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浙理工邵建中教授團(tuán)隊 CEJ：以變色龍為靈感的高顏色飽和度和高色牢度的非密堆積光子晶體結(jié)構(gòu)生色紡織品
2024-03-01  來源：高分子科技

  光子晶體是由不同折光指數(shù)的物質(zhì)在空間上周期性排列形成的晶體材料。由于其優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和無污水排放的制備過程，光子晶體材料在紡織領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。然而，結(jié)構(gòu)生色紡織的制備過程和實際應(yīng)用中，有兩個關(guān)鍵問題需要解決。即：光子晶體的高效規(guī)整組裝；光子晶體高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高顏色飽和度的統(tǒng)一。



  近期，浙江理工大學(xué)邵建中教授團(tuán)隊受變色龍皮膚的啟發(fā)，在紡織基材表面構(gòu)建了高顏色飽和度和高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性兼容的非密堆積型光子晶體結(jié)構(gòu)。首先，采用分步乳液聚合法制備了硬核軟殼的PS@P(MMA-BA)納米微球，通過旋蒸/表面活性劑法提升其固含量，制備了PS@P(MMA-BA)液態(tài)光子晶體。結(jié)合剪切誘導(dǎo)組裝技術(shù)，使PS@P(MMA-BA)液態(tài)光子晶體在織物表面初步形成二維平面狀態(tài)薄膜，并進(jìn)行二段式組裝，逐步提升自組裝結(jié)構(gòu)的規(guī)整性。得益于非密堆積型光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的力致變色性能，可拓展其在智能紡織品中的應(yīng)用。 PS@P(MMA-BA)納米微球的制備過程中，首先在反應(yīng)體系中加入St單體和核交聯(lián)劑DVB，均勻生長交聯(lián)PS種子。當(dāng)PS核停止生長，MMA、BA單體與交聯(lián)劑ALMA一起緩慢滴加進(jìn)反應(yīng)體系內(nèi)。DVB可有效提高PS內(nèi)核的交聯(lián)密度，增強其折光指數(shù)，并限制殼層單體的滲入。在第二步聚合過程中，PS@P(MMA-BA)納米微球的尺寸不斷增大，直到反應(yīng)完成時停止增長。粘彈性的P(MMA-BA)外殼可有效提升PS@P(MMA-BA)光子晶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。


圖1 PS@P(MMA-BA)納米微球的制備


  為實現(xiàn)PS@P(MMA-BA)納米微球在織物表面的快速組裝，該研究設(shè)計了一種旋蒸/表面活性劑法用以制備高固含量的PS@P(MMA-BA)液態(tài)光子晶體。旋蒸過程中將非離子表面活性劑引入至PS@P(MMA-BA)納米微球分散液體系。通過陰（合成體系中的SDS）/非離子表面活性劑分子之間的協(xié)同配合，可以使微球表面的三維界面阻擋層成為更堅固的立體屏障。當(dāng)PS@P(MMA-BA)納米微球在提升質(zhì)量分?jǐn)?shù)的過程中，微球在水相中的間距不斷減小并相互靠近時，微球表面吸附的表面活性劑層會被迫壓縮，產(chǎn)生更大的斥力勢能，使微球通過自身所帶電荷的靜電排斥作用和三維界面阻擋層的空間位阻作用而獲得良好的分散穩(wěn)定性，抵御微球間碰撞加劇而引起的聚沉傾向。所制備的PS@P(MMA-BA)液態(tài)光子晶體具備優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和動態(tài)回復(fù)性。


圖2 PS@P(MMA-BA)液態(tài)光子晶體的制備及其光學(xué)性質(zhì)


