]表明，在自交聯(lián)微球中加入交聯(lián)促進(jìn)劑會(huì)進(jìn)一步提升相鄰微球間的連接性，進(jìn)而鞏固光子晶體生色結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。由此，為得到結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固的光子晶體，本文提出在結(jié)構(gòu)生色印花色漿中加入交聯(lián)促進(jìn)劑。圖3示出含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)交聯(lián)促進(jìn)劑鹽酸的印花色漿制備所得結(jié)構(gòu)色圖案的印制效果。

圖3 含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽酸的印花色漿在棉織物表面所得光子晶體生色結(jié)構(gòu)印花圖案的數(shù)碼相機(jī)照片、三維視頻顯微鏡圖像及FESEM圖像Fig.3 Digital camera photos,3-D microscope images and FESEM images of printing patterns produced from photonic crystals on surface of cotton fabrics with printing paste containing different concentrations of hydrochloric acid

從圖3可以看出：當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～10%時(shí)，結(jié)構(gòu)色變化較小；當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，結(jié)構(gòu)色效果欠佳。觀察相應(yīng)光子晶體的FESEM圖像發(fā)現(xiàn)：當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時(shí)，微球整體排列規(guī)整且緊密；而當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%時(shí)，微球的排列出現(xiàn)一定程度的雜亂。這主要是因?yàn)椋禾砑欲}酸的量較小時(shí)，對(duì)印花色漿流動(dòng)性影響較小，結(jié)構(gòu)色和微球的排列受到的影響較小，所以與未加鹽酸所得結(jié)構(gòu)色相差不大；添加鹽酸的量過多，會(huì)使微球乳液的濃度低于自組裝時(shí)的最佳濃度，致使可有效參與自組裝的微球數(shù)量不足，直接導(dǎo)致最終的光子晶體排列紊亂，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)色效果也變差。綜上分析，鹽酸所占色漿的配比應(yīng)以5%～10%為宜。

圖4示出摩擦前后結(jié)構(gòu)色印花織物的數(shù)碼照片及三維視頻顯微鏡圖像。當(dāng)印花色漿中只有P(St-NMA)微球時(shí)，印花圖案經(jīng)摩擦后，織物表面結(jié)構(gòu)色有部分消減；當(dāng)印花色漿為P(St-NMA)微球加鹽酸時(shí)，印花圖案經(jīng)摩擦后，結(jié)構(gòu)色印花圖案完整性高，光子晶體生色結(jié)構(gòu)幾乎無脫落，結(jié)構(gòu)色無明顯消減。這可能是由于鹽酸促進(jìn)了微球之間的自交聯(lián)，從而增強(qiáng)了光子晶體生色結(jié)構(gòu)在紡織基材上的穩(wěn)固性。

圖4 結(jié)構(gòu)色印花織物經(jīng)摩擦前后的數(shù)碼照片及三維視頻顯微鏡圖像Fig.4 Digital camera photos and 3-D microscope images of structural color printed fabric before and after friction.(a) P(St-NMA) microspheres;(b) P(St-NMA) microspheres added with HCl

2.3 基材潤濕性能對(duì)光子晶體穩(wěn)固性影響

在自組裝過程中，先停留于基材上的微球會(huì)為后續(xù)微球提供“地基”，經(jīng)過一層層的疊加，最終微球不斷堆積形成規(guī)整的光子晶體層。不難想象，在保證其他條件一致的情況下，“地基”的深度將會(huì)直接影響光子晶體層的穩(wěn)固性，而織物基材的潤濕性則又是決定“地基”深度的直接要素。為此，采用等離子體技術(shù)對(duì)基材進(jìn)行處理，以探究基材的潤濕性能對(duì)光子晶體穩(wěn)固性的影響。氧等離子體是一種改變紡織基材潤濕性能的常用技術(shù)方法[11]。通常情況下，氧等離子體處理的時(shí)間越長(zhǎng)，紡織基材表面的氧化層厚度就越厚，導(dǎo)致基材表面的親水基團(tuán)含量增多，親水效果變得更好。

在等離子體處理功率保持不變的情況下，分別對(duì)基材進(jìn)行不同時(shí)間的處理，觀測(cè)基材的接觸角變化和光子晶體的結(jié)構(gòu)色效果，結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)中的接觸角照片可以看出：未經(jīng)等離子體處理棉織物的接觸角為110.395°；當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間不斷延長(zhǎng)，基材的接觸角會(huì)明顯降低，在處理時(shí)間為3 min時(shí)，織物的接觸角從最初的110.395°減小到55.561°；進(jìn)一步延長(zhǎng)處理時(shí)間，在10 min時(shí)織物的接觸角僅為17.813°。從圖5(b)中的結(jié)構(gòu)色照片可以看出，未經(jīng)等離子體處理和分別用等離子體處理1、3 min的織物表面均呈現(xiàn)出較為明亮的結(jié)構(gòu)色，而等離子體處理10 min的織物則顯現(xiàn)出較為暗淡的色彩效果。這說明織物基材的潤濕性能對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)色效果有直接影響，潤濕性過強(qiáng)時(shí)會(huì)造成印花圖案質(zhì)量明顯下降。從保障光子晶體結(jié)構(gòu)色效果的角度出發(fā)，等離子體處理時(shí)間不宜過長(zhǎng)，即織物基材不應(yīng)過于親水。

