浙理工邵建中教授团队 CEJ：以变色龙为灵感的高颜色饱和度和高色牢度的非密堆积光子晶体结构生色纺织品

2024-03-01 来源：高分子科技

光子晶体是由不同折光指数的物质在空间上周期性排列形成的晶体材料。由于其优异的光学性质和无污水排放的制备过程，光子晶体材料在纺织领域受到了广泛关注。然而，结构生色纺织的制备过程和实际应用中，有两个关键问题需要解决。即：光子晶体的高效规整组装；光子晶体高结构稳定性和高颜色饱和度的统一。

近期，浙江理工大学邵建中教授团队受变色龙皮肤的启发，在纺织基材表面构建了高颜色饱和度和高结构稳定性兼容的非密堆积型光子晶体结构。首先，采用分步乳液聚合法制备了硬核软壳的PS@P(MMA-BA)纳米微球，通过旋蒸/表面活性剂法提升其固含量，制备了PS@P(MMA-BA)液态光子晶体。结合剪切诱导组装技术，使PS@P(MMA-BA)液态光子晶体在织物表面初步形成二维平面状态薄膜，并进行二段式组装，逐步提升自组装结构的规整性。得益于非密堆积型光子晶体结构生色织物的力致变色性能，可拓展其在智能纺织品中的应用。 PS@P(MMA-BA)纳米微球的制备过程中，首先在反应体系中加入St单体和核交联剂DVB，均匀生长交联PS种子。当PS核停止生长，MMA、BA单体与交联剂ALMA一起缓慢滴加进反应体系内。DVB可有效提高PS内核的交联密度，增强其折光指数，并限制壳层单体的渗入。在第二步聚合过程中，PS@P(MMA-BA)纳米微球的尺寸不断增大，直到反应完成时停止增长。粘弹性的P(MMA-BA)外壳可有效提升PS@P(MMA-BA)光子晶体的结构稳定性。

图1 PS@P(MMA-BA)纳米微球的制备

为实现PS@P(MMA-BA)纳米微球在织物表面的快速组装，该研究设计了一种旋蒸/表面活性剂法用以制备高固含量的PS@P(MMA-BA)液态光子晶体。旋蒸过程中将非离子表面活性剂引入至PS@P(MMA-BA)纳米微球分散液体系。通过阴（合成体系中的SDS）/非离子表面活性剂分子之间的协同配合，可以使微球表面的三维界面阻挡层成为更坚固的立体屏障。当PS@P(MMA-BA)纳米微球在提升质量分数的过程中，微球在水相中的间距不断减小并相互靠近时，微球表面吸附的表面活性剂层会被迫压缩，产生更大的斥力势能，使微球通过自身所带电荷的静电排斥作用和三维界面阻挡层的空间位阻作用而获得良好的分散稳定性，抵御微球间碰撞加剧而引起的聚沉倾向。所制备的PS@P(MMA-BA)液态光子晶体具备优异的光学性质和动态回复性。

图2 PS@P(MMA-BA)液态光子晶体的制备及其光学性质

得益于PS@P(MMA-BA)纳米微球的软质壳层，所构建的光子晶体结构具有优异的结构稳定性。然而，也正是由于微球软质壳层的存在，高固含量PS@P(MMA-BA)纳米微球分散液在组装过程中容易产生微球彼此间的自粘结现象，从而影响自组装光子晶体整体结构的规整性。为了使光子晶体在快速组装的同时，仍能保证其自组装结构的规整性，该研究设计了二段式组装技术，实现纺织基材表面非密堆积型光子晶体的快速规整组装。第一阶段（Step I）的目的是实现PS@P(MMA-BA)纳米微球的整体组装，当自组装光子晶体表面水分完全蒸发后，微球的组装过程可分解为下述三个过程：（1）光子晶体内部还存在少量的水分（图3c, I）；（2）光子晶体内部水分完全蒸发形成近似真空的微空穴，气压差促使外部空气进入光子晶体内部，促进PS@P(MMA-BA)纳米微球微调，逐渐完善组装结构（图3c, II）；（3）光子晶体内部的空穴被软质壳层完全填充，组装结构完善，第一阶段组装完成（图3c, III）。在第二阶段组装过程中，通过提高组装温度，提高硬质PS内核在P(MMA-BA)壳层间的运动能力，交联PS内核在熔融的P(MMA-BA)连续相内进一步组装，构建成结构规整的PS非密堆积光子晶体骨架，进一步提升光子晶体的光学性质。

图3 非密堆积型光子晶体的组装过程

结合实验室研究基础，采用可连续化加工的中试设备制备了大面积非密堆积型光子晶体结构生色织物，其具备靓丽的结构色。通过改变微球粒径，可以实现不同颜色光子晶体的制备，并具备绚丽的虹彩效应。

图4 非密堆积型光子晶体结构生色织物的光学性质

采用ISO国际标准对PS@P(MMA-BA)光子晶体结构生色织物的色牢度进行测试。结果表明，在干/湿摩擦，皂洗条件的作用下，光子晶体结构色的亮度和饱和度未发生变化，证实了其具备超高的色牢度。

图5 非密堆积型光子晶体结构生色织物的色牢度

根据PS@P(MMA-BA)光子晶体力致变色性能开发的相应的智能应用场景。由图6（a）所示，随着手臂的弯曲，在手肘处的PS@P(MMA-BA)受到了较大的应力拉伸作用，致使其结构色蓝移，当手臂伸直后，手肘处光子晶体的结构色恢复至初始状态，图中插入的小图为各时刻的结构示意图，并可通过图6（b）所示的方法进行实时监测。图6（d-e）的结果可表明该研究所制备的非密堆积型光子晶体结构生色织物的力致变色性能具备优异的循环使用性。根据其力致变色特性，可将其作为智能纺织品使用。例如，当用户穿着PS@P(MMA-BA)光子晶体结构生色面料进行运动时，可以根据颜色变化的蓝移程度来实时检测人体的受力状态。

图6 非密堆积型光子晶体结构生色织物的智能化应用

相关研究成果以“Chameleon-inspired structural coloration of textiles with non-close-packed photonic crystals for high color saturation and color fastness”为题发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上。浙江理工大学博士研究生王晓辉、硕士研究生梁小慧为本论文的共同第一作者，浙江理工大学邵建中教授为本论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金项目（No. 51773181，52003242，52203275）、中国博士后面上基金（2022M712302）、浙江省自然科学基金（LY20E030006）、江苏省自然科学基金（(BK20220503）、江苏省高等学校自然科学研究基金（22KJB540001）、浙江理工大学优秀研究生学位论文培育基金（LW-YP2021003）等项目的支持。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149053

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（责任编辑：xu）

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