CN108301146A - 一种柔性基质的结构色制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柔性基质结构色着色领域，提供了一种柔性基质的结构色制备装置及方法，该装置包括初涂系统和精细加工系统，初涂系统包括第一静电发生器组和多个喷嘴组件，用于在织物的表面交替喷涂带正电荷的TiO2液雾和带负电荷的SiO2液雾，在织物表面形成光子晶体均厚薄膜，得到初涂织物，精细加工系统包括计算机、控制模块、第二静电发生器组和多个喷头组件，控制模块根据计算机传递的信号在初涂织物表面喷射TiO2水溶液液滴和SiO2水溶液液滴，在初涂织物表面上形成厚度不一的光子晶体层，以此来实现织物彩色结构色着色，本发明效率高，由于正负电荷的参与，各涂层间结合更加紧密，不易脱落。
Description
技术领域
本发明涉及着色领域，尤其涉及一种柔性基质的结构色制备装置及方法。
背景技术
纺织品着色通常是色素生色，在染整加工过程中，需要大量洁净水，添加的化学染料及助剂生物降解性差，游离甲醛含量高，重金属离子的含量超标，引发环境污染并妨碍人类健康。结构色是由色散、散射、干涉和衍射引起的选择反射产生的颜色，不需要添加化学染料，选择环境友好的光子晶体，合理布置光子晶体微观结构，就能够获得需要的颜色，这是一种无污染的生色途径，已经引起越来越多的重视。
专利申请号为：ZL2012101949132、名称为：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，将钛溶胶、硅溶胶滴在织物表面上，应用旋转法获得光子晶体薄膜层，每单层薄膜成型后需经干燥后用酒精和水清洗。专利申请号为：ZL2012103986263、名称为：静电自组装方法制备结构色复合薄膜，应用静电自组装原理采用浸入法形成光子晶体薄膜层，制备过程中需要多次使用去离子水清洗。专利申请号为：ZL 201610306424X、名称为：一种采用磁控溅射技术在织物表面制备纳米薄膜实现结构色的方法，需要在真空环境下进行，还需要高纯度的氩气、氧气作为工作气流。专利申请号为：ZL2016105244675、名称为：一种用于三维打印的结构色材料的制备方法，以光子晶体水凝胶为三维打印的打印墨水，根据需要选择对应的颜色，但是光子晶体水凝胶制备过程复杂，需进过超声分散、离心纯化、粒子交换树脂净化等多个步骤才能获得光子晶体水凝胶，并且还需配置引发剂。该结构色制备方法步骤多，操作复杂。专利申请号为：ZL2016103904473、名称为：一种3D打印产品彩色涂层动态结构呈色方法，将聚苯乙烯颗粒经由喷嘴打印到产品表面，由聚苯乙烯的粒径对应着结构色的颜色，颜色与粒径的关系式为所以构造不同颜色的结构色，需要准备很多不同粒径的聚苯乙烯，在实现颜色柔和渐变有难度。
综上所述，目前还缺少简单高效，可以快速实现织物等柔性基质的结构色着色的设备与方法，距离结构色织物的大批量生产还具有很长的距离。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种柔性基质的结构色制备装置及方法，在初涂阶段，采用荷电微射流锥射流雾化模式，交替喷涂带正电荷的TiO2液雾和带负电荷的SiO2液雾实现光子晶体均匀沉积在柔性基质表面，形成光子晶体均厚薄膜；在精细加工阶段，应用高压静电辅助压电雾化滴状模式，由控制模块控制喷头在合适的位置交替喷涂TiO2和SiO2液滴，形成非均厚薄膜，实现织物不同颜色完美渐变。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种柔性基质的结构色制备装置，包括初涂系统和精细加工系统；
所述初涂系统包括第一静电发生器组和多个喷嘴组件，所述第一静电发生器组包括多个相同数量的第一正高压静电发生器和第一负高压静电发生器，所述喷嘴组件包括沿织物的宽度方向设置的喷杆和安装于喷杆上的多个喷嘴，多个喷嘴组件并排设置于织物的上方，沿织物的移动方向所述喷嘴组件依次分别用于喷射TiO2水溶液喷雾和SiO2水溶液喷雾，每个用于喷射TiO2水溶液喷雾的喷嘴组件与一个第一正高压静电发生器电连接，每个用于喷射SiO2水溶液喷雾的喷嘴组件与一个第一负高压静电发生器电连接；
