光子晶體結(jié)構(gòu)生色真絲織物的制備及應(yīng)用研究

Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photonic crystals

摘要：

為實(shí)現(xiàn)真絲織物的結(jié)構(gòu)生色，文章分別利用真空輔助過(guò)濾法和手繪法在白色真絲織物上構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步探究真空輔助過(guò)濾法中微球組裝液體積濃度對(duì)結(jié)構(gòu)色的影響規(guī)律，分析微球在真絲織物上形成光子晶體運(yùn)動(dòng)機(jī)制，討論真絲織物上光子晶體結(jié)構(gòu)色的虹彩效應(yīng)，并探究手繪法在真絲織物光子晶體結(jié)構(gòu)生色中的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：真空輔助過(guò)濾法中聚（苯乙烯甲基丙烯酸），即P（St-MAA）微球組裝液的體積濃度為2.4 L/m2時(shí)，真絲織物的兩面能同時(shí)獲得光子晶體結(jié)構(gòu)色，此時(shí)正反面結(jié)構(gòu)色的反射率峰值在18%左右;在真空輔助過(guò)濾法中，P（St-MAA）微球在真絲織物上形成光子晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程遵循“先反后正”堆積原則，即織物反面先形成光子晶體，隨后微球進(jìn)一步透過(guò)織物堆積在正面。此外，該光子晶體結(jié)構(gòu)生色真絲織物的虹彩效應(yīng)不明顯，與常規(guī)染料或顏料著色效果接近;手繪法可以獲得圖案化的光子晶體生色結(jié)構(gòu)，較適合于個(gè)性化加工。該研究為光子晶體結(jié)構(gòu)生色在真絲織物著色中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：

真絲織物;光子晶體;結(jié)構(gòu)生色;真空輔助過(guò)濾法;手繪法

中圖分類(lèi)號(hào)：

TS193.57

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A

文章編號(hào)： 10017003（2024）05期數(shù)0032起始頁(yè)碼08篇頁(yè)數(shù)

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2024.05期數(shù).005（篇序）

收稿日期：

20230920;

修回日期：

20240328

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52003242）;中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2023M744122）;山東省“博新計(jì)劃”項(xiàng)目（SDBX2023084）

作者簡(jiǎn)介：

向嬌嬌（1998），女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣庾泳w結(jié)構(gòu)色、紡織品后整理。通信作者：柴麗琴，實(shí)驗(yàn)師，博士，chailiqin0101@163.com。

光子晶體是一類(lèi)由不同介電常數(shù)的材料周期性排列組成的納米微結(jié)構(gòu)，具有光子帶隙，能夠與光發(fā)生衍射作用產(chǎn)生明亮的結(jié)構(gòu)色［1-3］。相比于傳統(tǒng)的化學(xué)染色，光子晶體結(jié)構(gòu)色綠色環(huán)保，在紡織品著色領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值［4-5］。以膠體微球?yàn)楣庾泳w結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑基元，利用自組裝技術(shù)在紡織基材上構(gòu)筑光子晶體，并實(shí)現(xiàn)紡織品著色的研究屢見(jiàn)不鮮，尤其以重力沉降、垂直沉積等浸漬法為代表［6-8］。如柳浩等［9］利用浸漬提拉法在碳纖維/滌綸混紡紗線(xiàn)上制備出顏色鮮艷的光子晶體結(jié)構(gòu)色;Zhang等［10］通過(guò)單分散SiO2微球的垂直沉積自組裝成功在滌綸織物上獲得了結(jié)構(gòu)色。然而，浸漬法存在效率低、能耗高、對(duì)設(shè)備要求高等弊端。為此，亟待開(kāi)發(fā)在紡織品上快速構(gòu)筑光子晶體生色結(jié)構(gòu)的方法。

真空輔助過(guò)濾法具有操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求低、制備流程短、易于控制等顯著特點(diǎn)，這種方法在紡織品著色領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［11-13］。基于此，本文通過(guò)抽真空時(shí)形成的負(fù)壓實(shí)現(xiàn)膠體微球與分散介質(zhì)的分離，使膠體微球快速在紡織品表面堆積形成光子晶體結(jié)構(gòu)。然而，膠體微球在真空輔助過(guò)濾條件下在紡織基材上形成光子晶體的工藝條件及成型機(jī)制還未被提及和研究。而通過(guò)優(yōu)化工藝條件和探究制備過(guò)程是深入分析真空輔助過(guò)濾法在紡織基材上構(gòu)筑光子晶體生色結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，因此，該過(guò)程為真空輔助過(guò)濾法制備光子晶體結(jié)構(gòu)生色棉織物提供了可行性。

