負載色素型膠體微球的結構生色墨水的制備

馮偉 魯鵬 張星月 李曉雯 劉國金 周嵐

摘 要： 為了實現白色紡織基材的結構生色，在不對基材進行底色處理的前提下，利用數碼噴印技術將含有色素的膠體微球墨水施加于基材上，經自組裝構筑得到光子晶體結構色。采用三步法制備負載色素型膠體微球——分散染料/聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸）/聚（苯乙烯-N-羥甲基丙烯酰胺）（分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA）），以其為主要組分并復配添加劑配置成結構生色墨水，將結構生色墨水應用于白色紡織品數碼噴墨印花。分析分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA）微球的性能，優化結構生色墨水體系，并將所配墨水在白色紡織品上進行數碼噴印。結果表明：負載色素的膠體微球單分散性良好、粒徑均一可控、球形度良好，具有良好的穩定性。當微球質量分數為1.5%、pH值為7、表面張力調節劑烯丙醇體積分數為0～0.5%、黏度調節劑聚丙烯酰胺體積分數為0～10.0%時，可制得噴印效果優良的負載色素型結構生色墨水；利用該墨水通過數碼噴印可在白色基底的紡織品上制得色彩鮮艷的光子晶體結構色圖案。該研究為白色底色紡織基材結構生色光子晶體的構筑提供了理論依據。

關鍵詞： 光子晶體；色素色；負載色素型膠體微球；數碼噴?。晃⑶蚰?/p>

中圖分類號： TS195.644

文獻標志碼： A

文章編號： 1673-3851 （2023） 07-0420-11

引文格式：馮偉，魯鵬，張星月，等. 負載色素型膠體微球的結構生色墨水的制備［J］. 浙江理工大學學報（自然科學），2023，49（4）：420-430.

Reference Format： FENG Wei， LU Peng， ZHANG Xingyue， et al. Preparation of structural coloring ink loaded with pigment colloidal microspheres［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（4）：420-430.

Preparation of structural coloring ink loaded with pigment colloidal microspheres

FENG Wei1a， LU Peng1a， ZHANG Xingyue1a， LI Xiaowen1a， LIU Guojin1a，1b， ZHOU Lan1a，2

（1a.MOE Key Laboratory of Advanced Textile Material and Preparation Technology; 1b.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Fiber Materials and Manufacturing Technology， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China; 2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Green Cleaning Technology and Washing Products， Lishui 323000， China）

Abstract：? In order to realize the color generation of the white textile substrate， the colloidal crystal ink containing pigment was applied to the substrate by digital jet printing technology without the background treatment of the substrate， and the photonic crystal schemochrome was constructed by self-assembly. The pigment-loaded colloidal microsphere-disperse dye/poly （styrene-butyl acrylate-methacrylic acid）/poly （styrene-N-hydroxymethylacrylamide） （disperse dye/P （St-BA-MAA）/P（St-MMA）） was prepared by a three-step method. The structural chromogenic ink was prepared by using it as the main component and compounded with additives. The structural chromogenic ink was applied to digital ink-jet printing of white textiles. We analyzed the properties of disperse dye/P （St-BA-MAA）/P （St-MMA） microspheres， optimized the structural chromogenic ink? system， and digitally printed the ink on white textiles. The results show that the colloidal microspheres loaded with pigment have good monodispersity， uniform and controllable particle size， and good sphericity and stability. When the mass fraction of the microsphere is 1.5%， the pH value is 7， the volume fraction of the surface tension regulator allyl alcohol is 0～0.5%， and the volume fraction of the viscosity regulator polyacrylamide is 0～10.0%， the pigment-loaded structured chromogenic ink with excellent spray printing effect can be prepared. The ink can be used for digital printing to produce colorful photonic crystal structure color patterns on white textiles. This study provides a theoretical basis for the construction of color-generating photonic crystals with white textile substrate structure.

