CN109944073B - 一种溶剂致变色光子晶体织物及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种溶剂致变色光子晶体织物及其制备和应用，制备包括：核壳结构的P(St‑BA‑AA)胶体微球分散于水中与微量的乙炔炭黑超声混合均匀，然后将其均匀的负载于织物表面，烘干，即得。本发明经过胶体微球自组装后的涤纶织物呈现其原本的黑色，在遇水或其他溶剂时颜色能够发生改变，溶剂不同，织物所呈现的颜色不同，该织物可以在不消耗外界能源的情况下实现变色，在湿度检测，防伪，隐藏二维码等领域具有潜在应用。

Description

一种溶剂致变色光子晶体织物及其制备和应用
技术领域
本发明属于溶剂致变色材料及其制备和应用领域，特别涉及一种溶剂致变色光子晶体织物及其制备和应用。
背景技术
织物或者纤维的先进染色工艺使我们的世界色彩斑斓，织物的颜色不仅具有美观和时尚的意义，而且在其他领域(如军事、防伪、检测领域)也有极为重要的用途。在现代服装工业中，颜色是通过染整工艺将染料覆盖在织物表面，从而让单调的纺织材料拥有了丰富的色彩。但这些色彩一旦形成，就很难改变，更不会根据环境和人的意志而发生变化，这都限制了其在更多领域中的应用。近些年来，随着智能服装和可穿戴概念的兴起，服装或者织物的智能变色正在成为一个令人关注的研究方向，织物色彩的智能变化不仅可以使未来的织物在时尚装饰、可穿戴显示、可视化检测等民用领域得到广泛的应用，还可以在军事隐身、伪装等领域具有广阔的发展前景。然而，织物的智能变色研究并不多见，其难点是如何在弧形的表面上构筑构筑光子晶体结构、如何实现多次变色过程中织物上的光子晶体结构不被破坏。因此，智能检测织物制备的关键在于光子晶体自组装的方法和织物上光子晶体结构的稳定性。
现阶段可用于光子晶体织物的制备手段还十分有限。先前的研究手段主要利用SiO2和PS微球通过垂直沉降自组装在织物表面构筑一层光子晶体结构，这种方法得到的织物不透气、光子晶体结构易被破坏且不具有变色性能；另外还有研究者将响应性的光子晶体水凝胶组装于织物表面，所得织物具有一定的响应性但多次变色过程中极易被破坏，弱化了织物本身的服用性能。因此，制备一种既可以实现变色又具备服用性能的光子晶体织物在智能服装材料领域具有重要意义。
文献(The Journal of The Textile Institute，2014，105，938)中，3％质量分数的SiO2胶体微球水分散液均匀滴滴涂在涤纶织物表面，通过垂直沉降自组装得到光子晶体织物，由于SiO2微球在常温下呈现脆性且不具备对外界环境的响应性能，因此所得光子晶体织物中的光子晶体结构容易被破坏且没有环境响应性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种溶剂致变色光子晶体织物及其制备和应用，克服现有技术光子晶体结构易被破坏且不具备变色性能等缺陷，本发明提供了一种溶剂致变色光子晶体纤维的制备方法，是通过半连续乳液聚合制备核壳微球，该微球在组装于织物表面的过程中外层坍塌，将光子晶体结构粘结，极大地提高了其力学性能且在织物内部纤维束表面形成了一层透明的光子晶体膜，当接触到某种溶剂时，织物上的光子晶体结构会产生有效折光系数的变化，其宏观表现为织物颜色的变化，不同溶剂所造成的光子晶体结构有效折光系数的变化不同，宏观变现为织物颜色变化的不同。因此，此溶剂致变色光子晶体织物在防伪、伪装、隐藏二维码、溶剂检测等领域有很大的应用潜力。
本发明的一种溶剂致变色光子晶体织物，所述织物表面负载核壳结构P(St-BA-AA)胶体微球和乙炔炭黑。
本发明的一种溶剂致变色光子晶体织物的制备方法，包括：
(1)将水、十二烷基苯磺酸钠、苯乙烯、丙烯酸正丁酯混合后于油浴条件下，通氮气并磁力搅拌，加入引发剂引发种子乳液聚合，1-2h后再加入苯乙烯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸和引发剂引发下一步聚合，4-8h后，离心洗涤，得到P(St-BA-AA)胶体微球；
