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苏州大学研制出非晶结构色涂层:有望用于纺织品“染色”
发布时间:2018-05-23   点击次数:220次

结构色广泛存在于自然界中,是一种由可见光波长尺度的微纳结构与光相互作用形成一系列干涉、衍射或散射而产生颜色的物理生色效应。与传统的由色素或染料参与的化学生色不同,结构色只要微纳结构保持完整,就能达到永不褪色的效果,同时能够避免使用化学染料和色素带来一系列复杂的环境污染问题,在涂料、纺织印染、化妆品、显示等领域具有广阔的应用前景。

 

 

近日,苏州大学的张克勤教授团队联合中科院上海技术物理研究所、复旦大学、中科院苏州纳米所的研究成果,报道了一种通过雾化沉积纳米二氧化硅胶体微球及添加PVA黏合剂的方式可控制备大面积非晶结构色涂层,并实现非晶结构色的混合及精细调控的方法。不仅如此,该方法可在复杂不规则物体表面实现快速3D保形性(conformal)涂覆,进行较好的“染色”并保留结构细节。以蚕丝面料为例,研究团队展示了该方法能够很好地对纺织品进行“印染上色”,在保留其原有柔性和拉伸性的同时,结构色涂层具备较好的力学强度。研究成果近期发表在ACS Nano 上。

 

 

空气雾化器是一种常见的医疗保健器械,能够高效地将药液雾化成极其细微的雾气液滴,很容易地通过呼吸深入到肺、支气管毛细血管部位,达到被人体直接吸收的目的。受此启发,该研究团队通过雾化沉积纳米二氧化硅胶体微球及添加PVA黏合剂的方式,在基底均匀地沉积非晶光子晶体结构色涂层。他们选择150~300nm不同尺寸的微球,非晶结构涂层可以产生覆盖可见光范围的不同颜色。添加PVA的作用之一是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,并且得到的涂层颜色没有角度依赖性。

 

非晶结构色涂层的光学性质及其微观结构

 

研究中添加PVA黏合剂的另一个作用是大大提高了非晶结构色涂层的力学性能。利用雾化沉积速率可调、均匀稳定的特点,研究者通过交替沉积蓝色、绿色和粉色薄层作为三原色,然后在重合区两两叠加形成新的混合色,通过光谱表征验证了这种非晶结构色涂层能够叠加生成新的颜色。为了实现更精细的颜色叠加混合,作者先在基底沉积一层蓝色层,然后依次沉积不同厚度的绿色层,最终实现了3个梯度的混合色。通过扫描电子显微镜对断面观察发现,叠加区域各层都保持着较好的非晶结构,表明这种雾化沉积的方法能够实现精细的厚度调控,为非晶结构色的颜色叠加提供了思路与借鉴。

 

非晶结构色涂层的颜色叠加

 

雾化沉积具有空间内全方向均匀沉积的特点。他们将通过3D打印得到的不规则物体置入雾气中,可以在各复杂表面形成厚度均一、颜色均匀的结构色涂层,同时保留原有结构的细节,甚至在100μm粗的头发上都能保留鳞片结构,与常用的原子层沉积技术非常类似。同时,该方法对各种材质的衬底都具有较好的适用性和附着性。通过添加黑色吸收性物质如纳米炭黑,作者在白色衬底、金属及浅色陶瓷衬底上都能够制备出颜色鲜艳的非晶结构色涂层。

 

非晶结构色涂层的保形性涂敷及各种材质衬底上的适用性

 

研究者通过掩模板辅助的方法,在白色蚕丝面料上制备出复杂的彩色玫瑰花图案。这种共形的非晶结构色涂层很好地保留了丝绸面料的柔韧性,并且能经受多次拉伸不发生脱落。参照纺织品的色牢度测试标准,他们进行了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。研究表明,通过后期进一步改进黏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表现出广阔的应用前景。

 

非晶结构色涂层在蚕丝面料形成的图案及水洗和耐磨的测试

(来源:X-MOL)

 
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