圖案化結(jié)構(gòu)色在顯示器、防偽、紡織品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［14-15］。目前噴墨打印技術(shù)、噴涂法等在制備圖案化結(jié)構(gòu)色方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但要求設(shè)備精細(xì)且制備工序復(fù)雜［16-18］。受素描、繪畫(huà)等圖案化染色方式的啟發(fā)，本文提出以膠體微球組裝液為介質(zhì)，通過(guò)手繪法在紡織基材表面快速構(gòu)筑光子晶體實(shí)現(xiàn)圖案化結(jié)構(gòu)色效果。手繪法不僅簡(jiǎn)便易操作，還可根據(jù)需求進(jìn)行個(gè)性化和批量化設(shè)計(jì)，為光子晶體結(jié)構(gòu)色的圖案化提供了策略支撐［19］。

本文以膠體微球結(jié)構(gòu)生色組裝液為媒介，通過(guò)真空輔助過(guò)濾法和手繪法在真絲織物上快速構(gòu)筑光子晶體生色結(jié)構(gòu)。優(yōu)化真空輔助過(guò)濾法中微球組裝液的用量，探究真空輔助過(guò)濾法中P（St-MAA）膠體微球在真絲織物上的成型機(jī)制，并對(duì)比分析真空輔助過(guò)濾法和手繪法間的異同性。以期為光子晶

體結(jié)構(gòu)生色在紡織品著色中的應(yīng)用提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

1" 材料與方法

1.1" 材料與儀器

主要材料：平均粒徑180～350 nm的單分散P（St-MAA）膠體微球（實(shí)驗(yàn)室自制），黑色、工業(yè)級(jí)酸性染料（湖北信康醫(yī)藥化工有限公司），分析純乙醇（上海麥克林生化科技有限公司），電導(dǎo)率18 MΩ/cm去離子水（實(shí)驗(yàn)室自制），平均孔徑0.1 μm的親水聚四氟乙烯（PTFE）過(guò)濾膜（龍津膜業(yè)科技有限公司），白色、平紋組織、平方米質(zhì)量88.8 g/m2的真絲織物（淄博大染坊絲綢集團(tuán)有限公司），毛筆（晨光文具店）。

主要儀器：SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵（杭州惠創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司），TG18G型臺(tái)式高速離心機(jī)（鹽城市凱特實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），ULTRA55型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）（德國(guó)蔡司公司），MA98型多角度分光光度儀（美國(guó)X-Rite公司），Lambda900型紫外可見(jiàn)分光光度儀（美國(guó)珀金埃爾默公司），KH-7700型三維（3D）視頻顯微鏡（日本浩視有限公司），Mate Pro 30型華為手機(jī)（中國(guó)華為技術(shù)有限公司）。

1.2" 方" 法

1.2.1" P（St-MAA）膠體微球組裝液的配制

將實(shí)驗(yàn)室自制的P（St-MAA）膠體微球乳液［20］經(jīng)乙醇和去離子水多次離心清洗（離心速率10 000 r/min，時(shí)間30 min），去除上清液后得到白色濕態(tài)產(chǎn)物，隨后將濕態(tài)產(chǎn)物與去離子水共混得到濃度為10%（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）的P（St-MAA）膠體微球預(yù)組裝液。以預(yù)組裝液為主體，向其中選擇性加入一定量的黑色染料（1%～9%）作為輔助劑，攪拌均勻后獲得P（St-MAA）膠體微球組裝液。

1.2.2" 光子晶體結(jié)構(gòu)生色真絲織物的制備

1） 真空輔助過(guò)濾法。采用真空輔助過(guò)濾法制備光子晶體結(jié)構(gòu)生色真絲織物，如圖1所示。由圖1可以看出，將親水PTFE過(guò)濾膜、真絲織物依次放置在砂芯過(guò)濾器上，隨后使用夾子固定抽濾杯與砂芯過(guò)濾器。向抽濾杯中倒入一定量的P（St-MAA）膠體微球組裝液，并開(kāi)啟真空泵，保持真空壓力在0.06～0.07 MPa。當(dāng)抽濾杯中沒(méi)有P（St-MAA）膠體微球組裝液時(shí)，將真絲織物從砂芯過(guò)濾器上取出，于70～80 ℃烘箱中干燥，得到具有光子晶體生色結(jié)構(gòu)的真絲織物。本文將真絲織物與過(guò)濾膜接觸的一面稱(chēng)為“反面”，另一面稱(chēng)為“正面”。

2） 手繪法。以1.2.1中的P（St-MAA）膠體微球組裝液為結(jié)構(gòu)生色顏料，利用毛筆在白色真絲織物上繪制各種圖案，經(jīng)70～80 ℃烘箱干燥后取出，即可在真絲織物上獲得圖案化的光子晶體。

