織物織造參數(shù)及表面疏水性對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)色的影響

高雅芳 張?jiān)藕? 周嵐 陳建勇 戴香玲 王相林 劉國(guó)金

摘?要：以單分散聚（苯乙烯-甲基丙烯酸）（P（St-MAA））微球?yàn)榻Y(jié)構(gòu)基元，采用重力沉降自組裝法在滌綸織物上構(gòu)建光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜，探究織物織造參數(shù)及表面疏水性能對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)色效果的影響，并分析結(jié)構(gòu)色的調(diào)控方式。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、視頻顯微鏡和紫外-可見(jiàn)分光光度儀觀測(cè)光子晶體的排列狀況、結(jié)構(gòu)色均勻性和鮮艷性、結(jié)構(gòu)色反射率曲線。結(jié)果表明：在相同織造參數(shù)條件下，當(dāng)織物組織為平紋時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的微球組裝液即可獲得結(jié)構(gòu)色鮮明的光子晶體;同為平紋組織的條件下，織物越致密則越有利于得到結(jié)構(gòu)色亮麗的光子晶體。隨織物疏水性增強(qiáng)，微球組裝液在表面越難鋪展和滲透，所得光子晶體薄膜的裂紋越發(fā)明顯，結(jié)構(gòu)色亮度愈加下降。在保持其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)調(diào)控結(jié)構(gòu)基元的粒徑和觀察角度可以對(duì)結(jié)構(gòu)色的色相進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)基元粒徑減小或觀察角增大時(shí)，結(jié)構(gòu)色會(huì)發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象。本研究為紡織基材上構(gòu)建明亮、均勻的結(jié)構(gòu)色提供了參考。

關(guān)鍵詞：光子晶體;結(jié)構(gòu)色;滌綸織物;織造參數(shù);疏水性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TS195.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2021）02-0073-08

作者簡(jiǎn)介：高雅芳（1995-），女，浙江紹興人，碩土研究生，主要從事光子晶體結(jié)構(gòu)生色方面的研究。

Abstract：Photonic crystal film with structural colors is constructed on polyester fabrics by a gravity deposition self-assembly method with monodisperse poly（styrene-methacrylic acid） （P（St-MAA）） microspheres as structural elements. It is intended to explore the effect of fabric weaving parameters and surface hydrophobic properties on the structural color effect of photonic crystals， and analyze the control methods of structural colors. Field emission scanning electron microscope （SEM）， video microscope and ultraviolet-visible spectrophotometer are used to observe the arrangement of photonic crystals， uniformity and brightness of structural colors and reflectance curves of structural colors. The results show that with the same weaving parameters， photonic crystal film with bright structural colors can be obtained with microsphere assembly solution with a mass fraction of 2% if plain weave fabrics are provided; in respect of plain weave fabrics， dense fabrics are easy for obtaining photonic crystals with bright structural colors. As the hydrophobicity of fabrics increases， it becomes more difficult for microsphere assembly solution to spread penetrate on the surface， the more heavily the photonic crystal film cracks， and the brightness of the structural color decreases. With other parameters remaining unchanged， the hue of structural colors can be regulated by adjusting the grain size of structural motif and observation angle. Structural colors will produce blue shift if the grain size of structural motif decreases or the observation angle increases. This study provides a reference for constructing bright and uniform structural colors on textile substrate.

Key words：photonic crystals; structural color; polyester fabrics; weaving parameters; hydrophobic properties

紡織品主要通過(guò)施加染料或顏料等色素來(lái)實(shí)現(xiàn)著色，其顯色機(jī)理是依靠化學(xué)色素自身化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)光的選擇性吸收與反射[1]。近年來(lái)，一些新型紡織品著色技術(shù)不斷產(chǎn)生，其中通過(guò)在紡織基材上構(gòu)筑特定物理組織結(jié)構(gòu)，經(jīng)光的干涉、衍射等作用，獲得結(jié)構(gòu)色效果來(lái)實(shí)現(xiàn)紡織品生態(tài)環(huán)保著色的研究引起了研究者們的關(guān)注[2-3]。結(jié)構(gòu)生色是一種物理生色方式，在一定程度上可避免傳統(tǒng)色素著色所產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題。此外，作為一種典型的物理色，排列規(guī)整的晶態(tài)光子晶體所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色通常具有高飽和度、高亮度和虹彩效應(yīng)[4]等特點(diǎn)，具有色素色不具備的特殊光學(xué)性質(zhì)。