  得益于PS@P(MMA-BA)納米微球的軟質(zhì)殼層，所構(gòu)建的光子晶體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。然而，也正是由于微球軟質(zhì)殼層的存在，高固含量PS@P(MMA-BA)納米微球分散液在組裝過程中容易產(chǎn)生微球彼此間的自粘結(jié)現(xiàn)象，從而影響自組裝光子晶體整體結(jié)構(gòu)的規(guī)整性。為了使光子晶體在快速組裝的同時，仍能保證其自組裝結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，該研究設(shè)計了二段式組裝技術(shù)，實現(xiàn)紡織基材表面非密堆積型光子晶體的快速規(guī)整組裝。第一階段（Step I）的目的是實現(xiàn)PS@P(MMA-BA)納米微球的整體組裝，當(dāng)自組裝光子晶體表面水分完全蒸發(fā)后，微球的組裝過程可分解為下述三個過程：（1）光子晶體內(nèi)部還存在少量的水分（圖3c, I）；（2）光子晶體內(nèi)部水分完全蒸發(fā)形成近似真空的微空穴，氣壓差促使外部空氣進(jìn)入光子晶體內(nèi)部，促進(jìn)PS@P(MMA-BA)納米微球微調(diào)，逐漸完善組裝結(jié)構(gòu)（圖3c, II）；（3）光子晶體內(nèi)部的空穴被軟質(zhì)殼層完全填充，組裝結(jié)構(gòu)完善，第一階段組裝完成（圖3c, III）。在第二階段組裝過程中，通過提高組裝溫度，提高硬質(zhì)PS內(nèi)核在P(MMA-BA)殼層間的運動能力，交聯(lián)PS內(nèi)核在熔融的P(MMA-BA)連續(xù)相內(nèi)進(jìn)一步組裝，構(gòu)建成結(jié)構(gòu)規(guī)整的PS非密堆積光子晶體骨架，進(jìn)一步提升光子晶體的光學(xué)性質(zhì)。


圖3 非密堆積型光子晶體的組裝過程


  結(jié)合實驗室研究基礎(chǔ)，采用可連續(xù)化加工的中試設(shè)備制備了大面積非密堆積型光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物，其具備靚麗的結(jié)構(gòu)色。通過改變微球粒徑，可以實現(xiàn)不同顏色光子晶體的制備，并具備絢麗的虹彩效應(yīng)。


圖4 非密堆積型光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的光學(xué)性質(zhì)


  采用ISO國際標(biāo)準(zhǔn)對PS@P(MMA-BA)光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的色牢度進(jìn)行測試。結(jié)果表明，在干/濕摩擦，皂洗條件的作用下，光子晶體結(jié)構(gòu)色的亮度和飽和度未發(fā)生變化，證實了其具備超高的色牢度。


圖5 非密堆積型光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的色牢度


  根據(jù)PS@P(MMA-BA)光子晶體力致變色性能開發(fā)的相應(yīng)的智能應(yīng)用場景。由圖6（a）所示，隨著手臂的彎曲，在手肘處的PS@P(MMA-BA)受到了較大的應(yīng)力拉伸作用，致使其結(jié)構(gòu)色藍(lán)移，當(dāng)手臂伸直后，手肘處光子晶體的結(jié)構(gòu)色恢復(fù)至初始狀態(tài)，圖中插入的小圖為各時刻的結(jié)構(gòu)示意圖，并可通過圖6（b）所示的方法進(jìn)行實時監(jiān)測。圖6（d-e）的結(jié)果可表明該研究所制備的非密堆積型光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的力致變色性能具備優(yōu)異的循環(huán)使用性。根據(jù)其力致變色特性，可將其作為智能紡織品使用。例如，當(dāng)用戶穿著PS@P(MMA-BA)光子晶體結(jié)構(gòu)生色面料進(jìn)行運動時，可以根據(jù)顏色變化的藍(lán)移程度來實時檢測人體的受力狀態(tài)。


圖6 非密堆積型光子晶體結(jié)構(gòu)生色織物的智能化應(yīng)用


  相關(guān)研究成果以“Chameleon-inspired structural coloration of textiles with non-close-packed photonic crystals for high color saturation and color fastness”為題發(fā)表在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上。浙江理工大學(xué)博士研究生王曉輝、碩士研究生梁小慧為本論文的共同第一作者，浙江理工大學(xué)邵建中教授為本論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項目（No. 51773181，52003242，52203275）、中國博士后面上基金（2022M712302）、浙江省自然科學(xué)基金（LY20E030006）、江蘇省自然科學(xué)基金（(BK20220503）、江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究基金（22KJB540001）、浙江理工大學(xué)優(yōu)秀研究生學(xué)位論文培育基金（LW-YP2021003）等項目的支持。


  全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149053

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