1.3" 測(cè)試與表征

1.3.1" 真絲織物表面光子晶體排列觀(guān)測(cè)

采用FESEM觀(guān)察形成光子晶體結(jié)構(gòu)前后真絲織物的形貌，測(cè)試時(shí)剪取一小部分負(fù)載P（St-MAA）膠體微球的真絲織物，貼于電鏡樣臺(tái)，經(jīng)過(guò)中空鍍金儀鍍金后，使用FESEM觀(guān)察P（St-MAA）膠體微球在真絲織物上的排列狀態(tài)。鍍金儀工作電流為20 mA，鍍金時(shí)間為80 s。FESEM測(cè)試時(shí)工作電壓為1.5 kV。

1.3.2" 真絲織物表面光子晶體結(jié)構(gòu)色的呈色效果測(cè)試

采用數(shù)碼相機(jī)和KH-7700型三維（3D）視頻顯微鏡觀(guān)察真絲織物上光子晶體結(jié)構(gòu)色的明亮性和均勻性。采用Lambda 900型紫外可見(jiàn)分光光度儀測(cè)試結(jié)構(gòu)色的反射率曲線(xiàn)。采用MA98型多角度分光光度儀測(cè)試真絲織物表面光子晶體結(jié)構(gòu)色的虹彩效應(yīng)。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 真空輔助過(guò)濾用組裝液體積濃度的優(yōu)化

真空輔助過(guò)濾組裝過(guò)程中，組裝液體積濃度是影響真絲織物上光子晶體結(jié)構(gòu)色成型的重要因素。圖2為不同組裝液體積濃度下P（St-MAA）膠體微球在真絲織物上排列的

FESEM圖像，其中組裝液所能覆蓋的面積為半徑2 cm的圓形真絲織物，P（St-MAA）膠體微球的粒徑為223 nm。由圖2（a～c）可以看出，當(dāng)組裝液體積濃度為0.4～1.6 L/m2（組裝液體積與織物面積的占比）時(shí)，P（St-MAA）膠體微球分布凌亂，難以完全覆蓋纖維，無(wú)法構(gòu)筑大面積的光子晶體結(jié)構(gòu);隨著組裝液體積濃度的增加（2.4～4.0 L/m2），膠體微球完全覆蓋真絲織物正反兩面，且微球在局部范圍分布有序，這主要是因?yàn)檎婵蛰o助過(guò)濾過(guò)程中，小部分P（St-MAA）膠體微球依靠自身的靜電相互作用聚集成塊，形成“小有序體”，在大氣壓力的推動(dòng)下，不同位置的“小有序體”所受的力不一致，加之纖維間的起伏不平，短時(shí)間內(nèi)難以形成大范圍內(nèi)有序排列的堆積，僅排列成局部范圍內(nèi)有序的結(jié)構(gòu)。綜上，當(dāng)組裝液體積濃度為2.4～4.0 L/m2時(shí)，P（St-MAA）膠體微球在真絲織物的兩面均能構(gòu)筑出局部范圍內(nèi)有序的光子晶體結(jié)構(gòu)，從而使真絲織物獲得光子晶體結(jié)構(gòu)色。

為進(jìn)一步表示P（St-MAA）膠體微球構(gòu)筑光子晶體生色結(jié)構(gòu)的呈色效果，采用數(shù)碼相機(jī)觀(guān)測(cè)不同組裝液體積濃度下，光子晶體結(jié)構(gòu)色真絲織物的照片，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，真絲織物正反面光子晶體結(jié)構(gòu)色的明亮程度與組裝液體積濃度密切相關(guān)。當(dāng)組裝液體積濃度少于0.4 L/m2時(shí)，膠體微球的數(shù)量不足以在真絲織物正反面同時(shí)構(gòu)筑大面積的光子晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致綠色結(jié)構(gòu)色主要出現(xiàn)在織物反面。當(dāng)體積濃度從0.4 L/m2增加至2.4 L/m2時(shí)，真絲織物反面上的結(jié)構(gòu)色愈加明亮，正面也逐漸出現(xiàn)綠色的光子晶體結(jié)構(gòu)色。然而，繼續(xù)增大組裝液體積濃度（4.0 L/m2）時(shí)，由于組裝液中含有的膠體微球數(shù)量較多，堆積的光子晶體結(jié)構(gòu)層太厚而出現(xiàn)裂縫，容易從織物表面脫落，最終影響了結(jié)構(gòu)色效果。因此，組裝液體積濃度為2.4 L/m2時(shí)，真絲織物正反面能夠同時(shí)獲得明亮且完整的光子晶體結(jié)構(gòu)色，與上述結(jié)果保持一致。此外，該過(guò)程表明P（St-MAA）膠體微球是先在真絲織物反面堆積成光子晶體結(jié)構(gòu)，再逐漸向正面堆積，最終兩面均構(gòu)筑出完整的光子晶體結(jié)構(gòu)，即微球在真絲織物上形成光子晶體結(jié)構(gòu)的方式是遵循“先反后正”的原則。