光子晶體是一種由不同折光指數(shù)的材料按照一定的周期性排列形成的人工晶體結(jié)構(gòu)，其根本特征是具有光子禁帶[5-6]，特定波長(zhǎng)的光不能穿過(guò)光子禁帶，從而被反射，在其表面形成相關(guān)衍射，從而形成絢麗多彩的結(jié)構(gòu)色彩。近幾年來(lái)，以膠體微球?yàn)榛窘Y(jié)構(gòu)基元，在紡織基材上自組裝構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜，借助結(jié)構(gòu)色效果來(lái)實(shí)現(xiàn)紡織品生態(tài)著色的研究已有報(bào)道[3，7-11]。紡織品是一種微觀上具有一定起伏度的柔性材料，按照織造方式可分為機(jī)織、針織和非織造等。不同的織造和加工手段均會(huì)對(duì)紡織品的性能造成不同的影響，這就給紡織基材上光子晶體結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因此，篩選適用于膠體微球自組裝以得到鮮艷結(jié)構(gòu)色效果的紡織品基材，可為實(shí)現(xiàn)紡織品光子晶體結(jié)構(gòu)生色的實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論支撐。

紡織品中的機(jī)織物由來(lái)已久，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是產(chǎn)量最高、品種最豐富一種，而三原組織作為各種組織的基礎(chǔ)，具有廣泛的用途。不同于玻璃或金屬平面襯底，不同機(jī)織物中紗線的交織方式、結(jié)構(gòu)形態(tài)及其設(shè)計(jì)原則與方法都不盡一樣，這就造成織物的外觀和功能會(huì)有明顯的差異。此外，不同的后處理方式會(huì)影響紡織品的基本性質(zhì)，如親水處理可賦予紡織品親水性，而疏水性則有助于紡織品產(chǎn)生拒水效果。以上參數(shù)和因素均會(huì)對(duì)紡織基材上膠體微球自組裝構(gòu)筑光子晶體的行為、所得光子晶體的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)色產(chǎn)生重要影響。因此，研究機(jī)織物的組織結(jié)構(gòu)和親疏水性能可為構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜提供指導(dǎo)作用。

本研究以常用的聚苯乙烯類(lèi)膠體微球?yàn)樽越M裝結(jié)構(gòu)基元，以機(jī)織滌綸織物為基材，通過(guò)重力沉降自組裝法制備光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜。選擇以同樣規(guī)格的黑色滌綸線為原材料，通過(guò)控制紗線纖度、經(jīng)緯紗密度和織物組織等參數(shù)來(lái)織造織物襯底，并通過(guò)疏水處理對(duì)織物基材進(jìn)行處理以獲得不同疏水性的織物，研究紡織基材的不同織造參數(shù)和表面疏水性能對(duì)自組裝所得光子晶體及其結(jié)構(gòu)色效果的影響，最后還探討結(jié)構(gòu)色的調(diào)控方式。本研究將為粗糙、柔性的紡織基材上構(gòu)筑光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)，也將為其他柔性材質(zhì)上光子晶體的構(gòu)筑提供借鑒作用。

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?實(shí)驗(yàn)試劑

拒水整理劑（工業(yè)級(jí)，傳化股份有限公司）;去離子水（電導(dǎo)率>18 MΩ·cm，實(shí)驗(yàn)室自制）;黑色滌綸線（167 dtex，市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)）;苯乙烯（St，分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司）;甲基丙烯酸（MAA，分析純，阿拉丁試劑有限公司）;過(guò)硫酸銨（APS，分析純，無(wú)錫市展望化工試劑有限公司）。

1.2?實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平（JA2003，上海市安亭電子儀器廠）;精密增力電動(dòng)攪拌器（JJ-1，常州普天儀器制造有限公司）;超聲波清洗器（KQ5200B，昆山市超聲儀器有限公司）;恒溫恒濕箱（JYH-103，上海佳語(yǔ)科學(xué)儀器有限公司）;全自動(dòng)劍桿織樣機(jī)（SGA598，江陰通源紡機(jī)有限公司）;馬爾文激光粒度儀（Nano-s，英國(guó)Malvern公司）;視頻接觸角測(cè)定儀（JY-82B，承德鼎盛試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)設(shè)備有限公司）;場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，ALTRA55，德國(guó)蔡司公司）;三維（3D）視頻顯微鏡（KH-7700，日本浩視有限公司）;UV-Vis分光計(jì)（Lambda 900，美國(guó)珀金埃爾默公司）;數(shù)碼相機(jī)（EOS600D，日本佳能集團(tuán)）。