所述精细加工系统包括计算机、控制模块、第二静电发生器组和多个喷头组件，所述第二静电发生器组包括多个相同数量的第二正高压静电发生器和第二负高压静电发生器，所述喷头组件包括沿初涂织物的宽度方向设置的导杆和安装于导杆上的多孔喷头，所述多孔喷头能够沿导杆移动，所述导杆和多孔喷头上设有定位装置，所述多孔喷头内设有压电元件，所述定位装置和压电元件均与控制模块电连接，多个喷头组件并排设置于初涂织物的上方，沿初涂织物的移动方向，所述喷头组件依次分别用于喷射TiO2水溶液液滴和SiO2水溶液液滴，每个喷头组件与一个静电发生器相对应，用于喷射TiO2水溶液液滴的喷头与第二正高压静电发生器电连接，用于喷射SiO2水溶液液滴的喷头与第二负高压静电发生器电连接；所述第二正高压静电发生器和第二负高压静电发生器均与控制模块电连接，所述控制模块根据计算机传递的彩色结构色图案信号和定位装置反馈的信号通过驱动装置控制多孔喷头的移动，并通过压电元件控制多孔喷头上各个的喷孔喷出液滴。
本发明中设有TiO2储液罐和SiO2储液罐用管，用于喷射TiO2水溶液的喷杆和多孔喷头均通过TiO2输液管与TiO2储液罐连通，用于喷射SiO2水溶液的喷杆和多孔喷头均通过SiO2输液管与SiO2储液罐连通。
优选地，所述初涂系统和精细加工系统均包括用于传输织物或者初涂织物的传送装置，所述控制模块与传送装置电连接，所述精细加工系统中，计算机软件将彩色结构色图案转换分解成各具体位置坐标点上光子晶体厚度及对应的层数，给出主动轮转动速度，控制模块根据计算机传递的信号控制织物的移动速度。
优选地，所述传送装置包括主传动轮、从传动轮以及动力装置，所述织物卷装在从传动上，所述织物的另一头固定在主传动轮上，主传动轮与从传动之间的织物形成一平面，所述主传动轮与动力装置连接，动力装置提供动力，主传动轮转动使得织物移动，所述主动轮上设有控制装置，所述控制装置与所述控制模块电连接，实现初涂织物移动速度能有效配合多孔喷头的喷涂速度。
优选地，所述传送装置还包括加温板，所述加温板设置于从传动轮与主传动轮之间，所述织物在加温板的上表面移动，加温板加热蒸发织物和初涂织物中过多的水分，但仍保留微小的含水率，便于充分利用TiO2的亲水性，确保TiO2液雾、SiO2液雾能充分铺展。
优选地，所述喷嘴通过喷嘴基座安装于所述喷杆上。
优选地，所述多孔喷头的顶部安装有滑块，所述导杆的底部安装有导轨，所述滑块与导轨滑动连接。
利用上述柔性基质的结构色制备装置实现结构色的方法，包括如下步骤：
步骤一：将织物安装于初涂系统的传输装置上，启动传输装置，织物缓慢移动，同时启动第一静电发生器组和喷嘴组件，在织物的表面交替喷涂带正电荷的TiO2液雾和带负电荷的SiO2液雾，在织物表面形成光子晶体均厚薄膜，得到初涂织物或单色结构色织物；
步骤二：将初涂织物安装于精细加工系统的传输装置上，启动传输装置、第二静电发生器组、喷头组件、控制模块和计算机，计算机软件将彩色结构色图案转换分解成具体位置坐标点上光子晶体厚度及对应的层数，得到主动轮转动速度、各多孔喷头的移动速度与方向，控制模块根据计算机传递的信号控制初涂织物的移动速度，并通过定位装置控制多孔喷头在第二喷杆上的移动方向和速度，同时控制模块解析出压电信号，在需要喷涂TiO2水溶液液滴和SiO2水溶液的液滴的地方分别给多孔喷头上的压电元件施加电压，使得多孔喷头上的喷孔喷出水溶液液滴，在初涂织物表面上形成厚度不一的光子晶体层，实现织物的彩色结构色着色。
优选地，在步骤一前，将织物先进行氧等离子处理，然后进行丙烯酸接枝处理，便于充分利用TiO2的亲水性，液滴接触角降低为0°，确保TiO2液雾、SiO2液雾能充分铺展。