圖4為不同組裝液體積濃度下光子晶體結(jié)構(gòu)色真絲織物正反面的反射率曲線(xiàn)。由圖4可見(jiàn)，隨著組裝液體積濃度的增加，真絲織物正反面光子晶體結(jié)構(gòu)色的反射率峰值逐漸變大，但反面的波動(dòng)幅度小于正面。這是由于P（St-MAA）膠體微球在真空輔助過(guò)濾過(guò)程中遵循“先反后正”的組裝方式，即真絲織物反面總是優(yōu)先正面形成完整的光子晶體結(jié)構(gòu)，從而

導(dǎo)致兩面結(jié)構(gòu)色的反射率波動(dòng)幅度有所差異。其中，當(dāng)組裝液體積濃度在0.4～1.6 L/m2時(shí)，織物正面結(jié)構(gòu)色的反射率峰值明顯偏低，反射率為8.966%～14.651%。這是因?yàn)榻M裝液中微球的數(shù)量不足以在正面構(gòu)筑完整的光子晶體結(jié)構(gòu)，并不具備產(chǎn)生完整光子帶隙的高介電常數(shù)比及長(zhǎng)程范圍內(nèi)周期性拓?fù)涮卣鞯臈l件，是光子晶體特殊的缺陷態(tài)結(jié)構(gòu)，格點(diǎn)排列的有序度低，且組裝液中黑色染料還具有吸收散射光的作用，雙重作用下造成反射率峰值偏低。當(dāng)組裝液體積濃度為2.4 L/m2和4.0 L/m2時(shí)，織物正反面的結(jié)構(gòu)色反射率峰值幾乎維持在同一水平，正反面反射率峰值分別為18%和19%左右。然而，在4.0 L/m2組裝液體積濃度下，真絲織物上的光子晶體結(jié)構(gòu)層太厚，容易脫落。

綜上所述，當(dāng)組裝液體積濃度為1.6～4.0 L/m2時(shí)，P（St-MAA）膠體微球至少可以在真絲織物的一面構(gòu)筑完整的光子晶體結(jié)構(gòu)，賦予織物明亮的結(jié)構(gòu)色。其中，當(dāng)組裝液體積濃度為2.4 L/m2時(shí)，可得到明亮且完整的雙面光子晶體結(jié)構(gòu)色真絲織物。

2.2" 真空輔助過(guò)濾組裝過(guò)程分析

以制備紫紅色光子晶體結(jié)構(gòu)色真絲織物為例，采用數(shù)碼相機(jī)記錄真空輔助過(guò)濾組裝的過(guò)程，如圖5所示，其中此處所采用的P（St-MAA）膠體微球的粒徑為295 nm。由圖5可以看出，將組裝液加入過(guò)濾杯后，由于P（St-MAA）膠體微球粒徑大于過(guò)濾膜的孔徑，通過(guò)大氣壓力推動(dòng)，微球被阻擋在濾膜上，優(yōu)先組裝在真絲織物反面，而組裝液中液體則順利通過(guò)濾膜收集。在第2分31秒時(shí)，隨著液體逐漸被排出，微球在真絲織物的正面和反面陸續(xù)出現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu);在第6分53秒時(shí)，過(guò)濾區(qū)域內(nèi)的真絲織物上出現(xiàn)完整的光子晶體結(jié)構(gòu)。最后，將真絲織物從濾膜上剝離并烘干，得到具有雙面紫紅色光子晶體結(jié)構(gòu)色的真絲織物。

由上述分析可知，真空輔助過(guò)濾過(guò)程中的P（St-MAA）膠體微球以“先反后正”的方式在真絲織物上構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)。因此，為進(jìn)一步證明此過(guò)程，拍攝不同時(shí)期的光子晶體結(jié)構(gòu)色真絲織物的數(shù)碼照片，如圖6所示，其中真絲織物正反面均為白色。在真空輔助過(guò)濾組裝過(guò)程的第3秒，組裝液體系中黑色酸性染料與膠體微球共同作用在真絲織物的正反面，真絲織物反面的部分區(qū)域出現(xiàn)紫紅色光子晶體結(jié)構(gòu)色，正面呈現(xiàn)黑色。當(dāng)時(shí)間達(dá)到第30秒時(shí)，通過(guò)大氣壓力推動(dòng)，膠體微球優(yōu)先在真絲織物的反面組裝成較完整的光子晶體結(jié)構(gòu)，正面逐漸被膠體微球覆蓋，出現(xiàn)明顯的光子晶體結(jié)構(gòu)色。當(dāng)時(shí)間達(dá)到第6分53秒時(shí)，真絲織物的正反面均呈現(xiàn)均勻的紫紅色光子晶體結(jié)構(gòu)色。此外，隨著時(shí)間的推移，膠體微球呈現(xiàn)“先反后正”的堆疊方式。