Key words： photonic crystal; pigment color; pigment-loaded colloidal microspheres; digital jet printing; microsphere printing ink

0 引 言

光子晶體［1］具有光子禁帶特性的人造“晶體”結構。由于光子禁帶的存在，光子晶體具有禁止某波段電磁波進入晶體的特性［2］。當入射光的波段在可見光范圍時，光子禁帶會選擇性反射其禁帶效應位置的光，這部分光在晶體結構中形成衍射，從而產生結構色效果。光子晶體結構生色因其艷麗的結構色色彩受到了越來越多的關注［3］。

以納米微球為結構基元自組裝而成的光子晶體在紡織品著色方面顯示了巨大的應用潛力［4］。在圖案化光子晶體的研究中，相較于重力沉降法、噴涂法等自組裝法，數碼噴印法具有操作簡單、按需噴印、形狀可控且無需模板等優點。采用數碼噴印的方式構筑光子晶體可以顯著提高結構生色材料的制備效率、可控性，是一種符合工業化應用的加工方式［5-6］。

隨著光子晶體結構色在紡織品領域的研究逐漸深入，研究者發現：光子晶體結構色中若無色素色存在，其結構色效果并不明顯，且顏色泛白嚴重［7-9］；將色素色與結構色相結合，有望得到類似蝴蝶翅膀的色彩繽紛的結構色［10-12］。常見的處理方式是預先用色素色對紡織基材進行著色，但這種方式存在效率低、耗時長和產生大量印染廢水等缺點，不利于光子晶體結構色在紡織品上的應用［13］。為此，研究者通過將色素色與微球乳液摻雜，將色素色引入光子晶體結構色體系中。Takeoka等［14］通過向SiO2微球乳液中摻入少量炭黑（CB）來提高結構色的顏色飽和度，并詳細研究了CB用量對于光子晶體結構色的影響。Hu等［15］向SiO2乳液中摻雜CB和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制備出一種油墨，通過聚合物輔助膠體組裝法（PACA）獲得色彩鮮艷的結構色圖案。Zhou等［16］、Wang等［17］和陳洋［18］均通過在膠體微球乳液中摻入少量黑色素（CB、聚多巴胺、黑色有機染料等）來吸收散射光，增強色彩鮮艷度。上述研究實現了白色基材上的光子晶體結構生色，但摻雜的方式仍存在色素和膠體微球共混不勻、色素擾動膠體微球自組裝等問題，因而需尋找新的色素與結構色結合的方式。

本文將不同色系染料與光子晶體結構基元結合，制備單分散性良好、粒徑均一可控、球形度好的負載色素型膠體微球——分散染料/聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸）/聚（苯乙烯-N-羥甲基丙烯酰胺）（分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA）），并通過加入pH調節劑、黏度調節劑和表面張力調節劑配制出性能優良的結構生色墨水，測試墨水的穩定性，最后經數碼噴印技術在紡織品上實現光子晶體的多色噴印。本文提出的方法可為白色底色紡織基材結構生色光子晶體的構筑提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑和儀器

材料：白色滌綸織物（白色平紋、平方米質量135 g/m2），當地面料市場購買。

試劑：苯乙烯、α-甲基丙烯酸、丙烯酸丁酯（St，MAA，BA， 上海麥克林生化科技有限公司）；分散染料（浙江吉華集團股份有限公司）；去離子水（實驗室自制）。

儀器：納米粒度及分子量分析儀（Zetasizer Nano ZS，英國Malvern公司）；場發射掃描電子顯微鏡（FESEM，ULTRA55，德國Carl Zeiss公司）；標準光源箱（Judge-Ⅱ，美國X-Rite公司）；視頻接觸角張力儀（Easy Dro，德國KRUSS公司）；三維視頻顯微鏡（KH-7700，美國科視達（中國）有限公司）；紫外-可見分光光度計（Lambda-35，英國鉑金埃爾默公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 負載色素型膠體微球的制備

采用三步法制備負載色素型膠體微球。首先采用無皂乳液聚合法制備負電型聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸）（P（St-BA-MAA））微球，再將其作為載體通過溶脹吸附法制備有色微球（分散染料/P（St-BA-MAA）），最后通過種子乳液聚合法制備分散染料/聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸）/聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯）（分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA））微球，制得負載色素型膠體微球。負載色素型膠體微球制備制備流程如圖1所示。