1.3?實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1?P（St-MAA）微球的制備

采用無(wú)皂乳液聚合法制備P（St-MAA）微球[12]。以苯乙烯（St）和甲基丙烯酸（MAA）為原料，以過(guò)硫酸銨為引發(fā)劑，在氮?dú)猸h(huán)境下制備了P（St-MAA）微球。首先，將一定量St和MAA分散在200 mL水中，并轉(zhuǎn)移到帶有冷凝管的四頸燒瓶中。在燒瓶中通入氮?dú)?，開(kāi)始機(jī)械攪拌，設(shè)定轉(zhuǎn)速為300 r/min。待溫度穩(wěn)定在75 ℃后，將0.1 g過(guò)硫酸銨加入體系中，待反應(yīng)8 h后可得到P（St-MAA）微球，通過(guò)改變St和MAA的用量，可制備得到不同粒徑的單分散膠體微球。

1.3.2?滌綸織物的織造及工藝參數(shù)

織物的織造在SGA598型全自動(dòng)劍桿織機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行。經(jīng)緯紗線都采用167 dtex的黑色滌綸線。以平紋織物織造為例：設(shè)定經(jīng)密為440根/10 cm，緯密為296根/10 cm，經(jīng)紗采用順穿法穿綜，鋼筘選用11號(hào)筘，經(jīng)紗張力設(shè)置為5 kg，組織選用平紋。

織造過(guò)程為經(jīng)紗整經(jīng)后穿綜穿筘后與穿入引緯器由引緯機(jī)構(gòu)控制的緯紗進(jìn)行交織。不同機(jī)織物的織造參數(shù)如表1所示。

1.3.3?織物的疏水處理

設(shè)定超聲清洗器的溫度為40 ℃，將織物置于去離子水中超聲30 min以洗除織物表面的雜質(zhì)，取出后自然晾干。通過(guò)浸軋方式對(duì)織物進(jìn)行疏水處理。用去離子水將拒水劑稀釋?zhuān)礊檎韯?。將織物浸漬在拒水整理劑中，經(jīng)二浸二軋后，在80 ℃預(yù)烘5 min，隨后繼續(xù)在160 ℃焙烘3 min，取出待用。

1.3.4?滌綸織物上光子晶體薄膜的制備

以P（St-MAA）微球?yàn)榛窘Y(jié)構(gòu)基元，通過(guò)重力沉積法在已經(jīng)織成的滌綸機(jī)織物表面制備光子晶體薄膜。具體做法為：將P（St-MAA）微球稀釋至一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為自組裝液，然后置于超聲清洗器中震蕩10 min，取出后倒入無(wú)蓋培養(yǎng)皿中，隨之將已裁剪好的圓形織物置于自組裝液中，最后將承載有織物和自組裝液的培養(yǎng)皿置于溫度為55 ℃，相對(duì)濕度為50%的恒溫恒濕箱中，待水分完全蒸發(fā)后，即可在滌綸織物表面獲得光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜。

2?結(jié)果與討論

2.1?織物織造參數(shù)對(duì)P（St-MAA）光子晶體薄膜結(jié)構(gòu)色的影響

圖1為直徑282 nm的P（St-MAA）微球的粒徑分布圖，可以看到，P（St-MAA）微球的粒徑分布峰窄而尖銳，說(shuō)明微球具備良好的單分散性，有利于構(gòu)建高度有序的光子晶體結(jié)構(gòu)。

織造參數(shù)直接影響織物的表面性能，首先探究了織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)光子晶體薄膜結(jié)構(gòu)色效果的影響，結(jié)果如圖2。從圖2中可見(jiàn)，通過(guò)調(diào)控P（St-MAA）微球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在不同組織結(jié)構(gòu)的織物上均可制備得到生色良好的光子晶體薄膜，但不同組織結(jié)構(gòu)織物所對(duì)應(yīng)的最佳微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)各不相同。如圖2（a1-a3），當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，即可在平紋織物上得到鮮艷的結(jié)構(gòu)色，而隨微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，雖結(jié)構(gòu)色依舊保持了良好的鮮艷性，但織物的紋理卻變得愈加模糊，這說(shuō)明光子晶體薄膜的厚度在不斷增大，在一定程度上將不利于保持織物的手感，故平紋織物上優(yōu)選微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。當(dāng)織物組織為三上一下右斜紋時(shí)，如圖2（b1-b3），微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)組裝后的結(jié)構(gòu)色最亮麗。當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，盡管織物組織結(jié)構(gòu)分明，但只有一部分經(jīng)緯紗線表面存在結(jié)構(gòu)色，而當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)，織物表面紋理被覆蓋結(jié)構(gòu)色變暗淡。而對(duì)經(jīng)面緞紋樣品C而言，如圖2（c1-c3）所示，隨微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，織物表面逐漸呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)色，當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)織物表面結(jié)構(gòu)色呈現(xiàn)效果最好。