在真空輔助過(guò)濾組裝過(guò)程中，為觀(guān)察P（St-MAA）膠體微球在真絲織物上的組裝狀態(tài)，采用FESEM測(cè)試了不同時(shí)期下光子晶體結(jié)構(gòu)色真絲織物反面的表觀(guān)形貌（圖7）。由圖7可

以看出，真絲織物中纖維間存在明顯空隙，纖維表面光滑，無(wú)膠體微球。當(dāng)真空輔助過(guò)濾組裝過(guò)程進(jìn)行至第3秒時(shí)，P（St-MAA）膠體微球已經(jīng)開(kāi)始附著在纖維表面，纖維之間仍存在較大的空隙，此時(shí)構(gòu)筑的光子晶體結(jié)構(gòu)不完整。隨著抽濾過(guò)程的不斷繼續(xù)（第30秒～第6分53秒），P（St-MAA）膠體微球構(gòu)筑的光子晶體結(jié)構(gòu)逐漸排列規(guī)整，P（St-MAA）膠體微球在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上不斷堆砌形成較厚的光子晶體結(jié)構(gòu)層，纖維之間的空隙完全被微球填充，未觀(guān)察到裸露的纖維。結(jié)果表明，P（St-MAA）膠體微球在真絲織物上構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程，可以從不同時(shí)間段下真絲織物上光子晶體結(jié)構(gòu)色的顏色變化來(lái)體現(xiàn)。

圖8表示P（St-MAA）膠體微球在真絲纖維上的組裝過(guò)程，可分為初始階段、堆砌階段、完備階段及烘干階段。由圖8可以觀(guān)察到，未抽濾之前，組裝液中的P（St-MAA）膠體微球分散在真絲纖維周?chē)ｋS著真空輔助過(guò)濾法的進(jìn)行，一部分微球由于纖維的吸附作用覆蓋在纖維上，一部分微球由于自身的靜電相互作用力，會(huì)在纖維周?chē)纬蓧K狀的“小有序體”。在大氣壓力推動(dòng)下，微球以堆砌階段形成的光子晶體為基底，繼續(xù)在纖維上構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)，并逐漸填充纖維間的縫隙。待停止抽濾后，P（St-MAA）膠體微球停止運(yùn)動(dòng)，在真絲纖維上形成局部范圍內(nèi)有序的光子晶體結(jié)構(gòu)。烘干后，在真絲織物上形成了一層固態(tài)的光子晶體層，得到具有結(jié)構(gòu)色的真絲織物。

2.3" 真絲織物上光子晶體結(jié)構(gòu)生色的虹彩效應(yīng)分析

光子晶體結(jié)構(gòu)色具有典型的虹彩效應(yīng)，隨觀(guān)察角度的改變，顏色也會(huì)發(fā)生變化［21-22］。為此，采用MA98型多角度分光光度計(jì)對(duì)由223 nm P（St-MAA）膠體微球制備的綠色光子晶體結(jié)構(gòu)色真絲織物的虹彩效應(yīng)進(jìn)行定量分析，結(jié)果如圖9所示，圖中45axXX表示光源角度為45°，對(duì)應(yīng)的觀(guān)察角度為

XX°。由圖9（a）可以看出，隨著光源角度和觀(guān)察角度的變化，結(jié)構(gòu)色真絲織物的色調(diào)由淺綠向深綠色轉(zhuǎn)變，但仍處于綠色波長(zhǎng)范圍內(nèi);由圖9（b）觀(guān)察到，當(dāng)光源角度處于45°、觀(guān)察角度從-15°～45°時(shí)，在此區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)的顏色所對(duì)應(yīng)的反射率峰值從500 nm移至530 nm，逐漸朝著可見(jiàn)光中長(zhǎng)波方向移動(dòng);當(dāng)光源角度處于45°、觀(guān)察角度從75°向110°增加時(shí)，此區(qū)域內(nèi)反射率峰值落在綠色波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，均位于540 nm附近;當(dāng)光源角度為15°、觀(guān)察角度從-15°～15°時(shí)，此區(qū)域內(nèi)的反射率最大反射峰值仍位于540 nm波長(zhǎng)左右，結(jié)果與圖9（a）的虹彩效應(yīng)圖片所呈現(xiàn)的色調(diào)保持一致。總之，利用真空輔助過(guò)濾的方式在真絲織物上獲得的光子晶體結(jié)構(gòu)色具有較低的虹彩效應(yīng)，即顏色不會(huì)隨著觀(guān)察角度的變化而明顯變化。這種色彩效果與常規(guī)染料或顏料著色效果較為接近，有望部分替代傳統(tǒng)染料或顏料著色。