P（St-BA-MAA）微球的制備：向三口燒瓶中加入50.0 g苯乙烯（St）、1.5 g丙烯酸正丁酯（BA）、4.5 g甲基丙烯酸（MAA）和500.0 g去離子水，將三口燒瓶放入恒溫水浴鍋中以300 r/min轉速攪拌；升溫，待溫度升到85 ℃時，加入0.25 g引發劑過硫酸鉀（KPS），在氮氣保護下反應12 h后結束；待分散液冷卻至室溫，用孔徑為350 nm的濾網過濾，即制得負電型P（St-BA-MAA）微球乳液。

分散染料/P（St-BA-MAA）微球制備：將3.0 mg分散染料加入10.0 g P（St-BA-MAA）微球乳液中，超聲分散30 min；將乳液轉移至染缸中放入紅外試色機中；染色工藝為10 ℃/min升溫至50 ℃，保溫15 min，繼續升溫至120 ℃，恒溫4 h，以15 ℃/min冷卻至室溫，即得到分散染料/P（St-BA-MAA）微球乳液；取出乳液，通過離心清洗未被吸附的染料，即制得分散染料/P（St-BA-MAA）微球。

分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA）微球制備：將所制備的分散染料/P（St-BA-MAA）微球乳液作為種子乳液進行聚合包覆；取20.0 g微球乳液于三口燒瓶中，在330 r/min下攪拌，升溫至85 ℃后加入0.2 g APS，將10.0 g St和0.2 g MMA混合液加入恒壓滴液漏斗中，以3 min/滴的速率加入三口燒瓶中，恒溫反應 4 h；取出乳液，通過離心清洗未被吸附的染料，即制得分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA）微球。

1.2.2 負載色素型膠體微球型結構生色墨水的配制

以制備的分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MAA）微球為著色劑，分別添加質量分數0.02%的表面張力調節劑、體積分數0.02%的黏度調節劑、pH值調節劑（1 mol/L HCL、1 mol/L NaOH）和去離子水，超聲分散30 min，待均勻分散后，即制得負載色素型結構生色墨水。

1.2.3 負載色素型膠體微球結構生色墨水的數碼噴印自組裝

將配制的結構生色墨水裝入數碼噴印的儲墨盒中，利用數碼墨水噴印系統將墨水根據所需的路線沉積在基材上；數碼噴印自組裝示意圖如圖2所示。噴印時，紡織基材固定在平板上，噴嘴內徑0.21 mm，噴印間隙5.00 mm。噴印完成后，將紡織基材轉移至的75 ℃烘箱中放置10 min后，即可在基材上制得圖案化光子晶體。

1.3 測試與表征

1.3.1 微球粒徑及其分布計算

取不同粒徑的微球乳液進行超聲分散處理，將其稀釋至透明狀，放入比色皿中。利用馬爾文激光粒度儀測試其水合粒徑及單分散性；每組測3次，取平均值為微球粒徑。微球的單分散指數（Polymer dispersity index，PDI）可根據式（1）計算：

IPD=σ2Z2D（1）

其中：IPD表示微球的單分散指數；ZD為膠體微球水合粒徑，σ為微球粒徑的標準偏差。單分散性通常與PDI數值成反比，當IPD≤0.08時，說明微球單分散性較好。

1.3.2 膠體微球形貌觀察

將膠體微球乳液用去離子水稀釋至半透明狀，用10 μL移液槍滴定到基材上，放入60 ℃干燥箱中去除水分，將基材貼于樣品臺，使用場發射掃描電鏡對微球的微觀形貌進行觀察。測試條件：放大倍數20000倍，工作電壓3.0 kV。