(2)将将所得的P(St-BA-AA)胶体微球重新分散于超纯水中，得到P(St-BA-AA)胶体微球的水分散液中加入乙炔炭黑，超声混匀，然后负载于织物表面，烘干，即得溶剂致变色光子晶体织物。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中水为超纯水。
所述步骤(1)中水、十二烷基苯磺酸钠的体积质量比为100ml:5mg～100ml:20mg，水、苯乙烯(总和)、丙烯酸正丁酯(总和)和丙烯酸的体积比为5:0.5:1.5:0.05～5:1.5:0.5:0.15，超纯水、引发剂(总和)的体积质量比为100ml:0.2g～100ml:0.3g。
进一步，所述步骤(1)中具体将水、十二烷基苯磺酸钠、1/3～2/3的苯乙烯、1/3～2/3丙烯酸正丁酯混合后于油浴条件下，通氮气并磁力搅拌，加入1/4～2/4引发剂，1-2h后再加入剩余苯乙烯、剩余丙烯酸正丁酯、丙烯酸和剩余引发剂，4-8h后，离心洗涤，得到P(St-BA-AA)胶体微球。
所述步骤(1)中引发剂为过硫酸钾；P(St-BA-AA)胶体微球的粒径为180-330nm。
所述步骤(1)中油浴条件为：油浴温度为70-80℃；磁力搅拌速率为300-800rpm。
所述步骤(2)中P(St-BA-AA)胶体微球的水分散液的质量分数为30～50％；P(St-BA-AA)胶体微球与乙炔炭黑的质量比为1:0.001～1:0.01；P(St-BA-AA)胶体微球的水分散液的体积与织物表面积比为1ml:3cm2～1ml:6cm2。
所述步骤(2)中织物为黑色涤纶织物；织物表面进行氧等离子体处理。
所述氧等离子体处理具体为：将织物剪成小块，设计好掩模板，将掩模板放置于涤纶织物小块的表面进行氧等离子体处理；其中氧等离子体处理的参数为100～300W、30～90s。
所述步骤(2)中负载为涂覆；烘干为置于铁丝网上在烘箱中烘干，烘干温度为20～60℃。
所述涂覆具体为：混合好的P(St-BA-AA)胶体微球分散液均匀的涂覆于织物表面，然后用毛刷刷去多余分散液。
本发明所述的溶剂致变色晶体织物，其中的溶剂为水。
本发明提供一种所述溶剂致变色光子晶体织物在湿度检测，防伪，隐藏二维码中的应用。
有益效果
(1)本发通过利用苯乙烯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸为原料，通过乳液聚合反应制备具有核壳结构的P(St-BA-AA)胶体微球，并将其分散到超纯水中形成高浓度分散液；将此分散液与一定量的乙炔炭黑混合形成混合乳液；然后均匀的涂覆于经过氧等离子体处理后的涤纶织物表面，在一定温度下烘干，进行胶体微球的溶液挥发自组装，待溶液完全挥发后，得到一种对溶剂具有响应型的结构色织物。
(2)本发明方法简便实用，经过胶体微球自组装后的涤纶织物呈现其原本的黑色，在遇水或其他溶剂时颜色能够发生改变，溶剂不同，织物所呈现的颜色不同，该织物可以在不消耗外界能源的情况下实现变色，在制备有检测、防伪、隐藏图案等功能的智能服装材料方面具有重要的参考价值。
(3)本发明所制备的溶剂致变色光子晶体织物变色不需要其它设备对其提供能源，达到了节约能源的目的。
(4)本发明所制备的溶剂致变色光子晶体织物，在具有检测、防伪、隐藏图案等功能的同时又具有拉伸稳定性、水洗稳定性和透气性(参见图4)，因此该织物可持续使用且具有一定的舒适感，是一种绿色环保的可实用的智能服装材料。
附图说明
图1P(St-BA-AA)胶体微球的TEM图；其中a为多个胶体微球的TEM图；b为单个胶体微球的TEM图；
图2所制备的溶剂致变色光子晶体织物遇水变色的数码照片；其中a、b、c分别表示实例1、实例2和实例3中所得溶剂致变色光子晶体织物的数码照片；d、e、f为变色后的图；
图3所制备的溶剂致变色光子晶体织物的表面SEM图；其中a为光子晶体织物的低倍SEM图；b为织物表面光子晶体结构的高倍SEM图；
图4所制备的溶剂致变色光子晶体织物的拉伸稳定性(a)、水洗稳定性(b)和透气性测试(c)图；
图5图案化溶剂致变色光子晶体织物遇水变色的数码照片。
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。