在P（St-MAA）微球重力沉降自組裝過(guò)程中，微球自身的重力是主要驅(qū)動(dòng)力，微球會(huì)不斷在纖維間和紗線之間的空隙中附著，并逐漸由混亂狀態(tài)轉(zhuǎn)變成排列緊密的有序晶格[13]。圖3為織物樣品A、B和C的電鏡圖，從圖3中可以看到，在相同的織造參數(shù)條件下，樣品A交織次數(shù)最多，B次之，而C的交織次數(shù)最少。當(dāng)紗線受另一系統(tǒng)紗線的制約較小時(shí)，紗線容易滑移和松散，浮線更長(zhǎng)，在自組裝過(guò)程中會(huì)使很多微球直接從經(jīng)緯紗線之間通過(guò)，不利于微球在織物上的停留和沉積，因此該組織結(jié)構(gòu)下，自組裝所需微球的數(shù)量便遠(yuǎn)大于平紋組織，要想得到色彩鮮明的結(jié)構(gòu)色，所需自組裝液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)便越高。綜上所述，原組織織物在相同織造參數(shù)條件下，經(jīng)緯紗線的交織次數(shù)越多，織物越硬挺，在能保證得到效果良好的結(jié)構(gòu)色的基礎(chǔ)上，參與自組裝所需微球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低。

圖4展示了最佳自組裝液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，P（St-MAA）膠體微球在不同組織結(jié)構(gòu)織物上所得光子晶體結(jié)構(gòu)色的反射率曲線。從圖4中可以看到，3種組織結(jié)構(gòu)織物上所得結(jié)構(gòu)色的反射率曲線特征峰均出現(xiàn)在575～625 nm之間，印證了織物上橙黃色結(jié)構(gòu)色色相。在最佳微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，緞紋組織上結(jié)構(gòu)色的反射光譜帶隙容量最淺，表明其表面結(jié)構(gòu)色的飽和度最低，而平紋和斜紋組織上結(jié)構(gòu)色的反射峰則窄而尖銳，帶隙的容量較深，說(shuō)明此時(shí)的結(jié)構(gòu)色艷麗、飽和度高。此外，相比于斜紋織物，采用更低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微球組裝液就可在平紋組織織物上構(gòu)筑得到色彩明麗的光子晶體薄膜，基于此，優(yōu)選平紋組織的織物作為基底來(lái)制備光子晶體薄膜，可獲得效果最佳的結(jié)構(gòu)色效果。

在選定平紋組織后，在保證自組裝微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)一致的情況下，探究織物的密度對(duì)光子晶體薄膜結(jié)構(gòu)色的影響，結(jié)果如圖5。從圖5中可以看出，不同密度織物上制備所得光子晶體薄膜呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)色效果。隨織物密度的減小，即織物中紗線的排列變得愈加疏散，結(jié)構(gòu)色變得越來(lái)越暗淡，織物的黑色底色會(huì)不斷顯現(xiàn)出來(lái)。特別是經(jīng)緯密均為240根/10 cm織造的織物G，其結(jié)構(gòu)色最為暗沉，織物的黑色底色最為明顯。

已有研究表明，柔性多孔紡織品上重力沉降自組裝構(gòu)筑光子晶體時(shí)，微球首先會(huì)填充纖維間及紗線間的空隙，待空隙被填平后才會(huì)進(jìn)一步自組裝形成規(guī)整的光子晶體，從而顯現(xiàn)出靚麗的結(jié)構(gòu)色效果[14]。因而，當(dāng)經(jīng)緯密度過(guò)低時(shí)，織物表面被經(jīng)緯紗線覆蓋的面積太小。紗線之間的空隙很大，自組裝時(shí)需要填充空隙的微球?qū)⒃龆啵@將造成參與有效自組裝的微球變少，在一定程度上甚至不足以堆積形成規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，從而所得結(jié)構(gòu)色也將灰暗。隨經(jīng)緯密的不斷增大，被紗線和纖維“兜住”的微球越來(lái)越多，致使空隙很快被填平，參與有效自組裝的微球自然變多，也更加有利于形成規(guī)整的光子晶體，從而展示出明亮的結(jié)構(gòu)色效果，如圖5所示。綜上所述，織物織造的緊密率對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)整度及結(jié)構(gòu)色效果具有重要作用，保持較高的經(jīng)緯密，有利于形成規(guī)整有序的光子晶體結(jié)構(gòu)。