2.4" 手繪法在白色真絲織物光子晶體結(jié)構(gòu)生色中的應(yīng)用

分別以粒徑197、223、245、295 nm的P（St-MAA）膠體微球?yàn)榛獦?gòu)成的光子晶體結(jié)構(gòu)生色組裝液，除了在真絲織物上構(gòu)筑簡(jiǎn)單的光子晶體結(jié)構(gòu)色，其圖案化在應(yīng)用中也扮演著重要角色。圖10為通過(guò)手繪法在白色真絲織物制備得到的圖案化光子晶體結(jié)構(gòu)色，單一圖案制備時(shí)間最長(zhǎng)為10 min。由圖10可以看出，通過(guò)有效的色彩搭配，以手繪的方式在真絲織物上制作出單色、雙色、多色的光子晶體結(jié)構(gòu)色圖案。因此，利用配制的組裝液可以在真絲織物上獲得多色彩、多樣化的圖案，這極大地拓寬了光子晶體結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用范圍。

3" 結(jié)" 論

本文通過(guò)真空輔助過(guò)濾法和手繪法在白色真絲織物上構(gòu)筑光子晶體生色結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)真絲織物的著色。分析了不同組裝液體積濃度下光子晶體結(jié)構(gòu)色的呈現(xiàn)效果，研究了真絲織物上光子晶體結(jié)構(gòu)色的虹彩效果，探討了P（St-MAA）膠體微球在真空輔助過(guò)濾法中的組裝過(guò)程，考察了手繪法在真絲織物光子晶體結(jié)構(gòu)生色中的應(yīng)用效果。主要結(jié)論如下：

1） 真空輔助過(guò)濾法中，當(dāng)組裝液體積濃度為2.4 L/m2時(shí)，223 nm P（St-MAA）膠體微球在真絲織物的兩面能同時(shí)構(gòu)筑出結(jié)構(gòu)色較為明亮的光子晶體，此時(shí)結(jié)構(gòu)色真絲織物正反面的反射率峰值約為18%，即實(shí)現(xiàn)真絲織物的雙面著色。

2） 對(duì)比不同時(shí)期下的295 nm P（St-MAA）膠體微球在真絲織物上的排列情況，發(fā)現(xiàn)微球優(yōu)先在真絲織物的反面構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)，即P（St-MAA）膠體微球的組裝過(guò)程是“先反后正”進(jìn)行的。

3） 利用真空輔助過(guò)濾的方式在真絲織物上構(gòu)筑的光子晶體結(jié)構(gòu)，可得到具有低虹彩效應(yīng)的結(jié)構(gòu)色，與常規(guī)染料或顏料著色效果較為接近，有望部分替代傳統(tǒng)染料或顏料著色。

4） 通過(guò)手繪的方式，分別以粒徑197、223、245、295 nm的P（St-MAA）膠體微球組裝液為結(jié)構(gòu)生色顏料，可以在真絲織物上制備單色、雙色、多色的圖案化光子晶體結(jié)構(gòu)色，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)色的個(gè)性化加工。

參考文獻(xiàn)：

［1］ZHAO X Y， GAO W H， YANG S， et al. From silica colloidal particles to photonic crystals： Progress in fabrication and application of structurally colored materials［J］. Textile Research Journal， 2023， 93（11/12）： 2877-2893.

［2］ZHU K M， FANG C Q， PU M Y， et al. Recent advances in photonic crystal with unique structural colors： A review［J］. Journal of Materials Science and Technology， 2023， 141： 78-99.

［3］WANG C， LIN X， SCHAFER C G， et al. Photonic crystals： Spray synthesis of photonic crystal based automotive coatings with bright and angular-dependent structural colors［J］. Advanced Functional Materials， 2021， 31（9）： 2170060.

［4］LI S， JIA L X， DONG P F， et al. Construction of photonic crystal structural colors on white polyester fabrics［J］. Optical Materials， 2021， 116： 111115.

［5］高雅芳. 紡織基材上高穩(wěn)定性光子晶體生色結(jié)構(gòu)的快速制備及其性能研究［D］. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2021.

