CN104562679A - 制备具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品的方法。原料配比包含以下以重量份计的组分：单分散胶体微球1～2份（以固含量计），去离子水100份；其制备方法为：将单分散胶体微球与去离子水混合，超声分散15？min，形成均匀乳液；将纺织品预先置于塑料培养皿或比色皿中，将所得到的乳液浸没织物表面，在温度为45～60℃，相对湿度为40～60%的恒温恒湿箱中，待溶剂蒸发20～24h或70～72h，制备得到具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品。本发明通过调控胶体微球的核壳组成和粒径，实现了光子晶体结构色纺织品不同的疏水性调控，该调控方法具有操作简单、成本低廉、绿色环保和普适性好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及纺织品的处理方法，尤其是涉及一种制备具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品的方法。
背景技术
目前，在传统的染整工艺中，要制备具有疏水性的着色纺织品通常需要分两步实现：首先，通过施加有色物质(染料或颜料)对纺织品进行着色，即化学色素着色。然后，通过施加拒水整理剂对着色纺织品进行后整理。其中，使用的拒水整理剂大多是烷烃(一般是18个碳原子)长链的化合物或某些有机硅聚合物，如吡啶季铵盐、羟甲基三聚氰胺衍生物、硬脂酸铬络合物、有机硅等。不仅整个工艺流程冗长复杂，而且各道工艺过程中将使用大量的染化料试剂，极易对环境造成污染。
不同于纺织品上传统的染料或者颜料着色，结构色的产生无须染料和颜料等化学着色剂的存在，其实质是特殊组织结构对光的色散、散射、干涉和衍射等选择性反射现象产生的视觉效果，具有高亮度、高饱和度、永不褪色、虹彩现象（颜色随观察角度变化）等特点，而这些都是普通颜料色或色素色所不具备的。光子晶体是一种典型的结构生色方式，基本特征是具有光子禁带，频率在禁带范围内的电磁波都被禁止传播。当光子晶体的光子禁带位于可见光波段（380-780 nm）时，由于禁带对应波长的光在该光子晶体结构中不能传播而被选择性反射，进而在周期性排列的光子晶体表面形成相干衍射，当相长干涉的反射光刺激人眼，便产生结构色效果。
以聚苯乙烯胶体微球为结构单元通过自组装方法构建光子晶体结构（即胶体晶体 Colloidal PCs）的途径是获得光子晶体结构色的简便而有效的途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品的方法，通过控制胶体微球的核壳组成和粒径，在赋予纺织品不同结构色的同时调控其疏水性。
本发明采用的技术方案是：
本发明原料配比包含以下以重量份计的组分：单分散胶体微球 1～2份（以固含量计），去离子水100份；其制备方法为：
1）将单分散胶体微球与去离子水混合，超声分散15 min，形成均匀乳液；
2）将纺织品预先置于塑料培养皿或比色皿中，将所得到的乳液浸没织物表面，在温度为45～60℃，相对湿度为40～60%的恒温恒湿箱中，待溶剂蒸发20～24h或70～72h，制备得到具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品。
所述单分散胶体微球为纳米聚苯乙烯、纳米聚（苯乙烯-甲基丙烯酸）、纳米聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸）、纳米聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸）以及纳米聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸）胶体微球中的任意一种、任意两种的组合或任意种的组合。
所述纺织品为机织棉织物、涤纶织物、真丝织物、尼龙织物或涤/棉混纺织物。
所述胶体微球的平均粒径为150～400 nm。
所述胶体微球的单分散指数小于0.08。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过调控胶体微球的核壳组成和粒径，实现了光子晶体结构色纺织品不同的疏水性调控，该调控方法具有操作简单、成本低廉、绿色环保和普适性好等特点。
附图说明
图1是实施例1中原涤纶织物和重力沉降自组装不同粒径的P（St-MAA）微球所得结构色涤纶织物的三维视频显微镜照片，放大倍数为100倍：(a)为原涤纶织物，（b-d）为结构色涤纶织物，自组装所用微球的粒径依次为286, 270和255 nm。
图2是实施例1中原涤纶织物和重力沉降自组装不同粒径的P（St-MAA）微球所得结构色涤纶织物的接触角照片. (a)为原涤纶织物，（b-d）为结构色涤纶织物，自组装所用微球的粒径依次为286, 270和255 nm.
图3是实施例5中原棉织物和垂直沉积自组装不同粒径的P（St-MAA）微球所得结构色棉织物的三维视频显微镜照片，放大倍数为100倍. (a)为原棉织物，（b, c）为结构色棉织物，自组装所用微球的粒径为275和255 nm.
