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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(wú)虹彩的、高色牢度的彩色織物
2021-11-23  來(lái)源:高分子科技

  我們?nèi)粘I畹姆b都離不開(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而,染料或顏料的復(fù)雜分子不僅生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(wèn)題。相比之下,結(jié)構(gòu)色的顏色來(lái)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)程示意圖


  織物的著色過(guò)程大致可分為三個(gè)步驟,即配置商用粘結(jié)劑Cu2O單晶分散液、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(wú)序Cu2O單晶球聚集體(~0.6 μm)。由于Mie散射效應(yīng),無(wú)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(guò)改變Cu2O球的粒徑來(lái)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(guò)模板的掩蔽,可以在織物上得到復(fù)雜精細(xì)的印花圖案。


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


  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,樣品分別逐漸沿水平軸和垂直軸翻轉(zhuǎn),當(dāng)觀察位置從移動(dòng)到50°時(shí),織物的顏色幾乎沒(méi)有變化,滿足了人們對(duì)顏色的需求。


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(guò)商用粘結(jié)劑將Cu2O固定在織物上賦予了其極高的摩擦牢度和耐牢度。根據(jù)織物的色牢度標(biāo)準(zhǔn)ISO 105-X12:1993GB/T 5718-1997,結(jié)構(gòu)色織物的干摩擦、濕摩擦、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(4)。彩色織物經(jīng)過(guò)揉搓、拉伸或長(zhǎng)時(shí)間放置在空氣中,其結(jié)構(gòu)顏色沒(méi)有變化(5),證明了結(jié)構(gòu)色織物的穩(wěn)定性、耐洗性。

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(wú)序Cu2O單晶球聚集體結(jié)構(gòu)(~0.6 μm,3 g/m2),獲得明亮、無(wú)彩虹的結(jié)構(gòu)色。通過(guò)商用粘結(jié)劑將無(wú)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,為紡織品及結(jié)構(gòu)色的其它實(shí)際應(yīng)用開(kāi)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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