1.3.3 紡織基材的表面形貌

利用三維視頻顯微鏡觀察紡織基材的表面形貌，測試倍數為50～200倍。

1.3.4 光子晶體的形貌

利用場發射掃描電鏡對紡織基材上構筑的光子晶體結構進行觀察，測試電壓為3.0 kV，倍數為20000倍。

1.3.5 光子晶體結構色的效果

利用三維視頻顯微鏡觀察在基材上構筑的光子晶體結構色的顏色，倍數為50～200倍，觀察樣品90°方向的形貌。

利用紫外-可見分光光度計測量在基材上構筑的光子晶體結構色的顏色，觀察角度為垂直樣品90°方向。

1.3.6 墨水性能的表征

表面張力：取一定量結構生色墨水，利用視頻接觸角張力儀測試其表面張力。測試中液滴的體積約為3.0 μL，溫度為25 ℃。

pH值：取一定量配制好的結構生色墨水放置在樣品瓶中，在室溫條件下利用pH計測試墨水的pH值，每組測3次，取平均值。

黏度測試：取一定量結構生色墨水，利用旋轉流變儀測試其黏度，溫度為25 ℃，剪切速率為500 s-1，每組測20個點，取平均值。

穩定性測試：取等量不同粒徑的兩種結構基元微球乳液，利用Zeta電位分析儀測試其膠體穩定性，每組測3次，取其平均值；然后在室溫環境下密封保存，分別觀察不同時間后其體系的穩定性，并使用馬爾文激光粒度儀對其粒徑及單分散性變化進行測試。

2 結果與討論

2.1 負載色素型膠體微球的性能分析

分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA）微球的粒徑分布和FESEM圖像如圖3所示。由圖3（a）可見，微球的粒徑分布相對集中，215、237、275 nm和306 nm微球的分散性指數分別為0.02、0.04、0.06和0.05。由圖3（b）可知，制備得到的微球球形度良好，為后續構筑規整的光子晶體提供了必要條件。

2.2 結構生色墨水體系的構建

2.2.1 膠體微球質量分數的優化

在結構生色墨水中，微球作為墨水體系中著色劑，其質量分數將直接影響光子晶體生色結構，適宜的微球質量分數還能防止噴頭堵塞、保護噴印設備。圖4和圖5分別為不同質量分數微球墨水噴印所構建光子晶體結構色的顯微鏡圖像和FESEM圖像。由圖4（a）可見：當膠體微球質量分數為0.1%時，可以明顯看到基材的底色（白色），這是由于微球質量分數較低，微球不能全部覆蓋在基材表面，致使所構建的光子晶體結構色效果不佳；同時，膠體微球在織物上較為松散，沉積不均勻，并未組裝形成長程有序的結構。由圖4（b）—（d）可見：隨著微球質量分數的逐漸升高，光子晶體結構色逐漸明顯，微球對基材表面的覆蓋程度也逐漸增大；同時，滌綸織物表面上的微球所組成的結構逐漸規整，但仍然存在空穴。當微球質量分數為1.5%時，由圖4（d）和圖5（d）可見，微球較完整地覆蓋在基材表面，可以十分清晰地觀察到基材的紋路，所構建光子晶體所呈現出的結構色顏色鮮艷。由圖4（e）和圖5（e）可見，當膠體微球的質量分數達到2.0%，微球數量過多使微球在基材上的覆蓋不均，導致了光子晶體厚度不一。其結構色顏色效果也隨之變差。因此，本文負載色素色結構生色墨水中納米微球質量分數宜控制在1.5%左右。

2.2.2 pH值調節劑體積分數的優化

數碼噴印中墨水性能易受環境pH值的影響，從而影響噴印效果。因此，調節墨水pH值是配制負載色素型結構生色墨水十分重要的一步。圖6和圖7分別為不同pH值負載色素型墨水在白色基材織物上通過噴印自組裝所得樣品的3D顯微鏡照片和FESEM圖。由圖6（a）和圖7（a）可見，當pH值較低時，其光子晶體結構色顏色暗淡，微球的間隔較大、排列較分散，圖案結構遭到一定程度的破壞；由圖6（e）和圖7（e）可見，當pH值較高時，隨著堿性的增強，微球之間的間距變大，光子晶體排列結構遭到破壞，結構色圖案遭到破壞程度逐漸嚴重，結構色效果逐漸變差；由圖6（b）—（d）和圖7（b）—（d）可見，當pH=7時，光子晶體結構色顏色鮮艷，圖案輪廓清晰，可以清楚地觀察到基材的紋路。