本发明的工作原理：初涂系统可以实现单色结构色着色，在初涂阶段，第一正高压静电发生器和喷嘴组件将TiO2水溶液，形成液滴粒径细小均匀的带正电荷的TiO2水溶液液雾，第一负高压静电发生器和喷嘴组件将SiO2水溶液雾化，形成液滴粒径细小均匀的带负电荷的SiO2水溶液液雾，带正电荷的TiO2水溶液液雾沉积在织物表面上时充分铺展，之后在织物上喷涂SiO2水溶液液雾，由于TiO2的本身具有亲水性，引导SiO2水溶液液雾均匀铺展在已有一薄层TiO2薄层的织物上，另外，由于TiO2水溶液液雾带正电荷，而SiO2水溶液液雾带负电荷，在静电力的作用下，SiO2与TiO2将结合得更加紧密，分子排布更加均匀细致。下一个周期，依然是先喷涂带正电荷的TiO2水溶液液雾，再喷涂带负电荷的SiO2水溶液液雾，根据需要设置喷涂次数。合理设置加温板的温度，确保在TiO2水溶液液膜烘干至一定含水率时便开始喷涂SiO2水溶液液膜，同样地，在SiO2水溶液液膜烘干至一定含水率时即开始喷涂TiO2水溶液液膜，充分利用TiO2的亲水特性，使TiO2水溶液、SiO2水溶液液雾能充分铺展，沉积分布均匀。初涂系统可以完成单色结构色着色，也可以为彩色结构色打底做好基础层。
精细加工系统旨在实现彩色结构色着色，在精细加工阶段，第二正高压静电发生器和第二负高压静电发生器的作为仅仅是分别给TiO2水溶液和SiO2水溶液带上正电荷与负电荷，不需要为水溶液雾化提供能量，所以，所需要的电压值较初涂阶段会低很多。多孔喷头上设有定位装置和许多压电元件，利用压电原件在不同电压下会发生形变的原理，挤压喷头内的微小储液仓，使水溶液从喷嘴中成滴状喷射出来。喷头上的定位装置引导喷头移动，计算机软件将彩色结构色图案转换分解成各具体位置坐标点上光子晶体厚度及对应的层数，控制模块控制多孔喷头在喷头导杆上左右的移动次数，同时解析出压电信号，控制模块控制多孔喷头在需要喷涂TiO2水溶液和SiO2水溶液的地方给多孔喷头上的压电元件施加电压，挤出水溶液液滴，这样，在初涂织物表面上形成厚度不一的光子晶体层，以此来实现织物彩色结构色着色，并且可以使渐变色柔和过度。
本发明的有益效果：
1)在初涂阶段以荷电锥射流模式将TiO2、SiO2溶液交替喷涂在织物表面，辅以加温板，实现沉积液雾实时干燥，单色结构色着色速度快，效率高；由于正负电荷的参与，各涂层间结合更加紧密，不易脱落。
2)在精细加工阶段，采用高压静电辅助压电雾化滴状模式，交替喷涂TiO2和SiO2液滴，生成非均厚光子晶体薄膜，使织物颜色更加丰富多彩，并实现不同颜色的完美渐变。
3)本发明的装置结构简单，价格低廉，并且着色效率高，可以实现结构色织物等柔性基质的大批量生产，工业应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明所述初涂系统的结构示意图。
图2为本发明所述喷杆的结构示意图。
图3为本发明所述精细加工系统的结构示意图。
其中：
1.从传动轮；2.织物；3.加温板；4.TiO2水溶液液雾；5.喷嘴；6.TiO2输液管；7.正高压静电线；8.第一正高压静电发生器；9.SiO2水溶液液雾；10.喷杆；11.SiO2输液管；12.第一负高压静电发生器；13.负高压静电线；14.主传动轮；15.喷嘴基座；16.SiO2水溶液的液滴；17.初涂织物；18.TiO2水溶液液滴；19.多孔喷头；20.第二正高压静电发生器；21.控制模块；22.第二负高压静电发生器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种柔性基质的结构色制备装置，包括初涂系统和精细加工系统，如图1所示，初涂系统包括第一静电发生器组和多个喷嘴组件，第一静电发生器组包括多个相同数量的第一正高压静电发生器8和第一负高压静电发生器12，所述喷嘴组件包括沿织物2的宽度方向设置的喷杆10和多个喷嘴，如图2所示，喷杆10上设有多个喷嘴基座15，所述喷嘴5安装于喷嘴基座15上。多个喷嘴组件并排设置于织物2的上方，沿织物2的移动方向所述喷嘴组件依次分别用于喷射TiO2水溶液喷雾和SiO2水溶液喷雾，每个喷嘴组件与一个静电发生器相对应，用于喷射TiO2水溶液喷雾的喷嘴5均通过正高压静电线7与正高压静电发生器8电连接，用于喷射SiO2水溶液喷雾的喷嘴5均通过负高压静电线13与第一负高压静电发生器12电连接，根据结构色着色光子晶体薄膜厚度选择需要设置的喷嘴组件的个数。