图4是实施例5中原棉织物和垂直沉积自组装不同粒径的P（St-MAA）微球所得结构色棉织物的接触角照片. (a)为原涤纶织物，（b, c）为结构色涤纶织物，自组装所用微球的粒径为275和255 nm。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明采用纺织品的底色为黑色，使光子禁带不能禁阻的透过光能被黑色底色吸收，从而使光子晶体选择性反射光产生的结构色更鲜艳，若纺织品的底色不为黑色时，产生的结构色不鲜艳。
本发明中用于制备结构色纺织品的胶体微球粒径在150～400 nm 之间，作为组装光子晶体结构的基本单元，其粒径是决定光子晶体结构色的主要因素，对于需在可见光（380～780 nm）范围内进行选择性反射而产生结构色效果的目标，根据修正的布拉格衍射公式可计算得到胶体微球所需的粒径范围，不同粒径的胶体微球所构建的光子晶体及其结构色不同。胶体微球的单分散性是决定光子晶体结构规整性的重要因素，而光子晶体的规整性则影响结构色的鲜艳度（饱和度）和亮度，用于构建光子晶体结构的胶体微球的粒子分散系数应小于 0.08。
本发明所述的具有不同疏水性的光子晶体结构色纺织品的制备过程中要特别注意自组装过程的条件（温度、相对湿度和胶体微球浓度等），以保证胶体微球自组装过程的良好完成和光子晶体结构色的实现。温度和相对湿度影响自组装液的蒸发速率，胶体微球浓度影响光子晶体结构的厚度。温度及湿度不宜过高或过低，胶体微球浓度要适中。
所述的单分散胶体微球为纳米聚苯乙烯（PSt）胶体微球，纳米聚（苯乙烯-甲基丙烯酸）(P(St-MAA))胶体微球，纳米聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸）(P(St-MMA-AA))胶体微球，纳米聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸）(P(St-BA-AA))胶体微球，纳米聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸）(P(St-BA-MAA))胶体微球等。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。
实施例1：
（1）分别将1份（以固含量计）粒径为286 nm、270 nm和255 nm的单分散P（St-MAA）胶体微球（分散系数均小于0.08）与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀乳液。
注：P(St-MAA)胶体微球的制备方法见参考文献： Zhou Lan, Liu Guojin, Wu Yujiang, Qinguo Fan and Jianzhong Shao. The synthesis of core-shell monodisperse P (St-MAA) microspheres and fabrication of photonic crystals Structure with Tunable Colors on polyester fabrics[J]. Fibers and Polymers, 2014, 15(6): 1112-1122.
（2）将所得乳液分别置于具有黑色涤纶织物（与水滴的接触角为99.55°，润湿时间为31 s，分别如图1（a）和图2（a）所示）的塑料培养皿中，使其浸没织物表面，在55℃，相对湿度60%的恒温恒湿箱中进行重力沉降自组装。通过乳液中单分散乳胶粒的重力作用，逐渐沉积而形成有序的三维结构色光子晶体，待溶剂蒸发20-24 h后，P(St-MAA)微球自组装得到具有疏水性的结构色织物，如图1所示，图1（b-d）颜色依次为橙色，黄色和绿色；如图2（b-d）所示，随着微球粒径的减小，静态接触角不断增大，依次为122.01 o、123.70 o和126.25 o，润湿时间都远大于原涤纶织物，依次为450 s，635 s和827 s。
实施例2：
（1）分别将1份（以固含量计）粒径为262 nm、250 nm和222 nm的单分散PSt胶体微球（分散系数均小于0.08）与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀乳液。
注：PSt胶体微球的制备方法见参考文献：Shao Jianzhong, Zhang Yun, Fu Guodong, Zhou Lan, Fan Qinguo. Preparation of monodispersed polystyrene microspheres and self-assembly of photonic crystals for structural colors on polyester fabrics. The Journal of the Textile Institute ,2014, 105 (9): 938-943.