2.2?織物的疏水性對(duì)P（St-MAA）光子晶體薄膜結(jié)構(gòu)色的影響

在微球自組裝構(gòu)筑光子晶體薄膜時(shí)，基底的表面性能對(duì)微球的自組裝過(guò)程起重要作用。為了揭示織物基材的疏水性與光子晶體結(jié)構(gòu)色之間的關(guān)系，改變織造所得樣品A（平紋組織）的疏水性強(qiáng)弱，探究織物的疏水性對(duì)結(jié)構(gòu)色效果的影響。

對(duì)于經(jīng)過(guò)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)疏水整理劑處理過(guò)后織物，其水接觸角各不相同，結(jié)果如圖6。從圖6中可以看到，當(dāng)平紋織物樣品A未經(jīng)疏水劑整理時(shí)，其水接觸角為107.43°，隨著疏水整理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定范圍內(nèi)的提升，接觸角會(huì)不斷增加，特別當(dāng)疏水整理劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，織物的接觸角達(dá)到133.18°，而進(jìn)一步再增加疏水劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，織物的接觸角也基本維持不變，這說(shuō)明以此整理劑處理織物，其接觸角已達(dá)最大。

P（St-MAA）膠體微球在具有不同接觸角的滌綸織物上重力沉降自組裝所得光子晶體薄膜的結(jié)構(gòu)色效果如圖7。從圖7中可以看到，未經(jīng)處理的原織物上顯現(xiàn)了明亮的結(jié)構(gòu)色效果，如圖7（b）。從圖7（a）中看到，經(jīng)過(guò)親水處理后（71.73°）的織物表面上形成的光子晶體結(jié)構(gòu)色并不明顯，這是因?yàn)樽越M裝液發(fā)生了滲漏，由此說(shuō)明自組裝基底需要具備一定的疏水性。經(jīng)疏水處理后，隨織物接觸角的增大，微球自組裝所得光子晶體薄膜的結(jié)構(gòu)色會(huì)變得愈加暗淡，尤其是當(dāng)織物接觸角為133.18°時(shí)，結(jié)構(gòu)色已變得非常晦暗，且織物表面出現(xiàn)了明顯的裂紋，這些裂紋則以織物凸起處為節(jié)點(diǎn)相互連接。

圖8為不同接觸角滌綸織物上P（St-MAA）膠體微球自組裝所得光子晶體薄膜的SEM圖像。從圖8中可以看出，疏水處理后，隨織物接觸角的增大，微球自組裝形成的光子晶體結(jié)構(gòu)排列變得愈發(fā)散亂。研究表明，排列越規(guī)整的光子晶體，其結(jié)構(gòu)色越加鮮艷[15]。由此可見(jiàn)，這與圖8中的顯微鏡表征結(jié)果具有良好的吻合性。

綜上所述，疏水性越強(qiáng)的滌綸織物，越不適合于P（St-MAA）膠體微球重力沉降自組裝制備結(jié)構(gòu)色亮麗的光子晶體薄膜。這是因?yàn)榭椢镌绞杷⑶蛟诨咨显讲灰诐B透，充當(dāng)“根基”的微球數(shù)自然越少，從而間接造成織物表面參加有效自組裝的微球數(shù)越多，基于微球的布朗運(yùn)動(dòng)及相互間的碰撞，最終會(huì)形成不夠規(guī)整的晶體結(jié)構(gòu)，繼而顯現(xiàn)出暗淡的結(jié)構(gòu)色效果。另外一方面，由于滲進(jìn)織物內(nèi)部的微球數(shù)變少，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，織物表面堆積的微球數(shù)增多，直接造成堆積所得晶體的層數(shù)變厚，基于相鄰微球間的應(yīng)力作用，便看到了較為明顯的裂縫。

