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浙理工邵建中教授團隊 Small：基于高濃度納米微球合成的液態光子晶體及其在紡織品結構生色中的應用

2023-10-01 來源：高分子科技

仿生光子晶體結構生色無需應用染料或顏料等化學著色劑，且不存在光化學反應而褪色的問題，有望成為紡織品等多種基材生態著色的重要途徑。通過液態光子晶體組裝可實現結構色紡織品的快速大面積制備，然而，液態光子晶體的高效制備仍然是一個挑戰。若能通過乳液聚合法直接制備高濃度的納米微球體系，并使其具備液態光子晶體的結晶特性，則可顯著提高液態光子晶體的制備效率，進而可實現在紡織基材上快速制備結構生色光子晶體的效果。然而，由乳液聚合法直接制備高濃度的膠體納米微球由于單體濃度較高，隨著聚合反應的進行，體系易轉相，導致粘度陡然增大，體系失去流動性和穩定性，從而使直接聚合反應難以繼續進行。

近期，浙江理工大學邵建中教授團隊提出一種高濃度光子晶體基元納米微球分散液可控宏量制備的方法，該方法通過在乳液聚合過程中加入pH調節劑，解決因引發劑受熱分解產生氫離子（H⁺）而使聚合體系的pH降低，乳化劑的乳化能力下降，體系轉相的問題，實現直接合成制得高質量分數（40 wt%）PS納米微球分散液的效果。進而對高質量分數的納米微球分散液進行透析純化，去除體系中的低聚物及小分子鹽類等物質，提高納米微球之間的靜電排斥勢能，制得了顏色鮮艷亮麗的液態光子晶體。得益于液態光子晶體優異的動態恢復性，通過外力剪切誘導組裝技術將液態光子晶體施加到柔性紡織基材上，實現光子晶體結構生色織物的快速大面積制備；結合噴涂法實現具有虹彩效應的圖案化光子晶體結構生色織物的制備。并在光子晶體結構生色織物表面構建封裝層，實現光子晶體的高結構穩定性和高顏色飽和度的一致性。在聚合反應過程中，由于引發劑過硫酸鉀受熱分解會產生H⁺，在高濃度乳液聚合過程中，隨著聚合反應的進行，體系內H⁺的濃度不斷增大，以致乳液的pH下降，使整個聚合體系呈強酸性。在較低的pH情況下，聚合過程中的微球表面吸附的表面活性劑陰離子結合H⁺質子，導致陰離子表面活性劑的電荷效應削弱，乳化分散能力下降，進而直接影響聚合體系的穩定性，產生微球間聚合和體系失穩問題，以致聚合反應無法順利進行。

圖1 陰離子表面活性劑在PS納米球表面隨pH變化示意圖

在分析和了解聚合反應過程中體系不穩定的內在原因是低pH條件下陰離子表面活性劑SDS的乳化分散能力下降的問題后，通過在反應體系中加入pH調節劑Na₂CO₃，中和反應體系中引發劑分解產生的H⁺，避免聚合體系處于強酸性狀態，保證表面活性劑SDS的乳化分散能力，使聚合反應得以順利進行，得到高濃度的納米微球分散液體系。

圖2 不同pH調節劑濃度下聚合反應過程及其聚合反應產物表征

通過乳液聚合法制備的高濃度納米微球分散液體系中存在著許多乳化劑分子以及少量的低聚物，這些物質的存在會提高體系中的離子強度，降低介質的介電常數，從而使納米微球之間的靜電斥力減小，影響膠體體系的穩定性，并干擾體系內納米微球的預結晶行為。因此將所制備的納米微球分散液進行透析純化，去除體系中的一些低聚物及小分子鹽類等物質，可以降低體系中的離子強度，提高介質的介電常數，從而提高納米微球之間的靜電排斥勢能，使納米微球在靜電斥力（遠程力）和范德華引力（近程力）的平衡作用下自發有序排列組裝，從而形成預結晶形態的液態光子晶體。

圖3 透析純化前后微球分散液體系的變化

研究發現，通過對液態光子晶體中納米微球粒徑和質量分數的調控可得到不同結構色效果的液態光子晶體。所制備的液態光子晶體當受到外力擾動作用時，液態光子晶體中納米微球有序排列結構被破壞解組裝成無序排列結構；當外力釋去后，納米微球會在10 s重新自組裝成有序的晶體結構，具有良好的流動性與動態恢復性。

圖4 不同粒徑的液態光子晶體

圖5 不同質量分數的液態光子晶體

圖6液態光子晶體的動態恢復性

以液態光子晶體為組裝中間體，結合外力剪切誘導作用下可以實現光子晶體結構生色織物的大面積快速制備。結合噴涂法也可以制備具有虹彩效應的光子晶體結構生色織物。最后通過封裝聚合物對光子晶體結構生色織物進行封裝，可提高光子晶體結構的穩定性，實現光子晶體結構生色織物的高穩定性和高飽和度的一致性。

圖7 液態光子晶體在紡織基材上的應用

圖8 光子晶體結構生色織物的結構穩定性

相關研究成果以“Bionic Structural Coloration of Textiles Using the Synthetically Prepared Liquid Photonic Crystals”為題發表在國際知名期刊Small上。浙江理工大學博士生李新陽為本論文的第一作者，浙江理工大學邵建中教授和蘇州大學李義臣博士為本論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金項目（No.52203275，52003242，51773181）、中國博士后面上基金（2022M712302），浙江省自然科學基金（LY20E030006）、浙江省公益技術研究項目（LGC20E030001）和江蘇省自然科學基金(BK20220503)等項目的支持。

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202302550

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（責任編輯：xu）

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