CN102517801B - 结构色纤维膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构色纤维膜的制备方法，包括如下步骤：(1)制备含有聚合物微球的胶体乳液；(2)加入连接剂和TritonX-100并混合均匀，得到混合溶液；(3)对混合溶液进行静电纺丝，获得胶体晶体纤维；(4)去除胶体晶体纤维中的连接剂，得到结构色纤维膜。本发明将光与平板光子晶体平界面的相干衍射拓展到光子晶体纤维的圆柱界面，利用纳米胶体微球自组装形成光子晶体纤维，制备绿色无污染的、不需化学染料参与的结构色纤维，而且本发明需要的原料简单，成本低，可以大量制备，不受观察角度影响，不依赖环境光的反射。

Description

结构色纤维膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纤维的制备方法，尤其涉及一种结构色纤维膜的制备方法，属于纤维纺织领域。

背景技术

我国是纺织业大国，目前纺织品生色的主要途径是在纤维和织物表面吸附染料或固着颜料，即印染过程，但由于其需要大量新鲜水资源，最后大量未利用的化学染料及助剂残留形成污水，导致了传统纺织印染行业高污染、高能耗、低资源利用率的缺点。

自然界中缤纷多彩的颜色，除了色素色，即色素分子通过选择性的吸收、反射和透射特定频率的光线从而展现不同的颜色，还大量存在结构色，即光线通过干涉，衍射和散射产生的颜色。如：孔雀羽毛，蝴蝶的翅膀等等。那是因为它们的结构其实是天然的光子晶体，光子晶体是由介电常数不同的材料按照一定周期顺序排列所形成的具有有序结构的材料，光子晶体中光子带隙的存在产生了结构色，使我们看到了绚丽的颜色。

光子晶体可以由精密机械加工，电子微加工以及胶体自组装等方法制备，其中胶体自组装是目前制备近红外和可见光波波段三维光子晶体最简便的方法，它是指将原子、分子形成的原子团、超分子、分子集合体、纳米颗粒等结构单元在没有外来干涉的情况下，通过非共价键作用自发地缔造成热力学稳定、结构稳定、组织规则的聚集体的过程，目前单分散二氧化硅和聚苯乙烯颗粒是最广泛使用的制备光子晶体的材料。

结构色纤维，可以使纺织品不需要依赖染料或颜料，从而显现出绚丽的颜色。

目前，结构生色纤维，日本帝人公司开发的Morphotex纤维[US6,326,094]，通过严格选择一定折射率的高聚物和计算各层的厚度，使纤维薄层对光干涉时，各层纤维薄层使光发生相长增强作用，反射出一定波长的彩色光，这种仿蝴蝶翅膀得到的多层膜干涉结构色纤维，由于其制作工艺较复杂，成本较高，无法大量生产应用，且其颜色对观察角度的依赖很大。

Skorobogatiy M.等基于传统的光纤，通过设计内外层折射率差，使得只有很窄波长的光从光纤泄漏(发射)出去，从而产生不同的颜色[Gauvreau B，Guo N，Schicker K，Stoeffler K，Boismenu F，Ajji A，Wingfield R，Dubois C，Skorobogatiy M.Color-changing andcolor-tunable photonic bandgap fiber textiles.Optics Express，2008，16(20)：15677-15693.]，但是缺点是必须要提供光源，而不能依赖对环境光的反射。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种结构色纤维膜的制备方法，本发明制备的结构色纤维膜无污染，成本低，可以大量生产应用，而且不受观察角度影响，不依赖环境光的反射。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：一种结构色纤维膜的制备方法，尤其是，包括如下步骤：