（2）将所得乳液分别置于具有黑色涤纶织物（与水滴的接触角为99.55°，润湿时间为31 s）的塑料培养皿中，使其浸没织物表面，在45℃，相对湿度40%的恒温恒湿箱中进行重力沉降自组装。通过乳液中单分散乳胶粒的重力作用，逐渐沉积而形成有序的三维结构色光子晶体，待溶剂蒸发20-24 h后，PSt微球自组装得到具有疏水性的结构色织物，随着微球粒径的减小，结构色色相向短波方向移动，静态接触角不断增大，依次为120.09 °、128.74 °和129.22°，润湿时间都远大于原涤纶织物，依次为2100 s，2220 s和2460 s。
实施例3：
（1）分别将1份（以固含量计）粒径为310nm、223 nm和206 nm的单分散P（St-MAA）胶体微球（分散系数均小于0.08）与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀乳液。
（2）将所得乳液分别置于比色皿中，垂直插入条形黑色涤纶织物（与水滴的接触角为99.55°，润湿时间为31 s），在60℃，相对湿度60%的恒温恒湿箱中进行垂直沉积自组装。在毛细管力的驱动下，逐渐形成有序的三维结构色光子晶体，待溶剂蒸发70-72 h后，P(St-MAA)微球自组装得到具有疏水性的结构色织物，随着微球粒径的减小，结构色色相向短波方向移动，静态接触角不断增大，依次为120.45 o、121.37 o和122.32 o，润湿时间都远大于原涤纶织物，润湿时间都远大于原涤纶织物，依次为340 s，1290 s和1440 s。
实施例4：
（1）分别将1份（以固含量计）粒径为185nm和186nm的单分散P（St-MAA）和PSt胶体微球（分散系数均小于0.08）与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀乳液。
（2）将所得乳液分别置于具有黑色涤纶织物（与水滴的接触角为99.55°，润湿时间为31 s）的塑料培养皿中，使其浸没织物表面，在55℃，相对湿度60%的恒温恒湿箱中进行重力沉降自组装。通过乳液中单分散乳胶粒的重力作用，逐渐沉积而形成有序的三维结构色光子晶体，待溶剂蒸发20-24 h后，P(St-MAA)微球自组装得到静态接触角为128.62°且润湿时间可达1241 s的紫色结构色涤纶织物，而 PSt微球自组装得到静态接触角为129.67°且润湿时间可达2700 s的紫色结构色涤纶织物。
实施例5：
（1）分别将2份（以固含量计）粒径为275 nm和255 nm的单分散P（St-MAA）胶体微球（分散系数均小于0.08）与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀乳液。
（2）将所得乳液分别置于比色皿中，垂直插入条形黑色棉织物（与水滴的接触角为57.83°，润湿时间为441 ms，分别如图3（a）和图4（a）所示）），在60℃，相对湿度60%的恒温恒湿箱中进行垂直沉积自组装。在毛细管力的驱动下，逐渐形成有序的三维结构色光子晶体，待溶剂蒸发70-72 h后，P(St-MAA)微球自组装得到具有疏水性的结构色织物，如图3所示，图3（b-c）颜色依次为黄色和绿色；如图4（b-c）所示，随着微球粒径的减小，静态接触角不断增大，依次为122.11 o和124.10 o，润湿时间都远大于原棉织物，依次为210 s和237 s。
实施例6：
（1）分别将1.5份（以固含量计）粒径为262 nm和250 nm的单分散PSt胶体微球（分散系数均小于0.08）与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀乳液。
（2）将所得乳液分别置于比色皿中，垂直插入条形黑色棉织物（与水滴的接触角为57.83°，润湿时间为441 ms），在60℃，相对湿度50%的恒温恒湿箱中进行垂直沉积自组装。在毛细管力的驱动下，逐渐形成有序的三维结构色光子晶体，待溶剂蒸发70-72 h后，P(St-MAA)微球自组装得到具有疏水性的结构色织物，随着微球粒径的减小，结构色色相向短波方向移动，静态接触角不断增大，依次为120.35 o和120.90 o，润湿时间都远大于原棉织物，依次为1500 s和1860 s。
实施例7：
（1）分别将2份（以固含量计）粒径为255 nm和256 nm的单分散P（St-MAA）和PSt胶体微球（分散系数均小于0.08）与100份去离子水混合，超声分散15min，形成均匀乳液。
（2）将所得乳液分别置于比色皿中，垂直插入条形黑色棉织物（与水滴的接触角为57.83°，润湿时间为441 ms），在60℃，相对湿度60%的恒温恒湿箱中进行垂直沉积自组装。在毛细管力的驱动下，逐渐形成有序的三维结构色光子晶体，待溶剂蒸发70-72 h后，P(St-MAA)微球自组装得到静态接触角为124.10°且润湿时间可达237 s的绿色结构色棉织物，而 PSt微球自组装得到静态接触角为123.17°且润湿时间可达1730 s的绿色结构色棉织物。
Claims (5)
1.一种制备具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品的方法，其特征在于，原料配比包含以下以重量份计的组分：单分散胶体微球 1～2份，以固含量计，去离子水100份；其制备方法为：
1）将单分散胶体微球与去离子水混合，超声分散15 min，形成均匀乳液；
2）将纺织品预先置于塑料培养皿或比色皿中，将所得到的乳液浸没织物表面，在温度为45～60℃，相对湿度为40～60%的恒温恒湿箱中，待溶剂蒸发20～24h或70～72h，制备得到具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品。
2.根据要求1所述的一种制备具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品的方法，其特征在于：所述单分散胶体微球为纳米聚苯乙烯、纳米聚（苯乙烯-甲基丙烯酸）、纳米聚（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸）、纳米聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸）以及纳米聚（苯乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸）胶体微球中的任意一种、任意两种的组合或任意种的组合。
3.根据要求1所述的一种制备具有疏水性可调控的光子晶体结构色纺织品的方法，其特征在于：所述纺织品为机织棉织物、涤纶织物、真丝织物、尼龙织物或涤/棉混纺织物。
4.根据要求1所述的一种光子晶体结构色纺织品疏水性的调控方法，其特征在于：所述胶体微球的平均粒径为150～400 nm。
5.根据要求1所述的一种光子晶体结构色纺织品疏水性的调控方法，其特征在于：所述胶体微球的单分散指数小于0.08。
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