GAO Y F. Rapid Preparation and Properties of Highly Stable Photonic Crystals with Structural Colors on Textile Substrates［D］. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2021.

［6］LIU H， ZHANG Y X， JIN M T， et al. Preparation of carbon fiber substrates with structural colors based on photonic crystals［J］. Dyes and Pigments， 2022， 203： 110338.

［7］HOU J， LI M Z， SONG Y L. Patterned colloidal photonic crystals［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2018， 57（10）： 2544-2553.

［8］CHEN J L， LIU P M， DU X， et al. Clickable colloidal photonic crystals for structural color pattern［J］. Langmuir， 2018， 33（44）： 13219-13224.

［9］柳浩， 馬萬(wàn)彬， 欒一鳴， 等. 光子晶體結(jié)構(gòu)生色碳纖維/滌綸混紡紗線(xiàn)的制備及其性能［J］. 紡織學(xué)報(bào)， 2023， 44（2）： 159-167.

LIU H， MA W B， LUAN Y M， et al. Preparation and properties of structural colored carbon fiber/polyester blended yarns based on photonic crystals［J］. Journal of Textile Research， 2023， 44（2）： 159-167.

［10］ZHANG H， LIU X Y. Preparation and selfassembly of photonic crystals on polyester fabrics［J］. Iranian Polymer Journal， 2017， 26： 107-114.

［11］LI S， XIAO Y S， SHAN G H， et al. Rapid preparation of structural color coatings on flexible textiles by simple vacuum-assisted filtration self-assembly［J］. Physica E： Low-dimensional Systems and Nanostructures， 2022， 144： 115424.

［12］王樹(shù)春. 基于噴墨打印技術(shù)的非虹彩結(jié)構(gòu)色微圖案材料的制備及其性能研究［D］. 蘇州： 蘇州大學(xué)， 2022.

WANG S C. Research on Fabrication and Performance of Noniridescent Structural-color Pattern based on Inkjet Printing Technology［D］. Suzhou： Soochow University， 2022.

［13］BAI L， MAI C M， LIM Y， et al. Large-scale noniridescent structural color printing enabled by infiltration-driven nonequilibrium colloidal assembly［J］. Advamced Materials， 2018， 30（9）： 1705667.

［14］WU S L， LIU T F， TANG B T， et al. Different structural colors or patterns on the front and back sides of a multilayer photonic structure［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2019， 11（30）： 27210-27215.

［15］WEI W K， WU C C， FANG Q Y， et al. Beyond cadmium yellow： CdS photonic crystal pigments with vivid structural colors［J］. Journal of Materials Chemistry C， 2023， 11： 12667-12674.

［16］FU G Q， ZHANG X Q， CHU X M， et al. Rapid fabrication of photonic crystal patterns with iridescent structural colors on textiles by spray coating［J］. Dyes and Pigments， 2021， 195： 109747.

［17］DALMIS R， BIRLIK I， AZEM N F A， et al. Modification of the sedimentation method for PMMA photonic crystal coatings［J］. Colloids and Surfaces A： Physicochemical and Engineering Aspects， 2019， 577： 194-201.

［18］KANOUNI K， AMARA S， ASSALI A， et al. TiO2/ZnO photonic crystal prepared by spray pyrolysis method： Application to multichannel filter［J］. Surface Review and Letters， 2020， 27： 1950181.

［19］SU X， JIANG Y， SUN X Q， et al. Fabrication of tough photonic crystal patterns with vivid structural colors by direct handwriting［J］. Nanoscale， 2017， 9（45）： 17877-17883.

［20］LIU G J， ZHOU L， WU Y J， et al. Optical properties of three-dimensional P（St-MAA） photonic crystals on polyester fabrics［J］. Optical Materials， 2015， 42： 72-79.

［21］TOPU G， GNER T， DEMIR M M. Non-iridescent structural colors from uniform-sized SiO2 colloids［J］. Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications， 2018， 29： 22-29.

［22］ROMANOV S G， MAKA T， SOTOMAYOR TORRES C M， et al. Diffraction of light from thin-film polymethylmethacrylate opaline photonic crystals［J］. Physical Review E， 2001， 63（5）： 056603.

