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浙理工邵建中教授團隊 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構生色紡織品

2024-03-01 來源：高分子科技

光子晶體是由不同折光指數的物質在空間上周期性排列形成的晶體材料。由于其優異的光學性質和無污水排放的制備過程，光子晶體材料在紡織領域受到了廣泛關注。然而，結構生色紡織的制備過程和實際應用中，有兩個關鍵問題需要解決。即：光子晶體的高效規整組裝；光子晶體高結構穩定性和高顏色飽和度的統一。

近期，浙江理工大學邵建中教授團隊受變色龍皮膚的啟發，在紡織基材表面構建了高顏色飽和度和高結構穩定性兼容的非密堆積型光子晶體結構。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)液態光子晶體。結合剪切誘導組裝技術，使PS@P(MMA-BA)液態光子晶體在織物表面初步形成二維平面狀態薄膜，并進行二段式組裝，逐步提升自組裝結構的規整性。得益于非密堆積型光子晶體結構生色織物的力致變色性能，可拓展其在智能紡織品中的應用。 PS@P(MMA-BA)納米微球的制備過程中，首先在反應體系中加入St單體和核交聯劑DVB，均勻生長交聯PS種子。當PS核停止生長，MMA、BA單體與交聯劑ALMA一起緩慢滴加進反應體系內。DVB可有效提高PS內核的交聯密度，增強其折光指數，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)光子晶體的結構穩定性。

圖1 PS@P(MMA-BA)納米微球的制備

為實現PS@P(MMA-BA)納米微球在織物表面的快速組裝，該研究設計了一種旋蒸/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PS@P(MMA-BA)納米微球在提升質量分數的過程中，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)液態光子晶體具備優異的光學性質和動態回復性。

圖2 PS@P(MMA-BA)液態光子晶體的制備及其光學性質

得益于PS@P(MMA-BA)納米微球的軟質殼層，所構建的光子晶體結構具有優異的結構穩定性。然而，也正是由于微球軟質殼層的存在，高固含量PS@P(MMA-BA)納米微球分散液在組裝過程中容易產生微球彼此間的自粘結現象，從而影響自組裝光子晶體整體結構的規整性。為了使光子晶體在快速組裝的同時，仍能保證其自組裝結構的規整性，該研究設計了二段式組裝技術，實現紡織基材表面非密堆積型光子晶體的快速規整組裝。第一階段（Step I）的目的是實現PS@P(MMA-BA)納米微球的整體組裝，當自組裝光子晶體表面水分完全蒸發后，微球的組裝過程可分解為下述三個過程：（1）光子晶體內部還存在少量的水分（圖3c, I）；（2）光子晶體內部水分完全蒸發形成近似真空的微空穴，氣壓差促使外部空氣進入光子晶體內部，促進PS@P(MMA-BA)納米微球微調，逐漸完善組裝結構（圖3c, II）；（3）光子晶體內部的空穴被軟質殼層完全填充，組裝結構完善，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PS內核在P(MMA-BA)殼層間的運動能力，交聯PS內核在熔融的P(MMA-BA)連續相內進一步組裝，構建成結構規整的PS非密堆積光子晶體骨架，進一步提升光子晶體的光學性質。

圖3 非密堆積型光子晶體的組裝過程

結合實驗室研究基礎，采用可連續化加工的中試設備制備了大面積非密堆積型光子晶體結構生色織物，其具備靚麗的結構色。通過改變微球粒徑，可以實現不同顏色光子晶體的制備，并具備絢麗的虹彩效應。

圖4 非密堆積型光子晶體結構生色織物的光學性質

采用ISO國際標準對PS@P(MMA-BA)光子晶體結構生色織物的色牢度進行測試。結果表明，在干/濕摩擦，皂洗條件的作用下，光子晶體結構色的亮度和飽和度未發生變化，證實了其具備超高的色牢度。

圖5 非密堆積型光子晶體結構生色織物的色牢度

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

圖6 非密堆積型光子晶體結構生色織物的智能化應用

相關研究成果以“Chameleon-inspired structural coloration of textiles with non-close-packed photonic crystals for high color saturation and color fastness”為題發表在國際知名期刊Chemical Engineering Journal上。浙江理工大學博士研究生王曉輝、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）、浙江省自然科學基金（LY20E030006）、江蘇省自然科學基金（(BK20220503）、江蘇省高等學校自然科學研究基金（22KJB540001）、浙江理工大學優秀研究生學位論文培育基金（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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（責任編輯：xu）

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