(1)制备含有聚合物微球的胶体乳液；

(2)加入连接剂和TritonX-100并混合均匀，得到混合溶液；

(3)对混合溶液进行静电纺丝，获得胶体晶体纤维；

(4)去除胶体晶体纤维中的连接剂，得到结构色纤维膜。

优选的，在上述结构色纤维膜的制备方法中，所述聚合物微球选自二氧化硅微球、聚苯乙烯微球和聚甲基丙烯酸甲酯微球中的一种或多种。

优选的，在上述结构色纤维膜的制备方法中，所述步骤(1)中聚合物微球的直径为200nm-300nm。

优选的，在上述结构色纤维膜的制备方法中，所述步骤(1)中，所述聚合物微球在所述胶体乳液中的质量占比为35％～45％。

优选的，在上述结构色纤维膜的制备方法中，所述步骤(2)中的连接剂为PVA溶液。

优选的，在上述结构色纤维膜的制备方法中，所述步骤(4)中，所述胶体晶体纤维通过浸入在去离子水中来去除所述连接剂。

优选的，在上述结构色纤维膜的制备方法中，所述胶体晶体纤维浸入在去离子水中的时间不低于10小时。

优选的，在上述结构色纤维膜的制备方法中，所述PVA溶液中PVA的质量占比为13％-15％。

优选的，在上述结构色纤维膜的制备方法中，所述聚合物微球与所述PVA的质量比为5∶1。

优选的，在上述结构色纤维膜的制备方法中，所述TritonX-100与聚合物微球的质量比为1％-5％。

本发明将光与平板光子晶体平界面的相干衍射拓展到光子晶体纤维的圆柱界面，利用纳米胶体微球自组装形成光子晶体纤维，制备绿色无污染的、不需化学染料参与的结构色纤维，而且本发明需要的原料简单，成本低，可以大量制备，不受观察角度影响，不依赖环境光的反射。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明结构色纤维膜制备方法的方框图；

图2所示为本发明实施例1中获得的胶体晶体纤维在电子显微镜下得照片；

图3所示为本发明实施例1至实施例3中获得的结构色纤维的反射光谱图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种结构色纤维膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备含有聚合物微球的胶体乳液；

(2)加入连接剂和TritonX-100并混合均匀，得到混合溶液；

(3)对混合溶液进行静电纺丝，获得胶体晶体纤维；

(4)去除胶体晶体纤维中的连接剂，得到结构色纤维膜。

步骤(1)与用以制备光子晶体颗粒悬浮液的过程一样，故本发明实施例所采用的聚合物微球可以为二氧化硅微球、聚苯乙烯微球和聚甲基丙烯酸甲酯微球中一种，也可以为二氧化硅微球和聚苯乙烯微球的混合体。只要是可以用以制备光子晶体的聚合物微球，本发明具体实施例中都可以应用。优选的，本发明实施例中采用的聚合物微球为聚苯乙烯微球。本发明实施例中需要的原料简单，成本低。

步骤(1)中胶体乳液的制备过程，本发明具体实施例中优选采用如下方式：通过乳液聚合，制备不同尺寸的聚合物微球，然后对其进行浓缩获得一定浓度的胶体乳液。对应到可见光光谱中的颜色，聚合物微球的直径取值于200nm-300nm之间。胶体乳液的浓度优选为35％～45％，即聚合物微球在胶体乳液中的质量占比为35％～45％。更有选地，胶体乳液的浓度为40％。

步骤(2)中连接剂的目的是使聚合物微球结合在一起。由于聚合物微球不可能自己连接起来，只能通过加入其他连接剂，使聚合物微球结合在一起。优选的，本发明实施例中选择的是PVA(聚乙烯醇)溶液。PVA溶液中PVA的质量占比优选为13％-15％，更优选地，质量占比为13％。聚合物微球与PVA的质量比优选为5∶1。在其他实施例中，连接剂也可以采用PEO、PVP等。

步骤(2)中，TritonX-100(聚乙二醇辛基苯基醚)是一种表面活性剂，具有降低表明张力的作用，有助于聚合物微球和PVA混合均匀。TritonX-100与聚合物微球的质量比优选为1％-5％。

步骤(3)中直接纺出来的胶体晶体纤维，是没有颜色的。因为聚合物微球之间的空隙被PVA所填满，而且聚合物微球的折射率(1.5)和PVA的折射率(1.56)差别非常小，所以不能形成出现结构色的要素之一：两种介质要有一定的折射率差异。故步骤(4)中需要通过去离子水的浸泡，把大部分的PVA溶去，这样，球与球之间有了空隙，也就有了折射率差异(聚合物微球和空气)，所以就出现了我们看到的颜色。胶体晶体纤维浸入在去离子水中的时间优选为不低于10h。

为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合图1以及实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

1、通过乳液聚合，制备直径为230nm的聚苯乙烯微球，然后将其浓缩为浓度为40％的胶体乳液。

2、取1g的胶体乳液，然后加入质量浓度为13％的PVA溶液0.62g，再加入0.012g的Triton X-100，通过磁力搅拌，使得PVA与聚苯乙烯微球混合均匀，得到混合溶液。