如图3所示，精细加工系统包括控制模块21、第二静电发生器组和多个喷头组件，第二静电发生器组包括多个相同数量的第二正高压静电发生器20和第二负高压静电发生器22，所述喷头组件包括沿初涂织物17的宽度方向设置的导杆和安装于导杆上的多孔喷头19，所述多孔喷头19的顶部安装有滑块，所述导杆的底部安装有导轨，所述滑块与导轨滑动连接，使得多孔喷头19能够沿导杆移动，所述导杆和多孔喷头19上设有定位装置，所述多孔喷头19内设有压电元件，所述定位装置和压电元件均与控制模块21电连接，多个喷头组件并排设置于初涂织物17的上方，沿初涂织物17的移动方向，所述喷头组件依次分别用于喷射TiO2水溶液液滴18和SiO2水溶液液滴23，每个喷头组件与一个静电发生器相对应，用于喷射TiO2水溶液液滴18的喷头与第二正高压静电发生器20电连接，用于喷射SiO2水溶液液滴23的喷头与第二负高压静电发生器22电连接；所述第二正高压静电发生器20和第二负高压静电发生器22均与控制模块21电连接，所述控制模块21根据计算机传递的彩色结构色图案信号和定位装置反馈的信号通过驱动装置控制多孔喷头19的移动，并通过压电元件控制多孔喷头19上各个的喷孔喷出液滴。
初涂系统和精细加工系统均包括用于传输织物2或者初涂织物17的传送装置，传送装置包括主传动轮14、从传动轮1以及动力装置，所述织物2卷装在从传动轮1上，所述织物2的另一头固定在主传动轮14上，主传动轮14与从传动轮1之间的织物2形成一平面，所述主传动轮14与动力装置连接，动力装置提供动力，主传动轮14转动使得织物2移动，所述主动轮14上设有控制装置，所述控制装置与所述控制模块21电连接，实现初涂织物移动速度能有效配合多孔喷头的喷涂速度。
本发明中设有TiO2储液罐和SiO2储液罐用管，用于喷射TiO2水溶液的喷杆通过TiO2输液管与TiO2储液罐连通，用于喷射SiO2水溶液的多孔喷头19均通过SiO2输液管与TiO2储液罐连通。
上述柔性基质的结构色制备装置实现结构色的方法，包括如下步骤：
步骤一：织物2完成氧等离子处理、丙烯酸接枝处理后，将织物2卷装在从传动轮1上，织物2的另一端固定在主传动轮14上，启动主传动轮14，织物2成一平面铺展在加温板3上，并以固定的速度从左往右移动；
步骤二：启动第一静电发生器组和喷嘴组件，拧开TiO2输液管6与TiO2储液罐、SiO2输液管11与SiO2储液罐之间管路上的阀门，水溶液形成锥射流，雾化形成的液雾均匀沉积在织物表面，形成一层TiO2层，一层SiO2，在织物2表面形成光子晶体均厚薄膜，得到初涂织物17；。
步骤三：将初涂织物17安装于精细加工系统的传输装置上，启动传输装置、第二静电发生器组、喷头组件、控制模块21和计算机，计算机软件将彩色结构色图案转换分解成具体位置坐标点上光子晶体厚度及对应的层数，得到主动轮转动速度、各多孔喷头的移动速度与方向，控制模块21根据计算机传递的信号控制初涂织物17的移动速度，并通过定位装置控制多孔喷头19在第二喷杆上的移动方向和速度，同时控制模块21解析出压电信号，在需要喷涂TiO2水溶液液滴18和SiO2水溶液的液滴16的地方分别给多孔喷头19上的压电元件施加电压，使得多孔喷头19上的喷孔喷出水溶液液滴，在初涂织物17的表面上形成厚度不一的光子晶体层，实现织物2的彩色结构色着色，并且可以使渐变色柔和过度。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种柔性基质的结构色制备装置，其特征在于，包括初涂系统和精细加工系统；
所述初涂系统包括第一静电发生器组和多个喷嘴组件，所述第一静电发生器组包括多个相同数量的第一正高压静电发生器(8)和第一负高压静电发生器(12)，所述喷嘴组件包括沿织物(2)的宽度方向设置的喷杆(10)和安装于喷杆(10)上的多个喷嘴，多个喷嘴组件并排设置于织物(2)的上方，沿织物(2)的移动方向所述喷嘴组件依次分别用于喷射TiO2水溶液喷雾和SiO2水溶液喷雾，每个用于喷射TiO2水溶液喷雾的喷嘴组件均与一个第一正高压静电发生器(8)电连接，每个用于喷射SiO2水溶液喷雾的喷嘴组件均与一个第一负高压静电发生器(12)电连接；
