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大連理工大學(xué)武素麗教授：基于氧化亞銅單晶球Mie散射實(shí)現(xiàn)色彩靚麗、無虹彩的、高色牢度的彩色織物
2021-11-23  來源：高分子科技

  我們?nèi)粘Ｉ畹姆b都離不開顏色，因此織物的著色在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的地位。傳統(tǒng)的織物著色是利用染料或顏料來實(shí)現(xiàn)的。然而，染料或顏料的復(fù)雜分子不僅生產(chǎn)過程復(fù)雜、每一只染料只能產(chǎn)生一個(gè)顏色，而且在染色過程也存在用水量大、廢水處理成本高和染色織物經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間照射易褪色等問題。相比之下，結(jié)構(gòu)色的顏色來源于光與微觀結(jié)構(gòu)的相互作用，具有生態(tài)友好、色彩鮮艷、抗褪色等優(yōu)點(diǎn)，有望成為一種新型紡織品著色劑。目前，結(jié)構(gòu)色著色織物的研究主要集中于在織物表面構(gòu)筑多層光子晶體或非晶光子晶體結(jié)構(gòu)，利用其光子帶隙對(duì)光的反射來產(chǎn)生顏色。受到這種結(jié)構(gòu)色的生色機(jī)理和多層結(jié)構(gòu)的限制，在織物上同時(shí)實(shí)現(xiàn)靚麗、無虹彩、高色牢度的色彩輸出仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。


  鑒于此，大連理工大學(xué)武素麗教授報(bào)道了一種基于氧化亞銅（Cu2O）單晶球Mie散射產(chǎn)生靚麗的、無虹彩的、高色牢度的織物著色策略。采用噴霧法在商業(yè)粘合劑預(yù)處理的織物表面制備了無序的Cu2O薄層(~0.6 μm)。由于Cu2O單晶球的強(qiáng)Mie散射，該薄層能產(chǎn)生靚麗、無虹彩的結(jié)構(gòu)色。更重要的是，Cu2O薄層可以被商用粘合劑牢牢地固定在織物表面，使得織物的色牢度大幅度提高。結(jié)構(gòu)色織物的干摩擦、濕摩擦、光摩擦牢度分別可達(dá)到5級(jí)、4級(jí)、6級(jí)，足以抵抗摩擦、光漂白、水洗、漂洗、拉伸等外力破壞。相關(guān)工作以“Structural Colored Fabrics with Brilliant Colors, Low Angle Dependence, and High Color Fastness Based on the Mie Scattering of Cu2O Spheres”為題發(fā)表在國(guó)際期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

圖1 織物的著色過程示意圖


  織物的著色過程大致可分為三個(gè)步驟，即配置商用粘結(jié)劑和Cu2O單晶球分散液、噴涂商用粘結(jié)劑對(duì)織物的預(yù)處理、噴涂Cu2O單晶球對(duì)織物著色。最終，在織物表面構(gòu)筑了一層或兩層半嵌入粘結(jié)劑層中的無序Cu2O單晶球聚集體(~0.6 μm厚)。由于Mie散射效應(yīng)，無序Cu2O單晶球聚集體而非三維周期性結(jié)構(gòu)，即可產(chǎn)生靚麗的結(jié)構(gòu)色。此外，織物的顏色可以通過改變Cu2O球的粒徑來進(jìn)行調(diào)節(jié)，已得到紫色、青色、綠色、黃綠色、黃色和橙色織物。通過模板的掩蔽，可以在織物上得到復(fù)雜精細(xì)的印花圖案。


圖2 結(jié)構(gòu)色織物圖案的數(shù)碼照片、結(jié)構(gòu)示意圖以及結(jié)構(gòu)的微觀SEM圖


  此外，獲得的結(jié)構(gòu)色不僅僅是鏡面角度，而是在任何觀察角度都可以保持相似的色調(diào)（圖3）。固定入射光的方向和觀察角度，將樣品分別逐漸沿水平軸和垂直軸翻轉(zhuǎn)，當(dāng)觀察位置從5°移動(dòng)到50°時(shí)，織物的顏色幾乎沒有變化，滿足了人們對(duì)顏色的需求。


圖3結(jié)構(gòu)色織物在不同視角下的數(shù)碼照片圖

  值得注意的是，通過商用粘結(jié)劑將Cu2O球固定在織物上賦予了其極高的耐摩擦牢度和耐曬牢度。根據(jù)織物的色牢度標(biāo)準(zhǔn)ISO 105-X12:1993和GB/T 5718-1997，結(jié)構(gòu)色織物的干摩擦、濕摩擦、耐曬牢度分別能達(dá)到5級(jí)、4級(jí)、6級(jí)，證明了結(jié)構(gòu)色織物具有優(yōu)異的抗褪色性能。此外，結(jié)構(gòu)色織物還具有耐洗性，即使在快速水流漂洗后，結(jié)構(gòu)色織物仍能保持其結(jié)構(gòu)顏色而不受任何損傷(圖4)。彩色織物經(jīng)過揉搓、拉伸或長(zhǎng)時(shí)間放置在空氣中，其結(jié)構(gòu)顏色均沒有變化(圖5)，證明了結(jié)構(gòu)色織物的穩(wěn)定性、耐洗性。

圖4 水流沖洗前后、揉搓前后、拉伸后的結(jié)構(gòu)色織物的數(shù)碼照片

  小結(jié)：作者巧妙利用Cu2O單晶球的Mie散射性質(zhì)，采用噴涂法成功在織物表面構(gòu)筑了無序Cu2O單晶球聚集體結(jié)構(gòu)（~0.6 μm，3 g/m2)，獲得了明亮、無彩虹的結(jié)構(gòu)色。通過商用粘結(jié)劑將無序生色薄層牢牢固定在織物表面，賦予織物極高的耐摩擦牢度和耐曬牢度，足以抵抗摩擦、光漂白、洗滌、漂洗、揉搓、拉伸及其他機(jī)械外力破壞。作者提出了一種新的、簡(jiǎn)便、環(huán)保的織物著色策略，突破了目前結(jié)構(gòu)色織物生色的固有模式，實(shí)現(xiàn)了靚麗、高牢度結(jié)構(gòu)色，為紡織品著色及結(jié)構(gòu)色的其它實(shí)際應(yīng)用開辟了一條實(shí)用的道路。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c17288?ref=PDF

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（責(zé)任編輯：xu）
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