2.2.3 表面張力調節劑體積分數的優化

表面張力作為墨水一個的重要指標，直接影響墨水在基材上的流動性能，從而影響墨水在基材上噴印自組裝的效果。本文選擇表面張力為24.5 mN/m（25 ℃）的烯丙醇作為墨水體系中的表面張力調節劑。圖8為不同用量的烯丙醇對墨水的表面張力影響。從圖8可看出，隨著烯丙醇體積分數的增加，所配制墨水的表面張力逐漸減小。結合圖9中對應結構色的效果可知，未添加烯丙醇時，墨水的表面張

力為70.12 mN/m，結構色效果良好。隨著烯丙醇體積分數增至0.5%，表面張力從70.12 mN/m減小至62.54 mN/m，結構色效果并未發生太大變化，顏色鮮艷明亮，此范圍的表面張力對墨水構建光子晶體結構色幾乎沒有產生太大影響；當烯丙醇體積分數為1.0%時，表面張力減小至53.82 mN/m，此時，其結構色效果變差，結構色顏色暗淡，在基材上的圖案出現缺陷和細小的裂紋等現象；當烯丙醇體積分數為1.5%和2.0%時，表面張力分別減小至37.80 mN/m和36.48 mN/m，在基材上的圖案出現了分布不勻以及破損情況。圖10為圖9中光子晶體結構色的FESEM圖像。當烯丙醇體積分數為0%～0.5%時，膠體微球排列規則有序；當烯丙醇體積分數超過0.5%，微球之間規則有序的排列逐漸變得雜亂，出現縫隙和空缺，這將影響光子晶體整體結構，導致部分區域的結構色效果變差，其原因是隨著墨水中烯丙醇體積分數的增大，加快了墨滴在紡織基材上的滲透速率，在一定程度上影響了膠體微球在滌綸上的有序組裝，排列疏松散亂，導致結構色顏色變差。綜上，將負載色素型結構生色墨水的表面張力控制在62.54～70.12 mN/m（烯丙醇體積分數0%～0.5%），有助于得到效果優良的結構色。

2.2.4 黏度調節劑體積分數的優化

黏度是流體流動阻力的量度指標，也是墨水體系中重要參數。若墨水的黏度過高，會導致噴印設備噴頭的堵塞。因此，需要對墨水的黏度進行調控。選取聚丙烯酰胺為墨水黏度調節劑。圖11為不同聚丙烯酸酰胺體積分數墨水構建的光子晶體結構色顯微鏡圖像，表1為不同聚丙烯酰胺用量對應的負載色素型微球墨水黏度。由圖11和表1可見，當聚丙烯酰胺體積分數從0%增加到5.0%時，墨水黏度為4.32～11.48 mPa·s，結構色顏色均鮮艷明亮，分布均勻，黏度的改變未對其結構色效果產生較大影響；而當聚丙烯酰胺體積分數為10.0%和20.0%時，墨水黏度大于12.03 mPa·s，所構建的光子晶體結構色顏色逐漸消失，光子晶體圖案出現色調不一致現象。由圖12可見：當聚丙烯酰胺體積分數為0%～5.0%時，膠體微球規則有序緊密排列；當聚丙烯酰胺體積分數超過5.0%時，微球排列逐漸變得無序散亂，微球間距差異較大，結構色顏色消失。因此，黏度過高會促使微球預組裝，無法形成均勻堆積結構，呈無序散亂排列，結構色顏色變差。當負載色素型墨水黏度在4.32～11.48 mPa·s時，所構建的光子晶體結構色效果最佳。

2.3 負載色素型結構生色墨水穩定性分析

表2為不同粒徑負載色素型膠體微球結構生色墨水的Zeta電位值，圖13為不同時間段負載色素型結構生色墨水的Zeta電位變化直方圖。由表2和圖13可見，隨著放置時間的增加，其Zeta電位雖出現不同幅度的波動，但Zeta電位值均低于-30 mV，說明結構生色墨水均可以長期儲存。