圖5 經(jīng)等離子體處理不同時(shí)間后基材的接觸角及印花圖案Fig.5 Contact angles (a)and printing patterns (b) of fabrics after plasma treatment at different time

將等離子體處理不同時(shí)間的棉織物分別作為基底，在其表面構(gòu)筑光子晶體生色結(jié)構(gòu)，基底表面所得光子晶體結(jié)構(gòu)色效果及相應(yīng)光子晶體的排列狀況如圖6所示。可以看出：當(dāng)處理時(shí)間為0和1 min時(shí)，織物表面的光子晶體能夠均勻覆蓋織物的經(jīng)紗和緯紗，結(jié)構(gòu)色較為鮮艷；當(dāng)處理時(shí)間增加到3 min時(shí)，結(jié)構(gòu)色更加鮮艷且結(jié)構(gòu)層仍具有均勻的完整度；當(dāng)處理時(shí)間繼續(xù)增加到10 min時(shí)，由于織物的接觸角繼續(xù)減小，其潤濕性能增加，可明顯觀察到光子晶體結(jié)構(gòu)色區(qū)域逐漸變少，也就是說織物表面的光子晶體結(jié)構(gòu)層逐漸變薄，織物底色被暴露出來，最終只有少部分結(jié)構(gòu)色被呈現(xiàn)出來。基于以上分析，可以認(rèn)為若想織物具有較為理想的潤濕性能，同時(shí)又適宜于構(gòu)筑光子晶體生色結(jié)構(gòu)，3 min為最佳等離子體處理時(shí)間。

圖6 等離子體處理不同時(shí)間后織物上所得印花圖案的三維視頻顯微鏡圖像和FESEM圖像Fig.6 3-D microscope images and FESEM images of printing pattern photos after plasma treatment at different time

將光子晶體層從織物表面剝離，利用FESEM觀測(cè)不同等離子體處理時(shí)間下P(St-NMA)微球在織物內(nèi)部的堆積狀況，結(jié)果如圖7所示。可以看出，隨等離子體處理時(shí)間的增加，膠體微球附著在纖維上的數(shù)量不斷增多，且處理時(shí)間越長(zhǎng)，纖維表面附著的微球越多。不難想象，纖維上附著越多的微球，將為后續(xù)微球的堆積提供越堅(jiān)實(shí)的“地基”，最終制備得到的光子晶體也將具備良好的穩(wěn)固性。結(jié)合圖5～7的結(jié)果可以認(rèn)為，當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間為3 min時(shí)，先行滲透進(jìn)織物內(nèi)部的膠體微球?yàn)楹罄m(xù)的微球提供了良好的“地基”，在保證能得到良好結(jié)構(gòu)色效果的前提下可使光子晶體也具有良好的穩(wěn)固性。

圖7 等離子體處理不同時(shí)間后織物上印花圖案經(jīng)剝離后纖維上的FESEM圖像Fig.7 FESEM images of printed pattern on fabric after plasma treatment at different time after stripping

2.4 光子晶體生色結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)及應(yīng)用

2.4.1 彎折牢度評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)彎折實(shí)驗(yàn)來測(cè)試非對(duì)稱潤濕特性紡織基材上光子晶體生色結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，結(jié)果如圖8所示。可以看出，經(jīng)彎折測(cè)試的結(jié)構(gòu)色印花圖案完整性高，折痕處P(St-NMA)光子晶體生色結(jié)構(gòu)無龜裂和脫落。

圖8 結(jié)構(gòu)色印花織物的彎折測(cè)試過程及彎折前后三維視頻顯微鏡圖像(微球粒徑為254 nm)Fig.8 Bending test process (a) and 3-D microscope images before and after bending (b)of structural color printed fabrics (microsphere size 254 nm)

2.4.2 水洗牢度評(píng)價(jià)

圖9示出超聲波水洗前后結(jié)構(gòu)色印花織物的照片及三維視頻顯微鏡圖像。經(jīng)超聲波水洗10 min，織物表面的結(jié)構(gòu)色印花圖案具有高完整性且P(St-NMA) 光子晶體結(jié)構(gòu)色沒有發(fā)生變化。這主要?dú)w因于鹽酸顯著促進(jìn)了光子晶體結(jié)構(gòu)的自交聯(lián)，增強(qiáng)了光子晶體與紡織基材間的結(jié)合牢度。