Study on the preparation and application of structural colored silk fabrics based on photonic crystals

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

XIANG Jiaojiao1， MA Wanbin1， JIN Mengting1， ZHANG Yunxiao1， ZHOU Lan1，3， SHAO Jianzhong1， LIU Guojin1， CHAI Liqin1，2

（1.College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China;2.Zibo Daranfang Silk Group Co.， Ltd.， Zibo 255300， China; 3.Zhejiang Provincial Innovation Centerof Advanced Textile Technology， Shaoxing 312000， China）

Abstract：

The photonic crystal structure can produce vivid and bright colors by interacting with light in interference， diffraction and scattering with its own physical structure. Compared with traditional chemical dyeing， structural colors have enormous potential application value in the field of textile coloring because of their bright luster and environmental friendliness. Numerous studies show that self-assembly of colloidal microspheres on the surface of textiles to construct photonic crystal structures to generate structural colors is an effective method for preparing structural color textiles， especially represented by impregnation methods such as gravity deposition and vertical deposition. However， the impregnation method has disadvantages of low efficiency and high energy consumption， which limits its promotion and application. Therefore， it is urgent to develop preparation technology with high preparation efficiency and low equipment requirements. In addition to the preparation technology， the performance of textile substrates is also an important factor affecting the development of structural colors based on photonic crystals. Numerous studies have found that the background color of the substrate has a significant impact on the brightness of the structural colors of photonic crystals. It is unanimously found that a black background is most conducive to constructing photonic crystals with bright structural colors， while photonic crystals constructed on a white background have the darkest structural colors. At present， the most common practice is to first dye the textile substrate with black materials， and then the treated textile is used as the substrate to construct photonic crystals. Pre-coloring not only increases the preparation process， but also consumes energy and time. It is a hot research topic to obtain bright structural colors based photonic crystals quickly and efficiently on white textile substrates. Vacuum-assisted filtration is a method that utilizes the negative pressure generated during vacuum pumping to achieve solid-liquid separation. It has the advantages of simple operation， high preparation efficiency， and simple equipment. Based on this， if the colloidal microsphere dispersion is treated as filtrate， the process of colloidal microsphere stacking to form photonic crystals happens to be the process of microsphere loading on the textile substrate. This provides a possibility for constructing photonic crystal color structures on textile substrate via vacuum-assisted filtration method.

To construct structural colors based on photonic crystals on white silk fabrics， the article used poly （methyl methacrylate） （P（St-MAA） colloidal microspheres as the basic building blocks of the photonic crystal structure， and a structural color generation assembly solution was prepared by adapting acidic black dyes， then the vacuum-assisted filtration and hand drawing methods were respectively proposed to achieve the color generation of photonic crystal structures on white silk fabrics. First， the influence of the dosage of microsphere assembly solution on the structural coloration in the vacuum-assisted filtration process was investigated. The motion mechanism of microsphere forming photonic crystals on silk fabrics under vacuum-assisted filtration conditions was explored. Afterwards， the rainbow effect of photonic crystal structure on colored silk fabrics was discussed. Finally， in order to achieve patterned color generation of photonic crystal structures on silk fabrics， the application effect of the hand drawing method in color generation of photonic crystal structures on silk fabrics was studied. The characteristics of black color absorbing transmitted and scattered light outside the photonic bandgap can enhance the color saturation of photonic crystal structural colors. This paper used acidic black dyes as absorbing materials， and mixed them with P（St-MAA） colloidal microspheres to form a structural color assembly solution. The photonic crystal color structure was constructed on white silk fabrics by using vacuum-assisted filtration and hand drawing methods to achieve the coloring of silk fabrics. The results show that in the vacuum-assisted filtration process， when the dosage of assembly solution is 2.4 L/m2， 223 nm P（St-MAA） colloidal microspheres can simultaneously construct photonic crystals with brighter structural colors on both sides of the silk fabric. At this time， the peak reflectivity of the front and back sides of the structural colored silk fabric is about 18%， suggesting double-sided coloring of the silk fabric is achieved. By comparing the arrangement of 295 nm P（St-MAA） colloidal microspheres on the silk fabric at different times， it is found that the microspheres preferentially construct photonic crystal structures on the opposite side of the silk fabric， meaning that the assembly process of P（St-MAA） colloidal microspheres is “reverse first and then forward”. The photonic crystal structure constructed on the silk fabric via vacuum-assisted filtration can obtain structural colors with low iridescent effect， which is similar to the coloring effect of conventional dyes or pigments， and is expected to partially replace traditional dyes or pigments in coloring. By hand drawing， P（St-MAA） colloidal microsphere assembly solutions with particle sizes of 197 nm， 223 nm， 245 nm， and 295 nm are used as structural colorants to prepare patterned photonic crystal structural colors of monochrome， bicolor， and multi-color on the silk fabric， achieving personalized processing of structural colors.

The vacuum-assisted filtration method and hand drawing method provide new ways for the rapid preparation of structural colored textiles based on photonic crystals. The results of this study will contribute to providing a practical basis for the application of photonic crystal structure coloring in textile coloring.

Key words：

silk fabric; photonic crystals; structural coloring; vacuum-assisted filtration method; hand drawing method