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苏州大学ACS Nano封面论文:结构色致力开辟纺织品绿色印染新路径

纺织行业是我国国民经济的传统支柱产业,也是重要的民生产业。而印染在纺织工业中占据着不可替代的位置,是提升纺织品档次和附加值的关键行业。但同时,印染行业也早已经成为我国高能耗、高水耗和高排放的危害型行业。纺织印染加工需要耗费大量的水资源,同时大量未被利用的化学染料及助剂会残留在水中,造成废水中有机物、无机盐含量增加,化学需氧量变高,水体严重污染。不仅如此,人工合成的染料和助剂很难在短时间内被分解,这些都对环境造成了不可恢复的破坏。随着节能减排的呼声越来越高,以及当前国家日益严格的环保政策,印染企业必须寻求颠覆性创新的纺织品或者纤维染色技术。
      
      除了化学颜料、色素生色,自然界还有一种结构生色现象,即光与可见光波长尺度的微纳结构相互作用而产生颜色。很多动物如大闪蝶翅膀,孔雀,金刚鹦鹉的羽毛,以及一些宝石,甚至生活中常见的肥皂泡,他们鲜艳的颜色都来自于结构色。这些结构色来自于其微纳结构,不需要化学染料的参与,并且只要保持结构完整就能实现永不退色,这对于发展绿色环保纺织着色技术具有重要的借鉴和参考意义。
      
      基于此,近年来苏州大学现代丝绸国家工程实验室和纺织与服装工程学院张克勤教授一直致力于结构色对纤维和纺织品印染着色的研究。早期,团队通过电化学沉积制备出皮芯结构光子晶体纤维,并用数值计算方法进行了模拟分析和研究(ACS Macro Letters, 2013,2(2), 116-120)。后来为进一步批量化制备结构色纤维,团队利用静电纺丝方法制备了结构色纤维毡,并对纤维制备过程及形成机理进行了详细研究(Langmuir, 2012, 28(43),15418-15424; ACS applied materials & interfaces, 2015, 7(25), 14064-14071)。为了增加结构色层的力学强度和功能性,团队成员通过添加粘合剂利用喷涂法快速制备出亲疏水转换的结构色织物(RSC Advances, 2017, 7(14),8443-8452)。随后团队又利用原子层沉积技术(ALD),制备TiO2结构色涂层应用于碳纤维的显着色(ACS Nano, 2017, 11(10),10330-10336)。
      
      近期,团队联合中科院上海技术物理研究所、复旦大学、中科院苏州纳米所在ACS Nano上以封面文章报道了通过雾化沉积二氧化硅胶体微球及添加剂PVA的方式可控制备大面积非晶结构色涂层,并实现了非晶结构色的混合叠加。不仅如此,该方法能对复杂不规则物体的表面进行快速的保形性涂敷,以蚕丝面料为例对蚕丝布进行“印染上色”,在保留其原有纤维细节、柔性和拉伸性的同时结构色涂层具备较好的力学强度。




研究者利用空气雾化器,将PVA粘合剂添加到二氧化硅胶体微球分散液,在基底上均匀地雾化沉积非晶光子晶体结构色涂层。PVA有效地打断了胶体微球形成的长程有序结构,形成均匀的非晶结构,产生无角度依赖的结构色。通过选择150-300纳米不同尺寸的微球,可以得到覆盖可见光范围的各种不同颜色。研究者通过掩模板辅助在白色蚕丝面料上制备出复杂的彩色玫瑰花图案。PVA的添加同时还大大地提高了非晶结构色涂层的力学性能。丝绸面料保留了原有的柔韧性,并且经过多次拉伸涂层也不发生脱落。参照纺织品的色牢度测试标准,研究者进行多次水洗与摩擦测试,发现这种涂层仍然具有较好的颜色稳定性和结构完整性。这些研究表明通过后期改进粘结技术及批量化制备工艺,这种雾化沉积的方法将会在纺织印染领域具备较好的应用前景。
文章的共同第一作者为苏州大学博士研究生李青松和中国科学院上海技术物理研究所张亚峰博士,通讯作者为苏州大学现代丝绸国家工程实验室和纺织与服装工程学院张克勤教授。同时本工作也得到了复旦大学物理系青年千人石磊教授和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张骁骅研究员及袁伟博士的大力帮助。
      原文引自“两江科技评论”微信公众号。
      原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/ZfGU0cjq-6NvEOxYs9uWMw


非晶结构色涂层在蚕丝面料形成的图案及水洗和耐磨测试




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