CN102691202A - 一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法 - Google Patents
一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法，包括：钛溶胶和硅溶胶的制备；二氧化钛薄膜层和二氧化硅薄膜层在织物表面的交替成型。通过该方法可在织物表面形成结构色，结果表明经过此方法处理的织物从不同角度可观察到表面颜色的变化，产生结构色效果；发明合成方法和所需生产设备简单，易于实现工业化生产，对于减少染料工业的环境污染有着重要的借鉴意义；制备的织物结构色无需任何染料，具有优异的光学性能和良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纺织品仿生着色领域，特别涉及一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法。
背景技术
在纺织品的染整生产加工过程中，大量使用了对环境有影响和妨碍人体健康的染化料助剂，其生物降解性差，毒性大，游离甲醛含量高，重金属离子的含量超标。这些助剂，以气体、液体、固体的形态排放而污染环境，危害人类的健康。
仿生着色是一种生态染色途径，大致上可分色素生色和结构生色两大类。结构生色是通过对光的散射、干涉和衍射作用产生颜色的，一些动物，例如蝴蝶美丽的颜色和结构生色紧密有关，许多物体的颜色是色素生色和结构生色相互结合才显出的。目前已有结构生色的彩色纤维和薄膜，它是一种不需化学品，无污染的生色途径，许多结构生色的特种纺织品将会受到重视。
光子晶体是E.Yablonovich和S.John于1987年提出的新概念和新材料，从晶体结构来说，晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间就可能存在带隙，而光不能够在这些带隙中存在和传播。当带隙的范围落在可见光范围内(380-780nm)，特定频率的可见光将不能透过该晶体。这些不能传播的光将被光子晶体反射，在具有周期性结构的晶体表面形成相干衍射。这些很窄波段的光被眼睛所感知，就产生结构色，即光在微结构中产生反射、散射、干涉或衍射所形成的颜色。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法。通过该方法可在织物表面形成结构色，结果表明经过此方法处理的织物可从不同角度观察到表面颜色的变化，产生结构色效果；发明合成方法和所需生产设备简单，易于实现工业化生产，对于减少染料工业的环境污染有着重要的借鉴意义；制备的织物结构色无需任何染料，具有优异的光学性能和良好的应用前景。
本发明提供的一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法，包括以下步骤：
（1）钛溶胶的制备
用溶胶-凝胶法将钛酸四丁酯溶解在醋酸中，在机械搅拌下将钛酸四丁酯的醋酸溶液滴加到含有盐酸和有机溶剂的水溶液中，室温下搅拌2-3h后陈化24小时得到透明的含钛溶胶，钛溶胶的原料按重量百分比组分和含量为钛酸四丁酯0.1％～26％，有机溶剂0％～80％，盐酸0.03%～0.1%，醋酸2％－25％，水20～96％；
（2）硅溶胶的制备
用溶胶-凝胶法在机械搅拌的条件下，将正硅酸乙酯加入到乙醇和水的混合液中，配制成正硅酸乙酯溶液，用盐酸调节pH值至2-4；搅拌2-4小时得到透明的含硅溶胶，硅溶胶的原料按重量百分比组分和含量为正硅酸乙酯5-18%，乙醇10-45%，盐酸0-0.2%，水40-85%；
（3）将步骤（1）制备的钛溶胶滴加于置于自旋转装置上的织物表面，调节转速来控制二氧化钛薄膜层的厚度为60-80纳米；
（4）然后在30-50℃下干燥，再先后在酒精和去离子水中清洗3~5分钟；
（5）将步骤（2）制备的硅溶胶滴加于有二氧化钛薄膜的棉织物上，调节转速来控制二氧化硅薄膜层的厚度为100-120纳米；
（6）然后在30-50℃下干燥，再先后在酒精和去离子水中清洗3~5分钟；
（7）反复进行步骤（3）到步骤（6），最后制得一维光子晶体薄膜；
所述步骤（1）的有机溶剂为乙醇或异丙醇。
所述步骤（1）的机械搅拌的速率为300-500转/分钟。
所述步骤（2）的机械搅拌的速率为300-500转/分钟。
所述步骤（7）的一维光子晶体薄膜的层数为奇数或偶数。
利用溶胶-凝胶技术方法在织物表面制备一维光子晶体，可以实现结构色。溶胶-凝胶过程是一种胶体化学法，是将前驱物溶于溶剂中，经过成胶、凝胶等过程制成材料的胶体化学过程。再利用旋涂、喷涂和浸涂等方法可以在基体表面进行涂膜。一维光子晶体就是指介质只在一个方向上具有周期性结构，而在另外两个方向上是均匀分布的。将两种不同折射率的介质薄膜交替排列可以得到一维光子晶体，本发明采用的两种介质为二氧化钛和二氧化硅。由于一维光子晶体具有制作简易等优点而受到特别的关注。
有益效果
（1）本发明采用的原料价格低廉，来源广泛；所需生产设备简单，方法流程简单，条件易控；因此生产成本较低，适用性广，可工业化应用。