圖9 超聲波水洗前后結(jié)構(gòu)色印花織物照片及三維視頻顯微鏡圖像(微球粒徑254 nm)Fig.9 Digital camera photos and 3-D microscope images of structural color printed fabrics before (a) and after (b) ultrasonic washing(microsphere size 254 nm)

2.4.3 應(yīng) 用

圖10示出不同粒徑膠體微球印花色漿所得結(jié)構(gòu)色印花織物樣品的照片。可以看出，不同粒徑膠體微球結(jié)構(gòu)色印花色漿在棉織物上印制的圖案呈現(xiàn)鮮艷的紅色、綠色和藍(lán)色。

圖10 不同粒徑膠體微球印花色漿所得結(jié)構(gòu)色印花織物樣品照片F(xiàn)ig.10 Photos of structural color printed fabric samples obtained from printing pastes with different particle sizes

光子晶體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的機(jī)制在光學(xué)上遵循布拉格(Bragg)衍射定律和斯涅爾(Snell)衍射公式[10,12-14]：

式中：λmax為衍射波長(zhǎng)，nm；dhkl為晶面間距，nm；m為衍射級(jí)數(shù)；navg為平均有效折光指數(shù)；θ為入射光與樣品表面法線之間的夾角，(°)。晶面間距dhkl可由微球的平均粒徑D來表示：

式中，h、k、l表示晶體結(jié)構(gòu)中的晶面指數(shù)。

由上式可知，在其他參數(shù)不變的情況下，光子禁帶紅移或藍(lán)移是由微球粒徑增大或減小而導(dǎo)致的，進(jìn)而產(chǎn)生不同顏色的結(jié)構(gòu)色，因此，當(dāng)印花色漿中P(St-NMA)膠體微球粒徑從316 nm減少至209 nm后，結(jié)構(gòu)色色相由紅色轉(zhuǎn)變成藍(lán)色。結(jié)構(gòu)色印花圖案的反射率曲線(見圖11)也相應(yīng)驗(yàn)證了光子帶隙的變化，驗(yàn)證了當(dāng)微球粒徑減小，會(huì)產(chǎn)生藍(lán)移現(xiàn)象。

圖11 不同粒徑膠體微球所得結(jié)構(gòu)色印花織物樣品的反射率曲線Fig.11 Reflectance curves of structural color printed fabric samples obtained by colloidal microspheres with different particle sizes

3 結(jié) 論

本文采用具有自交聯(lián)特性的聚(苯乙烯-N-羥甲基丙烯酰胺)(P(St-NMA))微球?yàn)橹饕煞峙渲朴』ㄉ珴{，利用等離子體技術(shù)獲得具有非對(duì)稱潤濕特性的柔性紡織基材，然后利用絲網(wǎng)印花法在具有非對(duì)稱潤濕特性的紡織基材上構(gòu)筑光子晶體生色結(jié)構(gòu)，并對(duì)光子晶體的穩(wěn)固性進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)一步探究了微球粒徑對(duì)結(jié)構(gòu)色色相的影響規(guī)律，主要得到如下結(jié)論。

1) 當(dāng)印花色漿P(St-NMA)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%、自交聯(lián)促進(jìn)劑鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時(shí)，色漿印制后可得到結(jié)構(gòu)色較為鮮艷且結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)固的光子晶體。

2) 利用低溫氧等離子體對(duì)已經(jīng)過拒水整理的棉織物進(jìn)行處理，當(dāng)?shù)入x子體處理時(shí)間為3 min時(shí)，基材正面的接觸角為56°，反面接觸角則為110°，可獲得具有非對(duì)稱潤濕特性的紡織基材，在基材正面可構(gòu)筑得到兼顧結(jié)構(gòu)色效果和結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的光子晶體。

3) 設(shè)計(jì)摩擦、水洗和彎折實(shí)驗(yàn)測(cè)試非對(duì)稱潤濕特性紡織基材上光子晶體的穩(wěn)固性，摩擦、水洗和彎折前后光子晶體未發(fā)生明顯脫落，結(jié)構(gòu)色依舊較為明亮，說明非對(duì)稱潤濕特性紡織基材上構(gòu)筑的自交聯(lián)性光子晶體具有良好的穩(wěn)固性。

4) 利用絲網(wǎng)印花法在具有非對(duì)稱潤濕特性的紡織基材上構(gòu)筑所得光子晶體的結(jié)構(gòu)色會(huì)隨印花色漿中膠體微球粒徑的減小而發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，符合布拉格衍射定律。

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