圖14為不同粒徑的負載色素型微球墨水在不同時間段的粒徑變化直方圖。由圖14可見，隨放置時間的增加，墨水中微球粒徑無明顯變化。圖15為不同粒徑的負載色素型微球墨水在不同時間段的單分散指數變化直方圖。由圖15可見，墨水的單分散性也均小于0.08，未出現團聚，說明所配置的結構生色墨水具有良好的儲存穩定性。

2.4 負載色素型結構生色墨水在紡織基材上的應用

圖16為不同負載色素型結構生色墨水數碼噴印所構建的光子晶體結構色的顯微鏡圖像。由圖16可以觀察到，不同的結構生色墨水在白色滌綸上噴印所得圖案顏色鮮艷明亮，通過改變染料色相和微球粒徑，進而可產生不同的結構色效果。

傳統數碼印花“CMYK模式”配色系統是由兩種及以上墨水配色得到所需的顏色；為研究光子晶體在同一圖案上的多色噴印，配置兩種同一粒徑不同顏色的結構生色墨水，通過調控墨水噴印比例對光子晶體數碼噴印中的多色噴印進行分析。圖17為兩種分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA）307nm微球墨水多色噴印所得光子晶體圖案。由圖17可見，不同比例的墨水所噴印出的光子晶體圖案存在明顯差異，光子晶體在同一圖案呈現出兩種及以上的顏色效果。當兩種墨水未拼混時，噴印所得圖案色彩鮮艷明亮，呈現綠色（圖17（a））和黃色（圖17（e））；當以3∶7混合后進行噴印時，兩種墨水各自在噴印區域呈現自身所構建的光子晶體結構色顏色，而在其混合區域出現了不同比例的混合中間色；當比例為5∶5時，兩種墨水的混合程度變大，所得圖案的顏色呈現具有漸變效果。

圖18為兩種分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA） 307 nm微球墨水多色噴印所得光子晶體圖案，由圖18可見，利用負載色素型結構生色墨水可以實現光子晶體在數碼噴印上的多色噴印，光子晶體在同一圖案上可實現多色化。

3 結 論

本文以分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA）微球為主體，配制負載色素型結構生色墨水，分析采用三步法制備的負載色素型膠體微球的性能，調控墨水的微球質量分數、pH值、墨水表面張力和黏度值，最后將所配制的負載色素型墨水進行數碼噴印，對所得圖案的結構色效果進行評價，主要結論如下：

a）制備的負載色素型膠體微球——分散染料/P（St-BA-MAA）/P（St-MMA）微球單分散性良好、粒徑均一可控，球形度良好并具有良好的穩定性。

b）當墨水中微球質量分數為1.5%、pH值為7、烯丙醇體積分數為0%～0.5%、聚丙烯酰胺體積分數為0%～10.0%時，配制所得墨水的噴印效果優良。該體系中，墨水表面張力為62.54～70.12 mN/m，黏度為4.32～11.48 mPa·s，可在白色紡織基材上構筑出色彩艷麗的光晶體結構色。

c）將負載色素型結構生色墨水在白色紡織基材上數碼噴印可制得光子晶體結構色圖案，根據布拉格衍射方程，通過調控微球的粒徑可產生絢麗多彩的結構色效果。將兩種及以上結構生色墨水數碼噴印在紡織基材上，可獲得顏色鮮艷明亮、在同一圖案中呈現具有多種不同顏色的結構色圖案，實現光子晶體在紡織基材上的多色噴印。

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（責任編輯：張會巍）

收稿日期： 2022-11-12? 網絡出版日期：2023-03-01網絡出版日期

基金項目： 國家自然科學基金項目（52003242）；浙江省自然科學基金項目（LY20E030006，LQ19E030022）；國家重點研發計劃政府間國際科技創新合作重點專項項目（2022YFE0125900）;國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202010338003）

作者簡介： 馮 偉（1998- ），男，山西臨汾人，碩士研究生，主要從事仿生材料設計與制備方面的研究。

通信作者： 周 嵐，E-mail：lan_zhou330@163. com