所述精细加工系统包括计算机、控制模块(21)、第二静电发生器组和多个喷头组件，所述第二静电发生器组包括多个相同数量的第二正高压静电发生器(20)和第二负高压静电发生器(22)，所述喷头组件包括沿初涂织物(17)的宽度方向设置的导杆和安装于导杆上的多孔喷头(19)，所述多孔喷头(19)能够沿导杆移动，所述导杆和多孔喷头(19)上设有定位装置，所述多孔喷头(19)内设有压电元件，所述定位装置和压电元件均与控制模块(21)电连接，多个喷头组件并排设置于初涂织物(17)的上方，沿初涂织物(17)的移动方向，所述喷头组件依次分别用于喷射TiO2水溶液液滴和SiO2水溶液液滴，每个用于喷射TiO2水溶液液滴的喷头组件与一个第二正高压静电发生器(20)电连接，每个用于喷射SiO2水溶液液滴的喷头组件与一个第二负高压静电发生器(22)电连接；所述第二正高压静电发生器(20)和第二负高压静电发生器(22)均与控制模块(21)电连接，所述控制模块(21)根据计算机传递的彩色结构色图案信号和定位装置反馈的信号通过驱动装置控制多孔喷头(19)的移动，并通过压电元件控制多孔喷头(19)上各个的喷孔喷出液滴。
2.根据权利要求1所述的柔性基质的结构色制备装置，其特征在于，所述初涂系统和精细加工系统均包括用于传输织物(2)或者初涂织物(17)的传送装置，所述控制模块(21)与传送装置电连接，所述精细加工系统中，控制模块(21)根据计算机传递的信号控制织物(2)的移动速度。
3.根据权利要求2所述的柔性基质的结构色制备装置，其特征在于，所述传送装置包括主传动轮(14)、从传动轮(1)以及动力装置，所述织物(2)卷装在从传动轮(1)上，所述织物(2)的另一头固定在主传动轮(14)上，主传动轮(14)与从传动轮(1)之间的织物(2)形成一平面，所述主传动轮(14)与动力装置连接，动力装置提供动力，主传动轮(14)转动使得织物(2)移动，所述主动轮(14)上设有控制装置，所述控制装置与所述控制模块(21)电连接。
4.根据权利要求3所述的柔性基质的结构色制备装置，其特征在于，所述传送装置还包括加温板(3)，所述加温板(3)设置于从传动轮(1)与主传动轮(14)之间，所述织物(2)在加温板(3)的上表面移动。
5.根据权利要求1所述的柔性基质的结构色制备装置，其特征在于，所述喷嘴(5)通过喷嘴基座(15)安装于所述喷杆上。
6.根据权利要求1所述的柔性基质的结构色制备装置，其特征在于，所述多孔喷头(19)的顶部安装有滑块，所述导杆的底部安装有导轨，所述滑块与导轨滑动连接。
7.一种利用权利要求1～6任意一项所述的柔性基质的结构色制备装置实现结构色的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将织物(2)安装于初涂系统的传输装置上，启动传输装置，织物(2)缓慢移动，同时启动第一静电发生器组和喷嘴组件，在织物(2)的表面交替喷涂带正电荷的TiO2液雾和带负电荷的SiO2液雾，在织物(2)表面形成光子晶体均厚薄膜，得到初涂织物(17)或单色结构色织物；
步骤二：将初涂织物(17)安装于精细加工系统的传输装置上，启动传输装置、第二静电发生器组、喷头组件、控制模块(21)和计算机，计算机软件将彩色结构色图案转换分解成具体位置坐标点上光子晶体厚度及对应的层数，得到主动轮转动速度、各多孔喷头的移动速度与方向，控制模块(21)根据计算机传递的信号控制初涂织物(17)的移动速度，并通过定位装置控制多孔喷头(19)在第二喷杆上的移动方向和速度，同时控制模块(21)解析出压电信号，在需要喷涂TiO2水溶液液滴和SiO2水溶液的液滴的地方分别给多孔喷头(19)上的压电元件施加电压，使得多孔喷头(19)上的喷孔喷出水溶液液滴，在初涂织物表面(17)上形成厚度不一的光子晶体层，实现织物(2)的彩色结构色着色。
8.根据权利要求7所述的实现结构色的方法，其特征在于，在步骤一前，将织物(2)先进行氧等离子处理，然后进行丙烯酸接枝处理。
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