（2）本发明可以在织物表面进行二氧化钛、二氧化硅交替制备一维光子晶体薄膜以实现结构色，可以从不同角度观察到表面颜色的变化，从而简单的实现织物的颜色，并可在有色织物表面实现更丰富的色彩，同时二氧化钛具有优异的光学性能，因而具有良好的应用前景。
（3）本发明无需用染料、颜料着色就产生颜色，清洁无污染，还可节水、节能。
附图说明
图1为原织物颜色及本发明制备的具有6层光子晶体结构的织物从各个角度观察到的颜色
图2为原织物颜色及本发明制备的具有7层光子晶体结构的织物从各个角度观察到的颜色
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将40克钛酸四丁酯溶解在13克醋酸中，在300转/分钟机械搅拌下将钛酸四丁酯的醋酸溶液滴加到含0.13g盐酸和149克水的溶液中，使它们混合均匀，在室温下搅拌2小时，陈化24小时得到透明的含钛的溶胶。
将10g正硅酸乙酯在机械搅拌下溶解在含26g乙醇和24g水的混合液中，用盐酸调至pH为3.1，在300转/分钟机械搅拌2小时形成稳定均一的硅溶胶。
用滴管滴加一定量制备的钛溶胶溶液于自旋转装置的棉织物表面，调节转速来控制二氧化钛薄膜层的厚度为60纳米；然后在30℃下干燥，使表面的膜结构稳定；再先后在酒精和去离子水中清洗3分钟；将制备的硅溶胶用滴管滴加于有二氧化钛薄膜的棉织物上，调节转速来控制二氧化硅薄膜层的厚度为100纳米；在30℃下干燥，使表面的膜结构稳定；再先后在酒精和去离子水中清洗3分钟；反复的进行第（3）至第（6）步，最后制得7层数的结构，即先TiO2后SiO2，连续7层后从各个角度测得织物颜色，如图1。
实施例2
将50克钛酸四丁酯溶解在8.5克醋酸中，在500转/分钟机械搅拌下将钛酸四丁酯的醋酸溶液滴加到120g水、16g乙醇和0.1g盐酸中，使它们混合均匀，在室温下搅拌3小时，陈化24小时得到透明的含钛的溶胶。
将11g正硅酸乙酯在机械搅拌下溶解在20g乙醇和30g水的混合液中，用盐酸调至pH为3.0，在500转/分钟机械搅拌2小时形成稳定均一的硅溶胶。
用滴管滴加一定量的钛溶胶溶液于自旋转装置的棉织物表面，调节转速来控制二氧化钛薄膜层的厚度为70纳米；然后在50℃干燥，使表面的膜结构稳定；再先后在酒精和去离子水中清洗5分钟；将第二步制备的硅溶胶用滴管滴加于有二氧化钛薄膜的棉织物上，调节转速来控制二氧化硅薄膜层的厚度为110纳米；在50℃下干燥，使表面的膜结构稳定；再先后在酒精和去离子水中清洗5分钟；反复的进行第（3）至第（6）步，最后制得6层数的结构，即先TiO2后SiO2，连续6层后从各个角度测得试织物颜色，如图2。
Claims (5)
1.一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法，包括以下步骤：
（1）钛溶胶的制备
用溶胶-凝胶法将钛酸四丁酯溶解在醋酸中，在机械搅拌下将钛酸四丁酯的醋酸溶液滴加到含有盐酸和有机溶剂的水溶液中，室温下搅拌2-3h后陈化24小时得到透明的含钛溶胶，钛溶胶的原料按重量百分比组分和含量为钛酸四丁酯0.1％～26％，有机溶剂0％～80％，盐酸0.03%～0.1%，醋酸2％－25％，水20～96％；
（2）硅溶胶的制备
用溶胶-凝胶法在机械搅拌的条件下，将正硅酸乙酯加入到乙醇和水的混合液中，配制成正硅酸乙酯溶液，用盐酸调节pH值至2-4；搅拌2-4小时得到透明的含硅溶胶，硅溶胶的原料按重量百分比组分和含量为正硅酸乙酯5-18%，乙醇10-45%，盐酸0-0.2%，水40-85%；
（3）将步骤（1）制备的钛溶胶滴加于置于自旋转装置上的织物表面，调节转速来控制二氧化钛薄膜层的厚度为60-80纳米；
（4）然后在30-50℃下干燥，再先后在酒精和去离子水中清洗3~5分钟；
（5）将步骤（2）制备的硅溶胶滴加于有二氧化钛薄膜的棉织物上，调节转速来控制二氧化硅薄膜层的厚度为100-120纳米；
（6）然后在30-50℃下干燥，再先后在酒精和去离子水中清洗3~5分钟；
（7）反复进行步骤（3）到步骤（6），最后制得一维光子晶体薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的有机溶剂为乙醇或异丙醇。
3.根据权利要求1所述的一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的机械搅拌的速率为300-500转/分钟。
4.根据权利要求1所述的一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法，其特征在于：所述步骤（2）中的机械搅拌的速率为300-500转/分钟。
5.根据权利要求1所述的一种在织物表面制备一维光子晶体薄膜实现结构色的方法，其特征在于：所述步骤（7）中的一维光子晶体薄膜的层数为奇数或偶数。
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