溶剂致变色光子晶体织物的拉伸性能是由微控电子万能试验机(20KN/WDW3020)所测得，变色性能和水洗性能是由光纤光谱仪(G2000-Pro-Ex)所测得，透气性是由织物透气仪(JISL1096)所测得。
实施例1
量取100ml超纯水、5ml苯乙烯、5ml丙烯酸正丁酯置于三口烧瓶中，放入带有冷凝装置的油浴锅中，设定温度为70℃、搅拌速度为400rpm，通氮气20min，然后用10ml超纯水溶解0.05g过硫酸钾加入反应体系引发种子乳液聚合，反应持续1h，然后量取15ml苯乙烯、15ml丙烯酸正丁酯、2ml丙烯酸加入至反应体系中，用20ml超纯水溶解0.2g过硫酸钾后加入至反应体系引发下一步的乳液聚合，反应持续4h，将得到的乳液离心洗涤三次后冷冻干燥备用，称量1g得到的P(St-BA-AA)胶体微球，超声分散于3ml超纯水中(P(St-BA-AA)胶体微球的质量分数为30％)，再加入1.2mg的乙炔炭黑继续超声混合均匀，将所得3ml混合乳液均匀的涂覆于经过氧等离子体处理后的黑色涤纶织物(尺寸为3×4cm)表面，用毛刷将多余的液体刷去，平铺于铁丝网上置于烘箱中20℃烘干。所得光子晶体织物如图2(a)所示，当织物遇到水后会变色，如图2(d)所示。
实施例2
量取100ml超纯水、5ml苯乙烯、5ml丙烯酸正丁酯，称量0.01g十二烷基苯磺酸钠置于三口烧瓶中，放入带有冷凝装置的油浴锅中，设定温度为75℃、搅拌速度为600rpm，通氮气20min，然后用10ml超纯水溶解0.05g过硫酸钾加入反应体系引发种子乳液聚合，反应持续1h，然后量取15ml苯乙烯、15ml丙烯酸正丁酯、2ml丙烯酸加入至反应体系中，用20ml超纯水溶解0.2g过硫酸钾后加入至反应体系引发下一步的乳液聚合，反应持续4h，将得到的乳液离心洗涤三次后冷冻干燥备用，称量1.2g得到的P(St-BA-AA)胶体微球，超声分散于3ml超纯水中(P(St-BA-AA)胶体微球的质量分数为40％)，再加入1.2mg的乙炔炭黑继续超声混合均匀，将所得3ml混合乳液均匀的涂覆于经过氧等离子体处理后的黑色涤纶织物(尺寸为3×4cm)表面，用毛刷将多余的液体刷去，平铺于铁丝网上置于烘箱中30℃烘干。所得光子晶体织物如图2(b)所示，当织物遇到水后会变色，如图2(e)所示。
实施例3
量取100ml超纯水、5ml苯乙烯、5ml丙烯酸正丁酯，称量0.02g十二烷基苯磺酸钠置于三口烧瓶中，放入带有冷凝装置的油浴锅中，设定温度为80℃、搅拌速度为800rpm，通氮气20min，然后用10ml超纯水溶解0.05g过硫酸钾加入反应体系引发种子乳液聚合，反应持续1h，然后量取15ml苯乙烯、15ml丙烯酸正丁酯、2ml丙烯酸加入至反应体系中，用20ml超纯水溶解0.2g过硫酸钾后加入至反应体系引发下一步的乳液聚合，反应持续4h，将得到的乳液离心洗涤三次后冷冻干燥备用，称量1.5g得到的P(St-BA-AA)胶体微球，超声分散于3ml超纯水中(P(St-BA-AA)胶体微球的质量分数为50％)，再加入1.2mg的乙炔炭黑继续超声混合均匀，将所得3ml混合乳液均匀的涂覆于经过氧等离子体处理后的黑色涤纶织物(尺寸为3×4cm)表面，用毛刷将多余的液体刷去，平铺于铁丝网上置于烘箱中40℃烘干。所得光子晶体织物如图2(c)所示，其表面SEM如图3所示。当织物遇到水后会变色，如图2(f)所示，所得溶剂致变色光子晶体的织物的拉伸性能如图4(a)所示，经过100次拉伸后，依旧可以回复至原始状态，水洗稳定性如图4(b)所示，水洗10次后颜色几乎不变，透气性能如图4(c)所示，相比组装前的涤纶织物其透气性下降较小，依旧具有良好的透气效果。
对比例1
将文献(The Journal of The Textile Institute，2014，105，938)中所得SiO2光子晶体织物与实例1-3中所得溶剂致变色光子晶体织物进行对比，可以看出实例1-3中溶剂致变色光子晶体织物既可以通过遇水变色，又具有良好的拉伸性能，水洗稳定性和透气性能。
对比例2
