少水及无水染整技术、装备与工艺研究进展——结构生色技术
文章来源:纺织导报  作者:  发布日期:2021-06-29

结构生色是指固体物质利用自身特殊的微结构与自然光发生干涉、衍射、散射、反射等作用产生的颜色效果。自然界中孔雀羽毛、蝴蝶翅膀、肥皂泡、蛋白石等都是结构生色的产物。这些颜色具有高明亮度、高饱和度、永不褪色等特征。有的结构色会随观察角度的变化而变化,称为虹彩效应,这些颜色特性用常规的染料染色难以达到。将结构生色技术应用于纺织品加工中,能够避免印染行业大量用水以及污水排放,实现真正的无水染色。目前,通过对结构生色机理的研究,已经实现了利用薄膜干涉原理和光子晶体原理进行结构生色的产品制备。

薄膜干涉法结构生色

薄膜干涉是指薄膜产生的光干涉,因薄膜的折射率不同于空气折射率,光到达薄膜时会发生反射和折射,多层薄膜对光反射和折射的次数增多,可产生明显的结构色。基于这一原理,日本帝人(Teijin)公司在2000年研制了一种结构生色纤维Morphotex?,因模仿蝴蝶翅膀的生色原理,又称“蝴蝶纤维”。该纤维由两种不同折射率的涤纶和锦纶交错叠加而成,多达61层的无色纳米薄膜构造使纤维内部有复杂的光学干涉作用,呈现奇妙的红、蓝、绿、紫等颜色,并随入射光的变化产生彩虹般光芒。这是全世界第一个产业化的结构生色纤维,但因制作成本高,颜色不如预想的鲜亮而停产。磁控溅射是另一种薄层干涉法结构生色技术。磁控溅射属于物理气相沉积中用来制备薄膜(也称镀膜)的技术之一,若正确选择靶材,严格控制参数达到纳米镀膜就能实现结构生色。该方法不需要水、蒸汽和化学品,不存在环境污染,在纺织印染行业具有一定的应用前景。有研究表明,可以在织物表面镀纳米金属银、金属铝、金属铜、氧化铜等金属或金属氧化物,以及纳米TiO2和纳米TiO2/SiO2等,得到不同颜色的结构色,基础织物可以是涤纶、桑蚕丝等。北京斐摩科技有限公司推出的“纳米生色技术”就是采用了磁控溅射技术,将金属材料及其氧化物、半导体材料或非金属材料转化为复合纳米粒子,直接溅射到织物表面,从而产生色彩和图案。总体来说,磁控溅射具有基体温度低、不损伤纺织基材、溅射沉积效率高、成膜质量纯、适合大面积生产的特点。虽然已有企业进行磁控溅射法结构生色产品的生产,但设备要求高、靶材价格高,导致加工成本高,产业化应用推进缓慢。

光子晶体结构生色

光子晶体是一类具有光子带隙的周期性电解质结构,由两种或两种以上具有不同介电常数的材料组成,光在光子晶体材料中传播时会在周期性结构表面形成相干衍射,若这些光的频率在可见光范围,就会被人眼感知,产生绚丽的结构色。基于这一原理,研究人员合成了不同材质的胶体微球,通过重力沉积法、涂覆法、喷印法等控制微球有序组装,在丝绸、棉或涤纶织物表面构建结构色,涂覆和喷印是染整加工中常用的手段,具有很强的产业化可行性。浙江理工大学邵建中团队研究了SiO2/聚甲基丙烯酸甲酯光子晶体在涤纶织物表面的结构生色,还研究了涂覆和喷印的方法,实现色彩和图案的结构生色。苏州大学某课题组利用电泳沉积法使带负电性的3种聚苯乙烯微球(粒径为185~290nm)吸附在碳纤维表面制备得到了结构生色纤维。目前,已制备出了呈红、绿、蓝3种颜色的纤维。英国剑桥大学CHRIS FINLAYSON等通过挤压成形的方式得到了光子晶体结构色纤维,其所用原料为PS/PEA核壳结构亚微米级微球。新加坡国立大学刘向阳教授课题组将单分散的聚苯乙烯(PSt)处理在柔性蚕丝织物表面,随着溶剂挥发,聚苯乙烯微球在毛细作用力下在真丝织物表面进行有序组装,得到类似Opal蛋白石结构,获得栩栩如生灵动多变的结构色效果。东华大学刘晓艳教授课题组采用垂直沉积法将不同粒径的SiO2纳米微球自组装于黑色涤纶织物表面,得到了不同颜色的光子晶体结构生色织物。但这些研究大都处于实验室研究阶段,对纳米微球的组装机理和组装过程的可控性研究还有待深入。

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