2.3?光子晶體薄膜的光學(xué)性能研究

以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的P（St-MAA）微球?yàn)榻Y(jié)構(gòu)基元，經(jīng)重力沉降法在平紋織物樣品A上自組裝制備光子晶體薄膜。圖9是用視頻顯微鏡拍攝的織物表面的結(jié)構(gòu)色效果，可以看出，不同粒徑微球在織物上組裝后均呈現(xiàn)出靚麗的結(jié)構(gòu)色效果，在一定范圍內(nèi)，隨微球粒徑逐漸增大，織物上呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)色由藍(lán)色逐漸變成橙色。依據(jù)布拉格衍射方程mλ=2d（hld）（n2eff-sin2θ）1/2，當(dāng)保持衍射等級(jí)m、平均折射率neff和觀察角度θ不變時(shí)，色彩的最大反射波長(zhǎng)隨微球粒徑的增大而增加，因此結(jié)構(gòu)色會(huì)隨微球粒徑的增大出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。圖10為組裝后不同顏色織物的反射率，當(dāng)微球粒徑從232 nm增大到282 nm過(guò)程中，對(duì)應(yīng)反射峰中心位置從480 nm轉(zhuǎn)移到600 nm，即結(jié)構(gòu)色由藍(lán)色轉(zhuǎn)向?yàn)槌壬?，與圖9具有良好的吻合性。同時(shí)可以看到，4種粒徑的P（St-MAA）微球組裝后所得光子晶體結(jié)構(gòu)色反射峰窄而尖銳，說(shuō)明組裝后的結(jié)構(gòu)色鮮艷、明亮，這與圖9也具有良好的吻合性。基于以上分析，結(jié)構(gòu)色色相的調(diào)控可以通過(guò)改變參與組裝的微球尺寸來(lái)達(dá)到。

結(jié)構(gòu)色區(qū)別于常規(guī)色素色的一個(gè)明顯特征是具有虹彩效應(yīng)，即不同觀察角度下，結(jié)構(gòu)色的色相不同。圖11展示了不同角度下所拍攝的光子晶體結(jié)構(gòu)色的照片。以法線為基準(zhǔn)線，可以直觀地觀察到，當(dāng)拍攝角度不斷增加，滌綸布上呈現(xiàn)的光子晶體色從橙黃色逐漸變?yōu)榫G色，這說(shuō)明不同角度拍攝的對(duì)應(yīng)顏色發(fā)生了藍(lán)移，即出現(xiàn)了虹彩效應(yīng)。這種現(xiàn)象也可以用布拉格公式加以解釋?zhuān)?dāng)保持晶面間距d，平均折射率neff等不變時(shí)，色彩的反射波長(zhǎng)λ與觀察角度θ直接相關(guān)。當(dāng)θ增加，色彩的反射波長(zhǎng)減小，即結(jié)構(gòu)色會(huì)產(chǎn)生藍(lán)移現(xiàn)象。

3?結(jié)?論

通過(guò)重力沉降自組裝法在三原組織機(jī)織物上構(gòu)建光子晶體結(jié)構(gòu)色薄膜，系統(tǒng)探討了機(jī)織物織造參數(shù)及表面疏水性能對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)色效果的影響，并總結(jié)了調(diào)控結(jié)構(gòu)色色相的手段，所得主要研究結(jié)論如下：

a） 設(shè)置紗線纖度為167 dtex，經(jīng)緯密度為440×296根/10 cm的參數(shù)來(lái)織造平紋、斜紋和緞紋織物，發(fā)現(xiàn)以平紋織物為基底，能夠在組裝液微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為2%時(shí)就可獲得亮麗的光子晶體結(jié)構(gòu)色，而在斜紋和緞紋組織上要得到類(lèi)似的結(jié)構(gòu)色效果，則需要耗費(fèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2%的微球自組裝液;

b） 平紋組織的織物較適合充當(dāng)膠體微球自組裝構(gòu)筑光子晶體的基底，而在保持平紋組織不變時(shí)，織物的經(jīng)緯紗密度對(duì)光子晶體的規(guī)整度和結(jié)構(gòu)色效果有重要影響，織物越緊密越有利于得到色澤鮮明的結(jié)構(gòu)色;

c） 滌綸織物的疏水性越強(qiáng)，越不利于組裝液鋪展?jié)B透，會(huì)導(dǎo)致重力沉降自組裝構(gòu)建的光子晶體薄膜愈加出現(xiàn)明顯的裂紋，結(jié)構(gòu)色的亮度也不斷下降，尤其當(dāng)水接觸角過(guò)大（133.18°）時(shí)，結(jié)構(gòu)色愈顯灰暗;

d） 在保持其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)微球粒徑和觀察角來(lái)調(diào)控結(jié)構(gòu)色色相，結(jié)構(gòu)色的色相會(huì)隨微球粒徑的減小或觀察角的增大而發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象。

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