文献(RSC Advances，2017，7，8443)中，将10％P(St-MMA-AA)胶体微球水分散液与26％的聚丙烯酸酯粘结剂混合，通过喷墨打印法得到了光子晶体织物，组装过程中聚丙烯酸酯将光子晶体结构粘结，因此所得织物具有良好的拉伸性能和水洗稳定性，但组装过程中粘结剂会将织物的孔洞堵塞使得织物不具备透气性能，将此光子晶体织物与实例1-3中的溶剂致变色光子晶体织物对比，可以看出实例1-3中的溶剂致变色光子晶体织物既可以遇水变色，又具有良好的透气性能。

Claims (8)

1.一种溶剂致变色光子晶体织物，其特征在于，所述织物表面负载核壳结构P(St-BA-AA)胶体微球和乙炔炭黑；其中负载为涂覆，P(St-BA-AA)胶体微球与乙炔炭黑的质量比为1:0.001~1:0.01；所述织物为黑色涤纶织物；其中所述溶剂致变色光子晶体织物由下列方法制备：
（1）将水、十二烷基苯磺酸钠、苯乙烯、丙烯酸正丁酯混合后于油浴条件下，通氮气并磁力搅拌，加入引发剂，1-2h后再加入苯乙烯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸和引发剂，4-8h后，离心洗涤，得到P(St-BA-AA)胶体微球；
（2）将上述P(St-BA-AA)胶体微球的水分散液中加入乙炔炭黑，超声混匀，然后负载于织物表面，烘干，即得溶剂致变色光子晶体织物；其中负载为涂覆，P(St-BA-AA)胶体微球与乙炔炭黑的质量比为1:0.001~1:0.01；所述织物为黑色涤纶织物；其中织物表面进行氧等离子体处理；烘干为置于铁丝网上在烘箱中烘干，烘干温度为20~60℃。
2.一种溶剂致变色光子晶体织物的制备方法，包括：
（1）将水、十二烷基苯磺酸钠、苯乙烯、丙烯酸正丁酯混合后于油浴条件下，通氮气并磁力搅拌，加入引发剂，1-2h后再加入苯乙烯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸和引发剂，4-8h后，离心洗涤，得到P(St-BA-AA)胶体微球；
（2）将上述P(St-BA-AA)胶体微球的水分散液中加入乙炔炭黑，超声混匀，然后负载于织物表面，烘干，即得溶剂致变色光子晶体织物；其中负载为涂覆，P(St-BA-AA)胶体微球与乙炔炭黑的质量比为1:0.001~1:0.01；所述织物为黑色涤纶织物；其中织物表面进行氧等离子体处理；烘干为置于铁丝网上在烘箱中烘干，烘干温度为20~60℃。
3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中水、十二烷基苯磺酸钠的体积质量比为100 ml:5 mg~100 ml:20 mg，水、苯乙烯、丙烯酸正丁酯和丙烯酸的体积比为5:0.5:1.5:0.05~5:1.5:0.5:0.15，水、引发剂的体积质量比为100 ml:0.2 g~100 ml:0.3g。
4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中引发剂为过硫酸钾；P(St-BA-AA)胶体微球的粒径为180-330nm。
5.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中油浴条件为：油浴温度为70-80℃；磁力搅拌速率为300-800 rpm。
6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中P(St-BA-AA)胶体微球的水分散液的质量分数为30~50%；P(St-BA-AA)胶体微球的水分散液的体积与织物表面积比为1 ml:3 cm2~1 ml:6 cm2。
7.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中氧等离子体处理具体为：将织物剪成小块，设计好掩模板，将掩模板放置于织物小块的表面进行氧等离子体处理；其中氧等离子体处理的参数为100~300 W、30~90 s。
8.一种权利要求1所述溶剂致变色光子晶体织物在湿度检测，防伪或隐藏二维码中的应用。
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