3、将得到的混合溶液，装入5ml塑料注射器中，进行静电纺丝。具体参数为：高压10kv；接收距离15cm；毛细管内径0.3mm；给液速率0.5ml/h。控制静电纺丝周围环境条件为：25℃，50％-55％相对湿度。电纺时间为5min，得到均匀的胶体晶体纤维，参图2所示。

4、将胶体晶体纤维放入去离子水中，浸泡24h，然后取出，自然晾干，便得到具有绿色的结构色纤维膜。

步骤4通过去除了聚苯乙烯微球间的PVA，使得存在了折射率差异，从而出现了结构色。

参图3所示，对其进行反射光谱测量，得出其反射峰约为513nm，为绿色结构色。

实施例2

1、通过乳液聚合，制备直径为260nm的聚苯乙烯微球，然后将其浓缩为浓度为40％的胶体乳液。

2、取1g的胶体乳液，然后加入质量浓度为13％的PVA溶液0.62g，再加入0.012g的Triton X-100，通过磁力搅拌，使得PVA与聚苯乙烯微球混合均匀，得到混合溶液。

3、将得到的混合溶液，装入5ml塑料注射器中，进行静电纺丝。具体参数为：高压10kv；接收距离15cm；毛细管内径0.3mm；给液速率0.5ml/h。控制静电纺丝周围环境条件为：25℃，50％-55％相对湿度。电纺时间为5min，得到均匀的胶体晶体纤维。

4、将胶体晶体纤维放入去离子水中，浸泡24h，然后取出，自然晾干，便得到具有绿色的结构色纤维膜。

步骤4通过去除了聚苯乙烯微球间的PVA，使得存在了折射率差异，从而出现了结构色。

参图3所示，对其进行反射光谱测量，得出其反射峰约为600nm，为红色结构色。

实施例3

1、通过乳液聚合，制备直径为200nm的聚苯乙烯微球，然后将其浓缩为浓度为40％的胶体乳液。

2、取1g的胶体乳液，然后加入质量浓度为13％的PVA溶液0.62g，再加入0.012g的Triton X-100，通过磁力搅拌，使得PVA与聚苯乙烯微球混合均匀，得到混合溶液。

3、将得到的混合溶液，装入5ml塑料注射器中，进行静电纺丝。具体参数为：高压10kv；接收距离15cm；毛细管内径0.3mm；给液速率0.5ml/h。控制静电纺丝周围环境条件为：25℃，50％-55％相对湿度。电纺时间为5min，得到均匀的胶体晶体纤维。

4、将胶体晶体纤维放入去离子水中，浸泡24h，然后取出，自然晾干，便得到具有绿色的结构色纤维膜。

步骤4通过去除了聚苯乙烯微球间的PVA，使得存在了折射率差异，从而出现了结构色。

参图3所示，对其进行反射光谱测量，得出其反射峰约为430nm，为蓝色结构色。

综上所述，本发明将光与平板光子晶体平界面的相干衍射拓展到光子晶体纤维的圆柱界面，利用纳米胶体微球自组装形成光子晶体纤维，制备绿色无污染的、不需化学染料参与的结构色纤维，而且本发明需要的原料简单，成本低，可以大量制备，不受观察角度影响，不依赖环境光的反射。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）制备含有聚合物微球的胶体乳液；

（2）加入连接剂和TritonX-100并混合均匀，得到混合溶液,所述连接剂为PVA溶液；

（3）对混合溶液进行静电纺丝，获得胶体晶体纤维；

（4）去除胶体晶体纤维中的连接剂，得到结构色纤维膜，所述胶体晶体纤维通过浸入在去离子水中来去除所述连接剂。

2.根据权利要求1所述的结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，所述聚合物微球选自二氧化硅微球、聚苯乙烯微球和聚甲基丙烯酸甲酯微球中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中聚合物微球的直径为200nm-300nm。

4.根据权利要求1所述的结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述聚合物微球在所述胶体乳液中的质量占比为35%～45%。

5.根据权利要求1所述的结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，所述胶体晶体纤维浸入在去离子水中的时间不低于10小时。

6.根据权利要求1所述的结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，所述PVA溶液中PVA的质量占比为13%-15%。

7.根据权利要求1所述的结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，所述聚合物微球与所述PVA的质量比为5:1。

8.根据权利要求1所述的结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，所述TritonX-100与聚合物微球的质量比为1%-5%。

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